Naukowcy stworzyli cząstki w kształcie kwiatów, które skutecznie dostarczają leki do wybranych obszarów ciała. Cząstki te można śledzić i kontrolować za pomocą technik obrazowania medycznego, a po pomyślnych wstępnych testach na myszach wydają się obiecujące w leczeniu raka i chorób układu krążenia.
Naukowcy od wielu lat poszukiwali sposobów dostarczania leków do określonych celów w organizmie. Rozważ na przykład podanie leków przeciwnowotworowych bezpośrednio do guza, upewniając się, że zadziałają tylko w tym konkretnym miejscu i nie powodują skutków ubocznych w pozostałej części organizmu. Trwają badania mające na celu identyfikację cząstek nośnikowych, z którymi można wiązać składniki aktywne.
Cząsteczki te muszą spełniać określone wymagania, a wśród nich trzy: po pierwsze muszą być w stanie wchłonąć jak najwięcej cząsteczek substancji aktywnej; po drugie, musi istnieć możliwość przeprowadzenia ich przez krwioobieg przy użyciu prostej techniki, takiej jak ultradźwięki; i po trzecie, musi istnieć możliwość śledzenia ich podróży po organizmie za pomocą nieinwazyjnej procedury obrazowania. Ten ostatni punkt to jedyny sposób sprawdzenia, czy leki zostały pomyślnie dostarczone.
Postępy w projektowaniu cząstek dla medycyny
Znalezienie jednego rozwiązania spełniającego wszystkie te wymagania było wyzwaniem. Jednakże zespół badawczy kierowany przez ETH Zurich wprowadził specjalną klasę cząstek spełniającą wszystkie te kryteria. Cząsteczki te są nie tylko skuteczne, ale także efektownie wyglądają pod mikroskopem, przypominając maleńkie papierowe kwiatki lub pustynne róże. Zbudowane są z niezwykle cienkich płatków, które układają się w kwiaty. Te cząsteczki kwiatu mają średnicę od jednego do pięciu mikrometrów i są nieco mniejsze niż czerwone krwinki.
Ich kształt ma dwie główne zalety. Po pierwsze, cząsteczki kwiatu mają ogromną powierzchnię w stosunku do ich wielkości. Przestrzenie pomiędzy wieloma gęsto upakowanymi płatkami kwiatów mają szerokość zaledwie kilku nanometrów i zachowują się jak pory. Oznacza to, że mogą wchłonąć bardzo duże ilości substancji terapeutycznie czynnych. Po drugie, płatki kwiatów rozpraszają fale dźwiękowe lub można je pokryć cząsteczkami pochłaniającymi światło, dzięki czemu można je łatwo uwidocznić za pomocą ultradźwięków lub obrazowania optoakustycznego.
Odkrycia te zostały zgłoszone przez grupy kierowane przez Daniela Razansky’ego i Metina Sitti w badaniu opublikowanym w Zaawansowane materiały. Razansky jest profesorem obrazowania biomedycznego z podwójną nominacją w ETH Zurich i Uniwersytecie w Zurychu. Sitti jest ekspertem w dziedzinie mikrorobotyki i do niedawna był profesorem w ETH Zurich oraz w Instytucie Inteligentnych Systemów Maxa Plancka w Stuttgarcie, zanim przeniósł się na Uniwersytet Koç w Stambule.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
„Wcześniej badacze badali przede wszystkim maleńkie pęcherzyki gazu jako metodę transportu w krwiobiegu za pomocą ultradźwięków lub innych metod akustycznych” – powiedział Paul Wrede, współautor badania i doktorant w grupie Razansky’ego. „Wykazaliśmy teraz, że stałe mikrocząstki można również kierować akustycznie”. Zaletą cząstek kwiatowych nad bąbelkami jest to, że można je obciążyć większą ilością cząsteczek substancji czynnej.
Naukowcy wykazali, że cząstki kwiatów można napełnić lekiem przeciwnowotworowym w eksperymentach na szalce Petriego. Wstrzyknęli także cząsteczki do krwiobiegu myszy. Wykorzystując skupione ultradźwięki, udało im się utrzymać cząsteczki w określonej pozycji w układzie krążenia. Udało się to pomimo szybkiego krążenia krwi wokół cząstek. Skoncentrowane ultradźwięki to technika polegająca na skupianiu fal dźwiękowych w określonym miejscu. „Innymi słowy, nie wstrzykujemy cząstek i nie mamy nadziei, że wszystko będzie najlepsze. Właściwie to my je kontrolujemy” – powiedział Wrede. Naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia technologia ta zostanie wykorzystana do dostarczania leków do nowotworów lub skrzepów blokujących naczynia krwionośne.
Cząstki mogą być wykonane z różnych materiałów i mieć różne powłoki, w zależności od tego, do czego są używane i preferowanej przez badaczy procedury obrazowania w celu kontrolowania położenia cząstek. „Podstawowa zasada działania opiera się na ich kształcie, a nie na materiale, z którego są wykonane” – powiedział Wrede. W swoich badaniach naukowcy szczegółowo zbadali cząsteczki kwiatów wykonane z tlenku cynku. Przetestowali także cząstki wykonane z poliimidu i materiału kompozytowego składającego się z niklu i związków organicznych.
Teraz badacze chcą udoskonalić swoją koncepcję. W pierwszej kolejności planują przeprowadzić więcej testów na zwierzętach, po czym technologia może przynieść korzyści pacjentom choroba sercowo-naczyniowa lub rak.
Odniesienie: „Hierarchiczne nanostruktury jako akustycznie manipulowalne środki wielofunkcyjne w dynamicznym przepływie płynów”, Dong Wook Kim, Paul Wrede, Hector Estrada, Erdost Yildiz, Jelena Lazovic, Aarushi Bhargava, Daniel Razansky i Metin Sitti, 14 października 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202404514
