Nanostruktura o kształcie idealnej klatki może dostarczać cząsteczki leków do komórek
Nanotechnologia oferuje obiecujący sposób na dostarczanie i kontrolowanie uwalniania nowych leków oraz ogromną szansę na zmodernizowanie starych metod leczenia poprzez poprawę ich bezpieczeństwa i skuteczności. Funkcjonalne nanocząsteczki zawierające cząsteczki leków mogą selektywnie wyzwalać swoje terapeutyczne działanie w pobliżu docelowej tkanki lub komórki, nie uwalniając leku do krwiobiegu.
Wspieranie działania nanocząsteczek
Celem projektu NanoIntra, który otrzymał dofinansowanie w ramach działań Maria Skłodowska-Curie, było usunięcie kluczowej przeszkody w dostarczaniu leków przy pomocy nanocząsteczek. Poza osiągnięciem dokładniejszego kontrolowania i uwalniania leków na poziomie nano musimy zrozumieć, gdzie trafia lek, gdy nanocząsteczka dostanie się do wnętrza komórki. Cząsteczki leków mogą bowiem całkowicie utracić swoją skuteczność, jeśli pozostaną w endosomach. Poprzez połączenie wiedzy z różnych dziedzin, takich jak chemia, biologia i fizyka, naukowcy pracujący w ramach projektu NanoIntra stworzyli kilka innowacyjnych nanocząsteczek, w tym luminescencyjne półprzewodnikowe kropki kwantowe, plazmowe nanokryształy metali i nanocząsteczki krzemionkowe, do dokładnego bioobrazowania i analizy bioczujnikowej. W drugiej fazie poddali oni ich powierzchnię funkcjonalizacji za pomocą ligandów organicznych, aby zwiększyć ich zdolność do przenikania do komórek (endocytozy) i późniejszego opuszczenia endosomów. „Ważną częścią prac było zbadanie interakcji pomiędzy hybrydowymi nanomateriałami i komórkami. Ostatecznie opracowaliśmy nowe podejście do funkcjonalizacji powierzchni przy użyciu ligandów zwitterjonowych. Poprzez staranne dostosowanie gęstości ligandu udało nam się osiągnąć właściwą równowagę pomiędzy wysoką stabilnością koloidalną a efektywnym przenikaniem do komórek”, wyjaśnia Tangi Aubert, koordynatorka projektu NanoIntra.
Samoczynne grupowanie nanocząstek przy wsparciu struktury pomocniczej
Jednym z najciekawszych odkryć projektu było to, że nanocząsteczki krzemionki w specjalnych warunkach tworzyły strukturę nanoklatki o dobrze zdefiniowanej symetrii dwunastościennej. „Badania wykazały, że malutkie cząsteczki krzemionki mogą łatwo i bezpiecznie przechodzić przez organizm i być wydalane wraz z moczem, nie pozostając w wątrobie”. Być może takie nanoklatki krzemionkowe mogłyby posłużyć za transportery leków przeciwnowotworowych lub za nośniki cząsteczek diagnostycznych”, zauważa Aubert. Do stworzenia tej wielościennej struktury naukowcy użyli stosunkowo prostej techniki. Aby opracować szablon, zanurzyli cząsteczki mydła w roztworze wodnym. Cząsteczki te utworzyły drobniutkie kuleczki zwane micelami. Następnie dodali do mieszanki prekursor krzemionkowy. Ujemnie naładowane klastry krzemionki powstałe przy udziale prekursora były stopniowo przyciągane do dodatnio naładowanej powierzchni szablonu micelowego, tworząc strukturę o kształcie klatki. Ku zaskoczeniu naukowców proces ten przebiegał bez konieczności ingerencji człowieka – nanocząsteczki samoczynnie grupowały się wokół miceli. „Z perspektywy fundamentalnej nanoklatki oferują unikalną możliwość badania wczesnych etapów działania mechanizmów wzrostu uporządkowanych materiałów mezoporowatych. Obserwacja samoczynnego grupowania się nanoelementów składowych w dwuwymiarowe klatki krzemionkowe jest dodatkowym krokiem w tym kierunku”, dodaje Aubert. Aby móc przyjrzeć się nanoklatkom, naukowcy wykorzystali mikroskopię krioelektronową. Po przeanalizowaniu wszystkich różnych orientacji struktur za pomocą algorytmów uczenia maszynowego odtworzyli oni idealny dwunastościan.
Drukowanie przestrzenne gąbczastych nanocząsteczek
Porowate nanocząsteczki charakteryzują się ulepszoną powierzchnią, co czyni je bardzo przydatnymi w zastosowaniach typu „gość-gospodarz”, takich jak bioczujniki. Umożliwiają one też większą kontrolę nad uwalnianiem cząsteczek leczniczych. Poprzez poddanie nanoklatki krzemionkowej funkcjonalizacji za pomocą reagujących na światło ligandów naukowcom pracującym w ramach projektu NanoIntra udało się wydrukować mezoporowate materiały o dużej powierzchni i przypadkowych kształtach. „Umieszczając poddane funkcjonalizacji przy pomocy ligandów klatki krzemionkowe w pożądanych miejscach wydrukowanego końcowego materiału mezoporowatego, możemy budować platformy bioanalityczne o wysokiej wydajności”, podsumowuje Aubert.
Słowa kluczowe
NanoIntra, nanoklatka, ligand, bioczujnik, cząsteczki leków, nanocząsteczki krzemionki, mezoporowaty, endosomy, samoczynne grupowanie