Zufällige Innovation: Die unerwartete Entdeckung von Notre Dame steigert die Wirksamkeit von Medikamenten

Von der University of Notre Dame, 6. Juni 2023

Ein Forscherteam der University of Notre Dame unter der Leitung von Professor Bradley Smith ist auf eine neuartige Technik gestoßen, mit der bestehende Medikamente wirksamer gemacht werden können, indem sie in modifizierte Silica-Partikel geladen werden, wie in der Fachzeitschrift Nanoscale ausführlich beschrieben wird. Bildnachweis: Nanoscale, 2022, DOI: 10.1039/D2NR05528G, Royal Society of Chemistry

Forscher der University of Notre Dame haben eine kostengünstige Methode entdeckt, um die Wirksamkeit von Medikamenten zu steigern, indem sie sie in thermisch modifizierte Silica-Partikel laden. Die veränderten Partikel können Chemikalien zurückhalten und ihre Freisetzungsrate steuern und bieten so einen Weg für verbesserte Arzneimittelabgabesysteme und ein neues Verständnis der Biomineralisierung.

Eine neu entdeckte Technik, über die in der Fachzeitschrift Nanoscale berichtet wurde, bietet eine kostengünstige Möglichkeit, die Wirksamkeit bestehender Medikamente zu steigern.

"If you take sand and heat it to 500 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">„Celsius, nichts ändert sich“, sagte Bradley Smith, Emil T. Hofman-Professor für Naturwissenschaften an der University of Notre Dame. Daher war Smith, der auch Direktor der Integrated Imaging Facility von Notre Dame ist, verwirrt, als Canjia Zhai und Cassandra Shaffer, zwei Doktoranden der Abteilung für Chemie und Biochemie, die in seinem Labor arbeiteten, entdeckten, dass sie die Struktur von Siliziumdioxidpartikeln – dem Hauptbestandteil von Sand – bei 80 Grad Celsius verändert hatten, einer Temperatur ähnlich der einer Tasse Kaffee.

Die Entdeckung geschah zufällig. Die Partikel waren mikroskopisch klein – ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Aber wie ihre größeren Gegenstücke mit der Aufschrift „Kieselgel“ in Verpackungen, die an neuen Kleidungsstücken angebracht waren, waren diese Partikel porös und konnten eine Chemikalie zurückhalten. In diesem Fall handelte es sich bei dieser Chemikalie um einen blauen Farbstoff, der zur Erkennung von Tumoren bei Mäusen verwendet wurde.

Es dauerte lange, bis der neue Farbstoff, der in Smiths Labor entwickelt worden war, in die engen Poren der Partikel eindrang. Um die Bewegung der Moleküle zu beschleunigen, erhitzten Shaffer und Zhai die Mischung auf knapp unter den Siedepunkt und ließen sie über Nacht stehen. Als sie am nächsten Tag zurückkamen, konnten sie feststellen, dass die Partikel blau geworden waren.

Um zu bestätigen, dass der Farbstoff vollständig infundiert war, nahmen Shaffer und Zhai die Hilfe von Tatyana Orlova und Maksym Zhukovskyi in Anspruch, Mikroskopieexperten an der Notre Dame Integrated Imaging Facility.

Bildnachweis: Nanoscale, 2022, DOI: 10.1039/D2NR05528G, Royal Society of Chemistry

Orlova und Zhukovskyi erstellten hochauflösende Elektronenmikroskopbilder, die zeigten, dass nicht nur der Farbstoff infundiert war, sondern auch die Silica-Partikel selbst ihre Form verändert hatten. Die ursprünglichen Partikel waren einzelne Kugeln, die leicht mit Poren übersät waren, ähnlich der Schale einer Orange. Die neuen Strukturen waren kugelförmig und bestanden aus kleineren, mit Farbstoff gefüllten Kügelchen. Außerdem hatten sie hier und da kleine Öffnungen, die den Blick auf einen hohlen Kern im Inneren freigaben. Die Gesamteinheit ähnelte einer hohlen Himbeere.

Nach der Überraschung über die anfängliche Entdeckung kamen eine Reihe praktischer Fragen. Welche anderen Chemikalien könnten die Forscher in ähnliche himbeerförmige Partikel laden? Und vor allem: Würden diese Chemikalien auch dann aktiv bleiben, wenn ihre umgebenden Strukturen ihre Form verändert hätten?

Dieser Frage ging sein Mitdoktorand Jordan Chasteen nach und wiederholte den Vorgang mithilfe eines Krebsmedikaments. Nach einer Reihe von Tests bestätigte er, dass das in die Partikel geladene Krebsmedikament immer noch aktiv und in der Lage war, Krebszellen abzutöten.

Diese Entdeckung biete ein neues Werkzeug, um bestehende Medikamente wirksamer zu machen, sagte Smith.

„Was wir jetzt haben, ist eine Möglichkeit, den gesamten Katalog aminhaltiger Medikamente durchzugehen, und indem wir die einfachen Schritte befolgen, die wir entdeckt haben, können wir neue Versionen bestehender Medikamente entwickeln, die wirksamer sein könnten oder weniger unerwünschte Nebenwirkungen haben.“ " er sagte.

Smith und seine Studenten haben herausgefunden, dass sie durch subtile Änderungen im Beladungsverfahren die Dicke der Partikel variieren können, was eine ganze Reihe neuer Optionen zur Feinabstimmung der Partikel bietet, um Medikamente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten freizusetzen. Die einzigartige Struktur des neuen Partikels könnte es auch ermöglichen, ihn mit mehr als einem Inhaltsstoff zu beladen – zum Beispiel einem Medikament in der äußeren Schicht und einem Farbstoff in der „Himbeere“ –, um die Fähigkeit der Forscher zu verbessern, die Art und Weise, wie Medikamente freigesetzt werden, zu beobachten.

Darüber hinaus wirft das neue Teilchen, so Smith, auch Licht auf ein wenig verstandenes biologisches Phänomen, das als Biomineralisation bekannt ist.

„Wir haben herausgefunden, dass aminhaltige Arzneimittel bestimmte chemische Eigenschaften haben, die den Abbau- und Reformierungsprozess in Kieselsäure beschleunigen, und wir glauben, dass dies dem ähnelt, was in der Natur abläuft“, sagte er. Smith nannte als Beispiel Kieselalgen, eine Art mikroskopisch kleines Plankton, und ihre zarten glasartigen Schalen aus Kieselsäure.

„Diese Mikroorganismen verfügen über Mechanismen, die es ihnen ermöglichen, Sand aufzunehmen und ihn in ihre Schalen umzuwandeln“, sagte er. „Und sie tun dies offensichtlich bei relativ niedrigen Temperaturen unter Verwendung organischer Moleküle. Was wir entdeckt haben, ist möglicherweise ein Teil der Chemie, die hinter diesem Prozess steckt.“

Während Smith und sein Labor weiterhin Innovationen entwickeln, lassen sie sich sowohl von der Natur als auch von Entdeckungen im Labor inspirieren. „Die allgemeine Lehre hier ist“, sagte er, „dass wir im Labor entdecken können, wie natürliche Prozesse funktionieren, und dann können wir dieses Wissen nutzen und diese Prozesse nachahmen, um etwas völlig Neues zu entwerfen.“

Referenz: „Silica-Nanopartikel-Remodellierung unter milden Bedingungen: vielseitige einstufige Umwandlung von mesoporösen in hohle Nanopartikel mit gleichzeitiger Nutzlastbeladung“ von Cassandra C. Shaffer, Canjia Zhai, Jordan L. Chasteen, Tatyana Orlova, Maksym Zhukovskyi und Bradley D. Smith, 21. November 2022, Nanoscale.DOI: 10.1039/D2NR05528G

This discovery was made possible with funding from the National Science Foundation and the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nationales Gesundheitsinstitut.