O nouă metodă îmbunătățește înțelegerea nanoparticulelor pentru livrarea medicamentelor
Medi medicine modernă se bazează din ce în ce mai mult pe livrarea țintită a medicamentelor, un proces în care particule minuscule (nanoparticule) transportă medicamente către anumite zone ale corpului.
Pentru a asigura că aceste tratamente sunt sigure și eficiente, oamenii de știință trebuie să înțeleagă exact cum sunt construite aceste nanoparticule, inclusiv dimensiunea, forma și structura lor internă.
În cadrul acestui studiu, un grup internațional a combinat mai multe tehnici avansate de analiză pentru a investiga nanoparticulele folosite în livrarea medicamentelor, oferind detalii fără precedent. Aceasta a fost prima dată când au reușit să asocieze o metodă de separare a particulelor, cunoscută sub denumirea de AF4, cu dispersia de neutroni la un unghi mic (SANS) în cadrul unui experiment realizat pe instrumentul D11 de la ILL.
Această nouă abordare le-a permis cercetătorilor nu doar să măsoare dimensiunea și forma nanoparticulelor, ci și să determine cum sunt organizate intern aceste particule și moleculele de medicament. Această lucrare deschide noi posibilități pentru utilizarea dispersiei de neutroni în studiul sistemelor de livrare a medicamentelor din ce în ce mai sofisticate și ar putea contribui la dezvoltarea unor tratamente mai sigure și mai eficiente în viitor.
Livrarea țintită a medicamentelor este un proces în care moleculele terapeutice sunt transportate direct către organe specifice sau chiar către anumite tipuri de celule. De obicei, medicamentele sunt ambalate în particule biocompatibile (nanoparticule) care sunt compuse din diferite molecule de grăsime.
Realizarea eficientă a procesului de livrare depinde de multe caracteristici ale particulelor, inclusiv structura lor internă și externă, precum și omogenitatea dimensiunilor particulelor dintr-un anumit lot. Standardele internaționale de calitate cer ca dimensiunile nanoparticulelor să nu varieze cu mai mult de 30% pentru a fi considerate sigure pentru aplicație. Prin urmare, monitorizarea atentă a distribuției dimensiunilor particulelor este de o importanță fundamentală pe parcursul procesului de fabricație.
Pentru a monitoriza dimensiunea nanoparticulelor, producătorii folosesc frecvent o tehnică numită fracționare asimetrică a fluxului de câmp (AF4). Aceasta implică separarea particulelor într-o soluție astfel încât particulele mai mici să se miște mai repede decât cele mai mari. De obicei, AF4 este asociată cu metode precum absorbția de lumină ultravioletă sau dispersia de lumină pentru a măsura cantitatea de particule din fiecare grupă de dimensiuni.
Pentru a înțelege mai bine nanoparticulele, cercetătorii au nevoie și de informații despre forma și structura lor internă. Aceasta necesită combinarea AF4 cu tehnici concepute special pentru a explora modul în care particulele sunt organizate la nivel nanometric.
În studii anterioare, AF4 a fost asociată cu dispersia de raze X la un unghi mic (SAXS) pentru a investiga particule magnetice minuscule. Totuși, nu a fost niciodată combinată cu tehnici pe bază de neutroni, cum ar fi SANS.
Această provocare a fost acum depășită de un grup internațional de cercetători, inclusiv de la Institutul Leibniz pentru Cercetări Polimerice (Dresda), Universitatea Stellenbosch, Max IV și Departamentul de Inginerie a Proceselor și Științei Vieții (Lund) și Institutul Laue-Langevin (ILL), care au efectuat cu succes primul experiment AF4-SANS din lume pe instrumentul D11 de la ILL.
Folosind nanoparticule concepute pentru livrarea medicamentelor, echipa le-a analizat cu un sistem AF4 asociat simultan cu dispersia de lumină multi-unghi și, pentru prima dată, SANS. Prin această combinație puternică, cercetătorii au reușit să determine nu doar dimensiunile particulelor, ci și să testeze omogenitatea structurii lor interne și posibila localizare a moleculelor de medicament cu mare precizie. Această abordare combinată le-a oferit cercetătorilor o înțelegere mult mai detaliată a modului în care sunt construite nanoparticulele.
Potrivit lui Albena Lederer, de la Institutul Leibniz pentru Cercetări Polimerice din Dresda, acest prim experiment AF4-SANS de succes demonstrează cât de puternice pot fi aceste platforme analitice combinate în cercetarea biomedicală: „În cadrul Grupului de Separare a Polimerilor de la Institutul Leibniz pentru Cercetări Polimerice din Dresda, am fost pionieri în combinarea tehnicilor avansate de fracționare a fluxului de câmp cu metode de dispersie puternice, inclusiv AF4-SANS și FFF-SAXS termic. Aceste abordări multidetectoare ne permit să extragem informații complementare și ortogonale din cantități foarte mici de probă, ceea ce este deosebit de valoros în cercetarea biomedicală. Privind înainte, credem că astfel de strategii analitice integrate vor fi decisive pentru înțelegerea sistemelor polimerice complexe și pentru ghidarea proiectării aplicațiilor biomedicale pe bază de polimeri de generație următoare.”
Echipa a introdus, de asemenea, o îmbunătățire importantă în configurația standard AF4. În timpul experimentelor AF4, particulele devin diluate în timp ce se deplasează prin sistem, ceea ce slăbește semnalul de măsurare și poate duce la timpi de experiment foarte lungi.
Pentru a depăși această problemă, cercetătorii au implementat o metodă de compensare a acestui efect de diluare, permițându-le să obțină măsurători fiabile mult mai eficient. Aceasta a inclus concentrarea detectării semnalului nanoparticulului exclusiv pe soluția bogată în nanoparticule, în timp ce semnalul solventului a fost direcționat departe de detectoare, permițând o detecție a semnalului cu bune statistici.
Asocierea SANS cu AF4 reprezintă un pas extrem de important în dezvoltarea platformelor de caracterizare a nanoparticulelor. Un avantaj major al dispersiei de neutroni este sensibilitatea sa la hidrogen și deuteriu. Prin înlocuirea selectivă a atomilor de hidrogen cu deuteriu, cercetătorii pot evidenția anumite părți ale unei nanoparticule, dezvăluind detalii structurale care sunt altfel dificile de observat cu alte tehnici.
Pe măsură ce tratamentele țintite continuă să evolueze, caracterizarea precisă a nanoparticulelor pentru livrarea medicamentelor devine din ce în ce mai importantă. Cadrele experimentale stabilite în studiul descris aici reprezintă o contribuție semnificativă în abordarea acestei provocări și deschid noi posibilități pentru utilizarea dispersiei de neutroni în cercetarea biomedicală.
