Υπόσχεση για «νέο δρόμο» διάθεσης φαρμάκων

Μια νέα μελέτη από το MIT αποκαλύπτει ότι αυτά τα νανοσωματίδια εισέρχονται στα κύτταρα με την αξιοποίηση μιας διαδρομής που χρησιμοποιείται στην σύντηξη κυστιδίων, μια κρίσιμη διαδικασία που επιτρέπει τη μετάδοση σήματος μεταξύ των νευρώνων. Στο Nature Communications, οι ερευνητές περιγράφουν με λεπτομέρεια τον μηχανισμό με τον οποίο τα νανοσωματίδια αυτά είναι σε θέση να συγχωνεύονται με μία μεμβράνη.

Τα ευρήματα υποδεικνύουν πιθανές στρατηγικές για το σχεδιασμό νανοσωματιδίων-κατασκευασμένα από χρυσό ή άλλα υλικά -που θα μπορούσαν να μπουν στα κύτταρα, ακόμη πιο εύκολα.

"Έχουμε εντοπίσει ένα είδος μηχανισμού που θα μπορούσε να είναι πιο αποτελεσματικός από ότι είναι μέχρι σήμερα γνωστό", είπε ο Reid Van Lehn, μεταπτυχιακός φοιτητής υλικών και μηχανικής στο ΜΙΤ και ένας από τους κύριους συντάκτες της μελέτης. "Εντοπίζοντας αυτή τη διαδρομή για πρώτη φορά, διαπιστώνουμε ότι μόνο πώς να κατασκευάσουμε αυτή την κατηγορία νανοσωματιδίων, αλλά ότι ακριβώς αυτή η διαδρομή μπορεί να έχει εφαρμογή και σε άλλα συστήματα."

Στη μελέτη, μεταξύ των επικεφαλής συγγραφέων ήταν η Μαρία Ricci της École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) στην Ελβετία. Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Alfredo Alexander-Katz, αναπληρωτή καθηγητή της επιστήμης υλικών και μηχανικής, και τον Francesco Stellacci από EPFL, συμπεριέλαβε και άλλους επιστήμονες, από το Ινστιτούτο Νευρολογίας Carlos Besta στην Ιταλία και το Πανεπιστήμιο του Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Τα περισσότερα νανοσωματίδια εισέρχονται στα κύτταρα μέσω της ενδοκυττάρωσης, μιας διαδικασίας που παγιδεύει τα σωματίδια σε ενδοκυτταρικά διαμερίσματα, τα οποία μπορούν να βλάψουν την κυτταρική μεμβράνη και να προκαλέσει διαρροή του περιεχομένου των κυττάρων. Όμως, το 2008, ο Stellacci -τότε ήταν στο MIT- και ο Darrell Irvine, καθηγητής της επιστήμης υλικών και μηχανικής και βιολογικής μηχανικής, ανακάλυψαν ότι μια ειδική κατηγορία νανοσωματιδίων χρυσού επικαλυμμένα με ένα μείγμα μορίων μπορούσε να εισχωρήσει στα κύτταρα, χωρίς καμία αναταραχή.

"Γιατί συνέβη αυτό ή πώς συνέβη, ήταν ένα πλήρες μυστήριο", δήλωσε ο Van Lehn.

Πέρυσι, οι Alexander-Katz, Van Lehn, Stellacci, και η ομάδα τους ανακάλυψαν ότι τα σωματίδια με κάποιο τρόπο έκαναν σύντηξη με τις κυτταρικές μεμβράνες και απορροφώνταν μέσα στα κύτταρα. Στη νέα μελέτη τους, δημιούργησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις για να δείξουν πώς συμβαίνει αυτό, και διενήργησαν πειράματα που επιβεβαίωσαν τις προβλέψεις του μοντέλου.

Λαθραία είσοδος

Τα νανοσωματίδια χρυσού που χρησιμοποιούνται για τη διάθεση φαρμάκων είναι συνήθως επικαλυμμένα με ένα λεπτό στρώμα μορίων που προσδιορίζει τις χημικές τους ιδιότητες. Μερικά από τα συνδεόμενα μόρια, είναι φορτισμένα αρνητικά και υδρόφιλα, ενώ τα υπόλοιπα είναι υδρόφοβα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ικανότητα των σωματιδίων να εισχωρούν στα κύτταρα εξαρτάται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των υδρόφοβων συνδετών και των λιπιδίων που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη.

Οι κυτταρικές μεμβράνες αποτελούνται από ένα διπλό στρώμα από μόρια φωσφολιπιδίων, το οποία έχουν ουρές υδρόφοβων λιπιδίων και υδρόφιλες κεφαλές. Οι ουρές λιπιδίων «κοιτάζονται» μεταξύ τους, ενώ οι υδρόφιλες κεφαλές κοιτάζουν προς τα έξω.

Στις προσομοιώσεις σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, οι ερευνητές κατ΄ αρχήν δημιούργησαν μια «τέλεια διπλοστοιβάδα, στην οποία όλες οι ουρές λιπιδίων παραμένουν στη θέση τους μέσα στη μεμβράνη. Σε αυτές τις συνθήκες, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα νανοσωματίδια χρυσού δεν μπορούσαν να συγχωνευθούν με την κυτταρική μεμβράνη.
Όμως αν η μεμβράνη-μοντέλο περιλαμβάνει ένα «ελάττωμα» - ένα άνοιγμα μέσω του οποίου οι ουρές λιπιδίων μπορούν να γλιστρήσουν- τα νανοσωματίδια αρχίζουν να μπαίνουν στη μεμβράνη. Όταν συμβαίνουν αυτές οι «έξοδοι» των λιπιδίων, τότε τα λιπιδια και τα σωματίδια προσκολώνται μεταξύ τους γιατί είναι υδρόφοβα, και τα σωματίδια εγκολπώνονται στην μεμβράνη, χωρίς να την καταστρέφουν. 

Σε πραγματικές κυτταρικές μεμβράνες, αυτές οι προεξοχές συμβαίνουν τυχαία, ειδικά κοντά σε περιοχές όπου οι πρωτεΐνες ενσωματώνονται στη μεμβράνη. Μπορούν επίσης να εμφανισθούν πιο συχνά σε καμπύλα τμήματα της μεμβράνης, επειδή είναι πιο δύσκολο για τις υδρόφιλες κεφαλές να καλύψουν πλήρως ένα καμπύλο χώρο από ένα επίπεδο, αφήνοντας κενά για τις ουρές λιπιδίων να προεξέχουν.

"Είναι ένα συσκευασίας," δήλωσε ο Alexander-Katz. "Υπάρχει ανοιχτός χώρο, όπου οι ουρές μπορούν να βγουν, και θα υπάρξει επαφή με το νερό. Απλά το κάνει 100 φορές πιο πιθανό να υπάρχουν τέτοιες προεξοχές σε πολύ κυρτές περιοχές της μεμβράνης."

Μίμηση της φύσης

Το φαινόμενο αυτό φαίνεται να μιμείται μια διαδικασία που εμφανίζεται φυσικά στα κύτταρα-η σύντηξη των κυστιδίων με την κυτταρική μεμβράνη. Τα κυστίδια είναι μικρές σφαίρες που αποτελούνται από ένα υλικό σαν μεμβράνη και μεταφέρουν νευροδιαβιβαστές ή ορμόνες.

Η ομοιότητα μεταξύ της απορρόφησης των κυστιδίων και των νανοσωματιδίων σημαίνει πως κύτταρα όπου η σύντηξη συμβαίνει φυσικά θα μπορούσαν να είναι καλοί στόχοι για διάθεση φαρμάκων με νανοσωματίδια χρυσού. Οι ερευνητές σχεδιάζουν περαιτέρω ανάλυση στον τρόπο με τον οποίο η σύνθεση των μεμβρανών και των πρωτεϊνών που ενσωματώνονται σε αυτές επηρεάζουν τη διαδικασία απορρόφησης σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. «Θέλουμε να καταλάβουμε τους περιορισμούς και να εξηγήσουμε πώς μπορούμε να σχεδιάσουμε νανοσωματίδια με στόχο συγκεκριμένους τύπους κυττάρων ή περιοχές ενός κυττάρου», επισήμανε ο Van Lehn.

"Κάποιος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τα αποτελέσματα αυτά για να δημιουργήσει βελτιωμένα νανοσωματίδια – οχήματα διάθεσης, για παράδειγμα, μια βελτιωμένη επιφάνεια συνδετήρων για νανοσωματίδια με βελτιωμένη συνάφεια για τις επιφανειακές ομάδες και τις ουρές λιπιδιων», τόνισε η Catherine Murphy, καθηγήτρια Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Illinois, η οποία όμως δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Πηγές:
MIT

Ειδήσεις υγείας σήμερα
Ζεαξανθίνη: Όσα πρέπει να ξέρουμε για το αντιοξειδωτικό των ματιών
Ξεκινά σε λίγες ημέρες το 14ο Συνέδριο Φαρμακευτικού Management
Ποια αντισυλληπτικά συνδέονται με πρόκληση όγκων στον εγκέφαλο