Co się dzieje, gdy wdychasz nanocząsteczki?

Naukowcy po raz pierwszy prześledzili przepływ nanocząsteczek z płuc do krwiobiegu. Prace mogą doprowadzić do opracowania nowych leków i pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób zanieczyszczenie może powodować problemy z oddychaniem.

Światło podróżne: Naukowcy prześledzili ruch nanocząsteczek z płuc (zielony obszar po lewej stronie) szczura do węzłów chłonnych (zielony obszar pośrodku) i reszty ciała.

Naukowcy z Beth Israel Deaconess Medical Center i Harvard School of Public Health wstrzyknęli fluorescencyjne nanocząsteczki do płuc szczurów i wykorzystali obrazowanie w bliskiej podczerwieni, aby obserwować, jak cząsteczki poruszają się przez ich ciała. Naukowcy śledzili, jak daleko i jak szybko nanocząstki o różnych rozmiarach, kształtach i ładunku powierzchniowym były w stanie podróżować po wstrzyknięciu. Odkryli, że nanocząsteczki o średnicy od 6 do 34 nanometrów były w stanie przedostać się przez obronę płuc, aby dotrzeć do węzłów chłonnych i krwiobiegu. To odkrycie może dostarczyć cennych wskazówek dotyczących projektowania leków opartych na nanocząsteczkach.

Niewielki rozmiar nanocząsteczek sprawia, że ​​są one potencjalnie przydatne do dostarczania leków. Lek musi przedostać się przez bariery tkankowe i zwalczyć atakujące komórki odpornościowe organizmu, aby dostarczyć ładunek terapeutyczny przed opuszczeniem organizmu, aby zapobiec toksycznej reakcji. Naukowcy manipulują rozmiarem, kształtem i innymi cechami nanocząstek, aby znaleźć odpowiednią kombinację, która skutecznie przeniesie je przez organizm.

Jest krzywa uczenia się, przez którą przechodzimy wszyscy, mówi Steven Brody , profesor nadzwyczajny medycyny w Washington University School of Medicine. Kiedy zaczynamy projektować nanocząsteczki jako nośniki leków, musimy zacząć rozumieć, jakie są zasady. To zaczyna nam wyznaczać pewne zasady.

Akira Tsuda , główny naukowiec z Harvard School of Public Health, mówi, że płuca mogą być dobrym punktem wejścia dla leków: mają dużą, cienką powierzchnię, przez którą leki mogą przenikać do reszty ciała. Ale płuca mają również potężne mechanizmy obronne, z komórkami odpornościowymi nieustannie patrolującymi, poszukującymi obcych cząsteczek do zniszczenia. Do tej pory nie było jasne, jaki dokładnie mechanizm umożliwia niektórym cząsteczkom przechodzenie przez płuca, podczas gdy inne są wyłapywane i niszczone. Zrozumienie tego może pomóc naukowcom w projektowaniu bardziej skutecznych leków i zapewnić lepsze zrozumienie zanieczyszczeń środowiska.

Tsuda nawiązał współpracę z ekspertem od obrazowania Jan Frangioni z Harvard Medical School, który zaprojektował system obrazowania używany do śledzenia nanocząstek. Hak Soo Choi, wykładowca medycyny w Harvard Medical School, pomógł zaprojektować szereg nanocząstek z kropkami kwantowymi — maleńkich półprzewodnikowych kryształów — i systematycznie zmieniał ich rozmiar, kształt i ładunek powierzchniowy. Przymocowali sondę fluorescencyjną do każdej nanocząstki, aby świeciła przez ciało podczas oglądania za pomocą urządzenia do obrazowania w bliskiej podczerwieni.

Tworzywa sztuczne Pelham , producent urządzeń medycznych z siedzibą w New Hampshire, opracował wykonany na zamówienie cewnik do dostarczania nanocząsteczek do płuc szczura. Cewnik umożliwił naukowcom wstrzyknięcie nanocząsteczek bezpośrednio do płuc, jednocześnie wentylując płuca w celu symulacji oddychania.

Zespół śledził przepływ nanocząstek w czasie rzeczywistym, do godziny po wstrzyknięciu. Tsuda odkrył, że rozmiar był najważniejszym wyznacznikiem przechodzenia przez płuca, a następnie ładunek powierzchniowy nanocząstki. Cząsteczki, które były mniejsze niż sześć nanometrów i dipolarne (zarówno naładowane dodatnio, jak i ujemnie) przemieszczały się z płuc do węzłów chłonnych i do krwiobiegu w ciągu zaledwie kilku minut. Te same cząstki zapaliły się wkrótce potem w nerkach, co sugeruje, że można je łatwo usunąć z organizmu. Wyniki opublikowano w najnowszym numerze czasopisma Biotechnologia Przyrody .

David Edwards, profesor praktyki inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Harvarda, Gordon McKay, postrzega odkrycia grupy jako wstępny plan projektowania skutecznych szczepionek, które często są ukierunkowane na komórki odpornościowe w węzłach chłonnych. Edwards twierdzi, że ich wyniki mogą dostarczyć molekularnego wyjaśnienia sukcesu niektórych szczepionek, takich jak szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, która składa się z cząsteczek w zakresie od 6 do 34 nanometrów. To nagle wyjaśnia kwestię, co dokładnie dostaje się do układu limfatycznego, a co prawdopodobnie dostaje się do krwioobiegu, mówi.

Ta praca toruje drogę nowym podejściom terapeutycznym nie tylko do dostarczania miejscowego do płuc, ale także do dostarczania ogólnoustrojowego przez podawanie dopłucne, mówi Józef DeSimone , dyrektor ds. nanomedycyny na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Chapel Hill.

W przyszłości Tsuda i jego koledzy planują przeprowadzić podobne badania, aby ocenić zachowanie nanocząstek od jam nosowych do mózgu. Mają nadzieję, że uda im się zdefiniować podobne wytyczne, według których można projektować i podawać donosowo leki w leczeniu zaburzeń neurologicznych.

Ciekawe byłoby wykorzystanie ich podejścia do zbadania problemów i możliwości przekraczania bariery krew-mózg poprzez podawanie donosowe, mówi DeSimone.

ukryć