211service.com
Vad händer när du andas in nanopartiklar
Forskare har för första gången spårat flödet av nanopartiklar från lungorna till blodomloppet. Arbetet kan leda till utveckling av nya läkemedel och hjälpa forskare att förstå hur föroreningar kan orsaka andningsproblem.
Resande ljus: Forskare har spårat rörelsen av nanopartiklar från lungorna (det gröna området till vänster) hos en råtta till lymfkörtlarna (det gröna området i mitten) och resten av kroppen.
Forskare från Beth Israel Deaconess Medical Center och Harvard School of Public Health injicerade fluorescerande nanopartiklar i råttors lungor och använde nära-infraröd avbildning för att titta på när partiklarna rörde sig genom deras kroppar. Forskarna spårade hur långt - och hur snabbt - nanopartiklar av olika storlek, form och ytladdning kunde färdas efter att ha injicerats. De fann att nanopartiklar mellan sex och 34 nanometer i diameter kunde ta sig förbi lungans försvar för att nå lymfkörtlarna och blodomloppet. Detta fynd kan ge värdefulla riktlinjer för utformning av nanopartikelbaserade läkemedel.
Den ringa storleken på nanopartiklar gör dem potentiellt användbara för att leverera läkemedel. Ett läkemedel måste ta sig igenom vävnadsbarriärer och bekämpa kroppens attackerande immunceller för att leverera sin terapeutiska nyttolast innan det lämnar kroppen för att förhindra en toxisk reaktion. Forskare manipulerar storleken, formen och andra egenskaper hos nanopartiklar för att hitta den rätta kombinationen som kommer att bära dem effektivt genom kroppen.
Det finns en inlärningskurva som vi alla går igenom, säger Steven Brody , docent i medicin vid Washington University School of Medicine. När vi börjar designa nanopartiklar som läkemedelsleveransfordon måste vi börja förstå vad reglerna är. Det här börjar ge oss några regler.
Akira Tsuda , främste forskare vid Harvard School of Public Health, säger att lungorna kan vara en bra ingångspunkt för droger: de har en stor, tunn yta genom vilken droger kan passera in i resten av kroppen. Men lungorna har också kraftfulla försvarsmekanismer, med immunceller ständigt på patrull och letar efter främmande molekyler att förstöra. Hittills har det varit oklart exakt vad mekanismen är som gör att vissa partiklar kan passera genom lungorna medan andra fångas och förstörs. Förståelse som kan hjälpa forskare att designa effektivare läkemedel, och det kan ge en bättre förståelse för miljöföroreningar.
Tsuda slog sig ihop med bildexperten John Frangioni från Harvard Medical School, som designade det bildsystem som används för att spåra nanopartiklarna. Hak Soo Choi, en instruktör i medicin vid Harvard Medical School, hjälpte till att designa ett antal kvantprickande nanopartiklar – små, halvledande kristaller – och ändrade systematiskt deras storlek, form och ytladdning. De fäste en fluorescerande sond på varje nanopartikel för att få den att lysa genom kroppen när den betraktas med hjälp av den nära-infraröda avbildningsenheten.
Pelham Plast , en medicinsk apparattillverkare baserad i New Hampshire, utvecklade en skräddarsydd kateter för att leverera nanopartiklarna in i en råttlunga. Katetern gjorde det möjligt för forskarna att injicera nanopartiklar direkt i lungan, samtidigt som de ventilerade lungan för att simulera andning.
Teamet spårade flödet av nanopartiklar i realtid, upp till en timme efter injektion. Tsuda fann att storleken var den viktigaste bestämningsfaktorn för att passera genom lungorna, följt av en nanopartikels ytladdning. Partiklar som var mindre än sex nanometer och dipolära (både positivt och negativt laddade) färdades från lungorna till lymfkörtlarna och in i blodomloppet inom bara några minuter. Samma partiklar lyste upp i njurarna kort därefter, vilket antydde att de lätt kunde drivas ut från kroppen. Resultaten publiceras i det senaste numret av tidskriften Naturens bioteknik .
David Edwards, Gordon McKay-professor i praktiken av biomedicinsk ingenjörskonst vid Harvard University, ser gruppens resultat som en startritning för att designa effektiva vacciner, som ofta är riktade mot immuncellerna i lymfkörtlarna. Edwards säger att deras resultat kan ge en molekylär förklaring till framgången för vissa vacciner, såsom hepatit B-vaccinet, som består av molekyler inom intervallet sex till 34 nanometer. Detta klargör plötsligt bara den här frågan om vad som exakt kommer in i lymfsystemet och vad som eventuellt kommer in i blodomloppet, säger han.
Detta arbete banar väg för nya terapeutiska tillvägagångssätt för inte bara lokal leverans till lungorna utan också för systemisk leverans via pulmonell administrering, säger Joseph DeSimone , direktör för nanomedicin vid University of North Carolina i Chapel Hill.
I framtiden planerar Tsuda och hans kollegor att göra liknande studier för att utvärdera nanopartikelbeteende från näshålor till hjärnan. De hoppas kunna definiera liknande riktlinjer genom vilka läkemedel kan utformas och administreras intranasalt för att behandla neurologiska störningar.
Det skulle vara intressant att använda deras tillvägagångssätt för att utforska problem och möjligheter för att korsa blod-hjärnbarriären via intranasal administrering, säger DeSimone.