麻省理工学院的工程师们已经证明,他们可以通过控制一种称为手性的化学结构特征,即结构的“手性”,来增强药物传递纳米颗粒的性能。

许多生物分子可以是右撇子形式,也可以是左撇子形式,它们的组成相同,但互为镜像。

麻省理工学院的研究小组发现,在纳米颗粒表面涂上氨基酸半胱氨酸的右旋结构可以帮助这些颗粒避免被体内的酶破坏。这也帮助他们更有效地进入细胞。麻省理工学院戴维·h·科赫研究所教授、科赫综合癌症研究所成员罗伯特·兰格说,这一发现可以帮助研究人员设计出治疗癌症和其他疾病的更有效的药物载体。

兰格是这篇论文的资深作者之一,他说:“我们对这篇论文感到非常兴奋,因为控制手性为药物传递提供了新的可能性,从而提供了新的医疗手段。”

科赫研究所的研究科学家Ana Jaklenec也是这篇11月4日发表在《先进材料》杂志上的论文的资深作者。这篇论文的主要作者是麻省理工学院博士后Yeom Jihyeon。这篇论文的其他作者包括前麻省理工学院博士后佩德罗·吉马赖斯和凯文·麦克休,麻省理工学院博士后胡全音,以及科赫研究所下属的迈克尔·米切尔。韩国首尔汉阳大学的Hyo Min Ahn、BoKyeong Jung和Chae-Ok Yun也是这篇论文的作者。

手性相互作用

许多重要的生物分子已经进化到只存在于右撇子(“D”)和左撇子(“L”)两种版本中,也被称为对映体。例如,自然产生的氨基酸总是“L”对映体,而DNA和葡萄糖通常是“d”。

“手性在自然界中是普遍存在的,它使材料的生物和化学特性具有唯一性和特异性,”Yeom说。“例如,由相同成分组成的分子尝起来是甜的还是苦的,根据它们的手性而有不同的气味,一种对映体是不活跃的,甚至是有毒的,而另一种对映体可以发挥重要的生物学功能。”

麻省理工学院的研究小组推测,可能会利用手性相互作用来改善药物传递纳米颗粒的性能。为了验证这个想法,他们创造了“超材料”,由2纳米钴氧化物粒子簇组成,其手性由表面的“D”或“L”型半胱氨酸提供。

通过让这些颗粒沿着癌细胞(包括骨髓瘤和乳腺癌细胞)排列的通道流动,研究人员可以测试每种颗粒被细胞吸收的程度。他们发现,涂有“D”半胱氨酸的颗粒被更有效地吸收,他们认为这是因为它们能够与细胞膜上的胆固醇和其他脂类产生更强烈的相互作用,而这些脂类也具有“D”方向。

研究人员还认为,“D”版本的半胱氨酸可能有助于纳米颗粒避免被体内由“L”氨基酸组成的酶分解。这可以让微粒在体内循环更长的时间,使它们更容易到达预定的目的地。

在一项对老鼠的研究中,研究人员发现,“D”涂层微粒在血液中停留的时间更长,这表明它们能够成功地避开破坏“L”涂层微粒的酶。注射后约2小时,循环中的“D”粒子数量远远大于“L”粒子数量,且在实验的24小时内保持较高水平。

“这是研究手性如何帮助这些颗粒到达癌细胞并延长循环时间的第一步。”下一步是看看我们是否真的能在癌症治疗上有所作为,”Jaklenec说。

修改后的粒子

研究人员现在计划用其他类型的药物传递颗粒来测试这种方法。在一个项目中,他们正在研究在金粒子上涂上“D”氨基酸是否能提高它们在小鼠体内传递抗癌药物的能力。在另一项研究中,他们使用这种方法来修饰腺病毒,他们的一些合作者正在开发一种潜在的治疗癌症的新方法。

“在这项研究中,我们发现‘D’手性可以延长循环时间,增加癌细胞的吸收。下一步将是确定载药的手性颗粒是否比不载药的更有效或更持久,”Jaklenec说。“这基本上可以转化为任何纳米颗粒。”

研究由科赫研究所癌症纳米中心的大理石,巴西国家科学技术发展委员会,Estudar基金会,露丝·l·Kirschstein国家研究服务奖,Burroughs Wellcome基金事业奖在科学的界面,一个美国国立卫生研究院的导演的新创新者奖,美国癌症协会,一个AACR-Bayer创新和发现格兰特,和韩国国家研究基金会。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/nanoparticle-handedness-drug-delivery-1105