Een voorstelling van de duikbootjes in de bloedbaan tussen rode bloedcellen. University of New South Wales

"Micro-duikbootjes" kunnen geneesmiddelen gericht naar ziek orgaan brengen

Australische chemische en biochemische ingenieurs hebben aangetoond dat het mogelijk is micro-duikbootjes, aangedreven door nanomotoren, door het menselijk lichaam te laten navigeren om gericht geneesmiddelen toe te dienen aan zieke organen, zonder dat ze daarbij van buitenaf geleid moeten worden. In een nieuwe studie leggen de ingenieurs uit hoe ze duikbootjes ontwikkeld hebben op de micrometer-schaal, die gebruik maken van de biologische omgeving waarin ze zich bevinden, om hun drijfvermogen te regelen. Dat laat hen toe geneesmiddelen te brengen naar vooraf bepaalde plaatsen in het lichaam. 

De kennis kan gebruikt worden om 'micro-motors' of  nano-dragers voor het toedienen van geneesmiddelen van de volgende generatie te ontwerpen, door nieuwe sturende krachten toe te passen om bepaalde doelwitten te bereiken in het lichaam, zo zeggen de auteurs van de studie. 

"We weten al dat micro-motors verschillende uitwendige sturende krachten gebruiken - zoals licht, warmte of een magnetisch veld - om actief hun weg te vinden naar een bepaalde locatie", zei doctor Kang Liang, een van de auteurs van de nieuwe studie en een ingenieur aan de University of New South Wales (UNSW) in Australië. 

"In dit onderzoek hebben we micro-motors ontworpen die niet meer vertrouwen op externe manipulaties om hun weg te vinden naar een bepaalde locatie. In de plaats daarvan gebruiken ze variaties in de biologische omgeving om zichzelf automatisch te besturen", zo zei Liang in een persmededeling van UNSW. 

Wat deze micro-deeltjes uniek maakt is dat ze reageren op veranderingen in biologische pH-omgevingen - de zuurgraad - om hun drijfvermogen zelf aan te passen. Zoals duikboten zuurstof of water gebruiken om ballasttanks te vullen en zo meer of minder drijfvermogen te verkrijgen, zo maken gasbellen die losgelaten of vastgehouden worden door de micro-motors, afhankelijk van de pH-omstandigheden in menselijke cellen, dat de nanodeeltjes naar boven stijgen of naar beneden gaan. 

Dat is belangrijk niet enkel voor medische toepassingen, maar voor micro-motors in het algemeen. 

"De meeste micro-motors werken op een tweedimensionale manier", zei doctor Liang in de persmededeling. "Maar in dit onderzoek hebben we een mechanisme voor verticale beweging ontworpen. We hebben die twee concepten gecombineerd om uit te komen op een ontwerp van autonome micro-motors die zich op een driedimensionale manier bewegen. Dat zal toelaten hen uiteindelijk in de toekomst te gebruiken als slimme dragers voor het toedienen van geneesmiddelen."  

Een HeLa-kankercel heeft zich net gesplitst. National Institutes of Health/Public domain

Miljoenen duikbootjes in een capsule

Bij wijze van voorbeeld gaf doctor Liang een scenario waarbij geneesmiddelen oraal ingenomen worden om een kanker in de maag of de darmen te behandelen. Om een idee te geven van de schaal, volgens Liang zou elke capsule van het geneesmiddel miljoenen micro-duikbootjes kunnen bevatten, en in elk micro-duikbootje zouden miljoenen moleculen van het geneesmiddel zitten. 

"Stel je voor dat je een capsule inslikt om een kanker in het gastro-intestinaal kanaal [het maag-darmstelsel] te viseren", zo zei hij in de UNSW-persmededeling. 

"Eenmaal in de gastro-intestinale vloeistof, kunnen de micro-duikbootjes die het geneesmiddel vervoeren, losgelaten worden. In de vloeistof kunnen ze naar de bovenste of de onderste regionen reizen, afhankelijk van de oriëntatie van de patiënt."

"De met geneesmiddelen gevulde deeltjes kunnen dan opgenomen worden door de cellen op de site van de kanker. Eens in de cellen, zullen ze vergaan, wat maakt dat de geneesmiddelen vrijkomen om de kanker te bestrijden op een zeer gerichte en efficiënte manier."

Om ervoor te zorgen dat de micro-duikbootjes hun doelwit vinden, zou een patiënt in een dusdanige positie moeten geplaatst worden dat de kanker of de ziekte die behandeld wordt, zich ofwel bovenaan of beneden zal bevinden - met andere woorden, een patiënt zou ofwel rechtop zitten of staan, of neerliggen. 

Liang zei dat de zogenoemde micro-duikbootjes in essentie micro-motorsystemen zijn die bestaan uit een composiet geraamte van organische metaalverbindingen, en die een bioactief enzym bevatten als motor voor het vormen van gasbellen. Hij benadrukt dat het onderzoek van het team in het stadium zit van 'proof of concept' - bewijzen dat het idee uitvoerbaar is -, en dat er nog jaren van tests nodig zullen zijn vooraleer dit realiteit kan worden.

Het onderzoeksteam van ingenieurs van UNSW, de Australische University of Queensland, de Amerikaanse Stanford University en de Britse University of Cambridge gaat ook kijken naar toepassingen buiten de geneeskunde voor de nieuwe multidirectionele nano-motoren. 

"We zijn zinnens om deze nieuwe ontdekking toe te passen op andere types van nanodeeltjes om de veelzijdigheid van deze techniek te bewijzen", zo zei Liang.

De studie van Liang en zijn Australische, Amerikaanse en Britse collega's is gepubliceerd in Materials Today