Neues Nanomaterial verbessert Bioimaging und gezielte Verabreichung von Krebsmedikamenten

Die Nanomedicine and Nanotoxicology Group (GNano) am São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) der Universität São Paulo in Brasilien hat einen Weg gefunden, Hydroxylapatit, ein biokeramisches Material, in ein Nanopartikel mit verstärkter intrinsischer Lumineszenz umzuwandeln. Dies ebnet den Weg für den Einsatz biokompatibler, kostengünstiger Nanomaterialien in biomedizinischen Bildgebungsverfahren.

Wir haben gezeigt, dass der Einbau von Carbonatgruppen in die Hydroxylapatitstruktur die Konzentration von Kristalldefekten erhöht, die für die Verstärkung der intrinsischen Lumineszenz des Materials verantwortlich sind. Nach der Funktionalisierung mit Citrat, was die kolloidale Stabilität in wässrigen Medien verbessert, können diese Calciumphosphat-Nanopartikel als Lumineszenzmittel für die zelluläre Biobildgebung verwendet werden.“

Thales Rafael Machado, einer der Teilnehmer der Studie und FAPESP-Stipendiat

Professor Valtencir Zucolotto vom IFSC-USP koordinierte die Forschung, die in Zusammenarbeit mit dem Center for Molecular Engineering of Advanced Materials (CEMol) durchgeführt wurde, einem FAPESP-Forschungs-, Innovations- und Verbreitungszentrum (RIDC) mit Sitz im Brasilianischen Zentrum für Energie- und Materialforschung (CNPEM) in Campinas.

Laut Machado wurden die Ergebnisse durch die Kontrolle der Konzentration von Struktur- und Punktdefekten in Hydroxylapatit-Nanopartikeln durch den Einbau unterschiedlicher Carbonatmengen während der Synthese erzielt. Die Probe mit dem höchsten Carbonatgehalt zeigte die intensivste Lumineszenz.

„Die Bioimaging-Fähigkeit wurde durch die Visualisierung der Internalisierung der Nanopartikel in Zellen mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie demonstriert, die ausschließlich auf ihrer intrinsischen Lumineszenz beruhte. Die zelluläre Internalisierung wurde auch durch Durchflusszytometrie bestätigt, ebenfalls basierend auf dem Lumineszenzsignal der Partikel, während die Biokompatibilität durch zelluläre Zytotoxizitätstests bewertet wurde“, sagt Machado.

Laut Machado trägt die Untersuchung der Defektchemie und der intrinsischen Lumineszenz in karbonisiertem Hydroxylapatit zur Entwicklung neuer photokatalytischer Materialien auf Hydroxylapatitbasis für Umweltanwendungen bei. Es bietet auch eine Grundlage für spektroskopische Untersuchungen von Hartgewebe wie Knochen und Zähnen. „Dieses Wissen lässt sich auch auf die Herstellung lumineszierender Gerüste für das Tissue Engineering anwenden“, fügt er hinzu.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht ACS Nanoscience Au von der American Chemical Society.

Krebsbehandlung

In einer Parallelstudie entwickelten GNano und CEMol eine effiziente, robuste Strategie für die Verabreichung von Gemcitabin – einem weit verbreiteten Chemotherapeutikum gegen Krebsarten wie Bauchspeicheldrüsenkrebs – über Calciumphosphat-Nanopartikel.

„Das System wurde so konzipiert, dass es auf den doppelten pH-Wert reagiert. Dadurch bleibt das Medikament unter normalen physiologischen Bedingungen, beispielsweise im Blutkreislauf, inaktiv und setzt das Medikament in seiner aktiven Form nur in saureren Umgebungen frei, die für Tumorregionen charakteristisch sind. Dies fördert eine größere Bioverfügbarkeit und ein größeres therapeutisches Potenzial“, sagt Machado.

Die Studie wurde veröffentlicht in ACS Angewandte Biomaterialienebenfalls von der American Chemical Society.

Darüber hinaus demonstrierte die Gruppe die Fähigkeit, die Oberfläche der Nanopartikel über hochstabile kovalente Bindungen mit Folsäure zu funktionalisieren. Folat fungiert als Zielmolekül, da viele Tumorzellen einen höheren Bedarf an diesem Vitamin haben.

„Das System kombiniert somit kontrollierte Freisetzung und aktives Targeting und fördert so höhere Wirkstoffkonzentrationen in getesteten Tumorzellen – von Brust- und Gebärmutterhalskrebs – und reduziert möglicherweise unerwünschte Nebenwirkungen in gesundem Gewebe“, erklärt der USP-Forscher aus São Carlos.

Die Erkenntnisse begannen mit der Entwicklung eines Prodrugs, bei dem Gemcitabin an ein biokompatibles Polymer namens Carboxymethylcellulose gebunden war. In dieser Form ist das Medikament besser vor einem vorzeitigen Abbau im Körper geschützt und wird nur in sauren Umgebungen freigesetzt, wie sie beispielsweise in Tumoren oder bestimmten Zellbläschen vorkommen, während es im Blutkreislauf stabil bleibt. Das gleiche Polymer wurde auch zur Stabilisierung von Calciumphosphat-Nanopartikeln in Suspension und zur Verhinderung der Agglomeration verwendet.

Machado betont, dass diese Erkenntnisse zur Entwicklung sichererer und wirksamerer Krebsbehandlungen beitragen. „Indem das Medikament inaktiv bleibt, während es im Körper zirkuliert, und es bevorzugt in der Tumorumgebung freigesetzt wird, hat das System das Potenzial, Nebenwirkungen zu reduzieren und die Wirkung des Medikaments direkt auf Tumorzellen zu verstärken.“

Der Einsatz von Nanopartikeln aus Kalziumphosphat – einem biokompatiblen Material, das natürlicherweise im menschlichen Körper vorkommt – macht die Strategie sicherer. Die Kombination aus kontrollierter Freisetzung, Reaktion auf den pH-Wert des Tumors und aktivem Targeting über Folsäure stellt einen Fortschritt in der Nanomedizin und präziseren Therapien dar.

„Systeme wie diese könnten die Chemotherapie mit geringeren Dosen und weniger Schäden an gesundem Gewebe effizienter machen und so die Lebensqualität der Patienten während der Behandlung verbessern“, sagt der Forscher.

GNano hat eine Reihe neuer nanostrukturierter Materialien für fortschrittliche Krebsdiagnostik und -therapien sowie sicherere Abgabesysteme für landwirtschaftliche Pestizide und biologische Inputs entwickelt.

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