De meeste geneesmiddelen moeten worden ingenomen of in het lichaam worden geïnjecteerd om hun werk te doen. Hoe dan ook, het duurt even voordat ze hun beoogde doelen hebben bereikt en ze verspreiden zich ook naar andere delen van het lichaam. Nu hebben onderzoekers van MIT en elders een systeem ontwikkeld om medische behandelingen te leveren die op precieze tijdstippen, minimaal invasief, kunnen worden afgegeven en die die medicijnen uiteindelijk ook kunnen afleveren aan specifiek gerichte gebieden zoals een specifieke groep neuronen in de hersenen.

De nieuwe benadering is gebaseerd op het gebruik van kleine magnetische deeltjes die zijn opgesloten in een kleine holle bel van lipiden (vetmoleculen) gevuld met water, bekend als een liposoom. Het favoriete medicijn is ingekapseld in deze bubbels en kan worden vrijgegeven door een magnetisch veld aan te leggen om de deeltjes op te warmen, waardoor het medicijn uit het liposoom en in het omringende weefsel kan ontsnappen.

De bevindingen worden vandaag in het tijdschrift gerapporteerd Natuur Nanotechnologie in een paper van MIT postdoc Siyuan Rao, universitair hoofddocent Polina Anikeeva, en 14 anderen aan MIT, Stanford University, Harvard University en het Swiss Federal Institute of Technology in Zürich.

"We wilden een systeem dat een medicijn met temporele precisie kan afleveren en uiteindelijk een bepaalde locatie kan bereiken", legt Anikeeva uit. 'En als we niet willen dat het invasief is, moeten we een niet-invasieve manier vinden om de vrijlating te activeren.'

Magnetische velden, die gemakkelijk door het lichaam kunnen dringen - zoals blijkt uit gedetailleerde interne beelden geproduceerd door magnetische resonantiebeeldvorming, of MRI - waren een natuurlijke keuze. Het moeilijkste was het vinden van materialen die kunnen worden opgewarmd door een zeer zwak magnetisch veld te gebruiken (ongeveer een honderdste van de kracht die wordt gebruikt voor MRI) om schade aan het medicijn of de omliggende weefsels te voorkomen, zegt Rao.

Rao kwam op het idee om magnetische nanodeeltjes te nemen, waarvan al was aangetoond dat ze konden worden verwarmd door ze in een magnetisch veld te plaatsen, en ze in te pakken in deze sferen die liposomen worden genoemd. Dit zijn als kleine belletjes lipiden, die van nature een bolvormige dubbele laag vormen die een waterdruppel omgeeft.

Wanneer ze in een hoogfrequent maar weinig sterk magnetisch veld worden geplaatst, worden de nanodeeltjes warm, waardoor de lipiden worden verwarmd en ze een overgang van vast naar vloeibaar ondergaan, waardoor de laag poreuzer wordt - net genoeg om enkele medicijnmoleculen te laten ontsnappen in de omliggende gebieden. Wanneer het magnetische veld is uitgeschakeld, stollen de lipiden opnieuw, waardoor verdere vrijlating wordt voorkomen. In de loop van de tijd kan dit proces worden herhaald, waardoor doses van het ingesloten medicijn met nauwkeurig gecontroleerde tussenpozen worden vrijgegeven.

De medicijndragers zijn ontworpen om stabiel in het lichaam te zijn bij de normale lichaamstemperatuur van 37 graden Celsius, maar in staat om hun lading drugs af te geven bij een temperatuur van 42 graden. "Dus we hebben een magnetische schakelaar voor medicijnafgifte", en die hoeveelheid warmte is klein genoeg "zodat je geen thermische schade aan weefsels veroorzaakt", zegt Anikeeva, die benoemingen heeft bij de afdelingen Materials Science and Engineering en de Hersenen- en cognitieve wetenschappen.

In principe zou deze techniek ook kunnen worden gebruikt om de deeltjes naar specifieke, precieze locaties in het lichaam te leiden, door gradiënten van magnetische velden te gebruiken om ze voort te duwen, maar dat aspect van het werk is een doorlopend project. Voorlopig injecteren de onderzoekers de deeltjes rechtstreeks in de doellocaties en gebruiken ze de magnetische velden om de timing van de afgifte van geneesmiddelen te regelen. 'Met de technologie kunnen we het ruimtelijke aspect aanpakken', zegt Anikeeva, maar dat is nog niet aangetoond.

Dit kan zeer nauwkeurige behandelingen mogelijk maken voor een breed scala aan aandoeningen, zegt ze. 'Veel hersenaandoeningen worden gekenmerkt door foutieve activiteit van bepaalde cellen. Als neuronen te actief of niet actief genoeg zijn, manifesteert dat zich als een stoornis, zoals Parkinson, depressie of epilepsie. ' Als een medisch team een ​​medicijn aan een specifiek stukje neuronen zou willen toedienen en op een bepaald moment, zoals wanneer een begin van symptomen wordt gedetecteerd, zonder de rest van de hersenen aan dat medicijn te onderwerpen, zou dit systeem ons een heel precieze manier om die aandoeningen te behandelen ', zegt ze.

Rao zegt dat het maken van deze door nanodeeltjes geactiveerde liposomen eigenlijk een vrij eenvoudig proces is. "We kunnen de liposomen met de deeltjes binnen enkele minuten in het laboratorium bereiden", zegt ze, en het proces moet "zeer eenvoudig op te schalen" zijn voor fabricage. En het systeem is breed toepasbaar voor medicijnafgifte: 'we kunnen elk in water oplosbaar medicijn inkapselen', en met enkele aanpassingen ook andere medicijnen, zegt ze.

Een sleutel tot de ontwikkeling van dit systeem was het perfectioneren en kalibreren van een manier om liposomen met een zeer uniforme grootte en samenstelling te maken. Hierbij wordt een waterbasis gemengd met de vetzuurlipidemoleculen en magnetische nanodeeltjes en deze onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden gehomogeniseerd. Anikeeva vergelijkt het met het schudden van een fles saladedressing om de olie en azijn te mengen, maar met controle over de timing, richting en sterkte van het schudden om een ​​nauwkeurige menging te garanderen.

Anikeeva zegt dat hoewel haar team zich heeft gericht op neurologische aandoeningen, aangezien dat hun specialiteit is, het medicijnafgiftesysteem eigenlijk vrij algemeen is en op bijna elk deel van het lichaam kan worden toegepast, bijvoorbeeld om kankermedicijnen af ​​te leveren of zelfs om pijnstillers af te leveren rechtstreeks naar een getroffen gebied in plaats van ze systemisch af te geven en het hele lichaam te beïnvloeden. "Dit kan het leveren waar het nodig is, en niet continu leveren", maar alleen als het nodig is.

Omdat de magnetische deeltjes zelf vergelijkbaar zijn met de deeltjes die al veel worden gebruikt als contrastmiddelen voor MRI-scans, kan het wettelijke goedkeuringsproces voor hun gebruik worden vereenvoudigd, omdat hun biologische compatibiliteit grotendeels is bewezen.

Het team bestond uit onderzoekers van MIT's afdelingen Material Science and Engineering en Brain and Cognitive Sciences, evenals het McGovern Institute for Brain Research, het Simons Center for Social Brain en het Research Laboratory of Electronics; de Harvard University afdeling Chemie en Chemische Biologie en de John A. Paulsen School of Engineering and Applied Sciences; Stanford universiteit; en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich. Het werk werd ondersteund door de Simons Postdoctoral Fellowship, de US Defense Advanced Research Projects Agency, de Bose-onderzoekssubsidie, en de National Institutes of Health.