Multifunctional Polymer Hybrid Nanoparticles for Biomedical Applications

Multifunctionele nanopartikels: Een blik in de toekomst van de medische wereld

Martijn Peters, Universiteit Hasselt, België

Gedurende deze studie in het Instituut voor Materiaal Onderzoek aan de Universiteit Hasselt werd er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe procedures/materialen welke de synthese van geavanceerde nanopartikel modellen vergemakkelijken. Zo werd er gezocht naar een nieuwe mogelijkheid om het gebruik van ingewikkelde en tijdrovende procedures, nodig voor deeltjes te voorzien van chemische aanhechtingsgroepen op hun oppervlak, overbodig te maken. Ook werd er gekeken naar het inbouwen van fluorescentie in nanopartikels, zodat deze kunnen gevisualiseerd worden zonder inkapseling van potentieel toxische stoffen die de menselijke gezondheid kunnen schaden.

Hoewel nanotechnologie al onbewust werd toegepast in de 9de eeuw door Mesopotamiërs tijdens het maken van ‘fonkelende’ kruiken, wordt het beschouwd als het platform dat een grote evolutie zal teweegbrengen in alle takken van de wetenschap in de komende decennia. Zoals nobelprijs laureaat Richard Feynman immers zei: “Er is nog veel ruimte daar beneden”. Eén van de bekendste instrumenten in het veld zijn de nanopartikels, deeltjes in dezelfde grootteorde als antilichamen en virussen. Het gebruik van de deeltjes in de medische wetenschappen heeft al voor veel doorbraken gezorgd en het veld evolueert op een steeds sneller tempo. Een bekende applicatie is het gebruik van zink oxide nanopartikels in zonnecrème voor bescherming tegen UV-geïnduceerde huidkanker. Voor meer ingewikkelde toepassingen, zoals doelgerichte medicijn aflevering, zijn de hedendaags gebruikte modellen echter te simplistisch. Een oplossing is de ontwikkeling van multifunctionele modellen die door hun opbouw meerdere functies tegelijk kunnen vervullen. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld medicijnen bevatten, bedekt zijn met specifieke herkennings-groepen voor het lokaliseren van een zieke cel en ingekapselde visualisatie middelen dragen zodat ze overal gevolgd kunnen worden. Het grote struikelblok is echter de tijd- en geld-rovend conversie van theoretische modellen naar bruikbare toepassingen. Daarom was het doel van dit onderzoek om deze ontwikkeling te vergemakkelijken en naar een hoger niveau te tillen.

Allereerst werd er gekeken naar het inbouwen van chemische koppelingsgroepen op het oppervlakte van deeltjes. Deze zijn vereist voor het aanhechten van biologische structuren die de interactie met de omgeving  bepalen (stabiliteit, opname, specificiteit, etc.) en daardoor onmisbaar zijn in zowat elke medische toepassing. Er bestaan materialen, zoals ijzeroxide, waarbij een gemakkelijke aanhechting mogelijk is. Maar deze kan echter verbroken worden bij extensieve wasstappen en de mogelijke toxiciteit van de deeltjes is nog steeds een discussiepunt. Een oplossing voor het toxiciteitsprobleem is het gebruik van polymeren als basismateriaal voor de opbouw van de nanodeeltjes. De polymeren zelf bevatten meestal geen chemische koppelingsgroepen, waardoor deze ingebouwd moeten worden. Het vaakst gebeurt dit na de synthese van de deeltjes via ingewikkelde, tijdrovende en inefficiënte procedures. Deze studie stelde een nieuwe manier voor om de gewenste groepen tijdens de synthese van de deeltjes in te bouwen. Een voordeel is dat de synthese in water gebeurt waardoor het zowel goed voor het milieu als de portefeuille is. Ook werden er al multifunctionele nanopartikels gemaakt als ‘proof of concept’. De oppervlakte van de polymere nanodeeltjes werd bedekt met een netwerk van warmtegevoelige polymeer-strengen welke de eigenschap hebben om boven een bepaalde temperatuurdrempel samen te krimpen. Dit kan gebruikt worden om medicijnen te laden welke uit het netwerk worden vrijgezet wanneer de deeltjes verhit worden. Op deze manier kunnen de ‘slimme’ nanodeeltjes bijvoorbeeld worden ingezet om medicijnen af te leveren bij lokale infecties waar de temperatuur hoger is dan in de rest van het lichaam. In deze studie werden er in de plaats van medicijnen zilveren nanopartikels ingebouwd die de eigenschap hebben antimicrobieel en niet-toxisch voor het menselijk lichaam te zijn. Zo zijn ze werkzaam tegen de multiresistente bacterie MRSA, kunnen ze HIV-1 infectie blokkeren, hebben ze effect op hepatitis B en zijn ze daarbovenop ook voorzien van een zeer potente antischimmel werking. De deeltjes zijn hierdoor erg aantrekkelijk voor gebruik in coatings in medische omgevingen ter preventie van medicijnresistente ziektekiemen of schimmel overdracht. Ook werden al eerste stappen gezet in de richting van een nanodeeltje waarop antilichamen of peptiden kunnen gehecht worden voor het doelgericht zoeken van bepaalde celgroepen.

Vervolgens werd er gekeken naar het inbouwen van een visualisatie-eigenschap in de nanopartikels zonder extra producten in te kapselen. De mogelijkheid om nanodeeltjes te volgen doorheen het lichaam is van groot belang voor het beter begrijpen van cellulaire processen, het effect van therapieën en de interactie van de deeltjes met het menselijk lichaam. Er werden nanopartikels ontwikkeld bestaande uit het halfgeleidend polymeer MDMO-PPV wat een lage kostprijs heeft, goede optische eigenschappen bezit en mogelijk niet toxisch is. Door het gebruik van dit materiaal zijn de nanodeeltjes zelf-fluorescerend. Ook hier werd er een multifunctioneel model ontwikkeld bestaande uit twee halve delen. Eén helft was het fluorescerend polymeer MDMO-PPV, de andere het biodegradeerbaar polymeer PLLA. PLLA kan gebruikt worden voor het inkapselen van medicijnen, die na verloop van tijd worden vrijgezet in het lichaam, en voor het aanhechten van biologische moleculen. Er werd ook magnetiet ingekapseld in het MDMO-PPV gedeelte, wat gevoelig is voor extern aangelegde elektrische velden. Deze eigenschap is handig voor medische doeleinden. Zo kan het magnetiet gebruikt worden voor bepaalde celgroepen te elimineren door middel van hyperthermie, het genereren van hoge temperatuur door een hoogfrequent magnetisch veld. De toepassing vindt zijn oorsprong in een beroemde uitspraak van Hippocrates (460-370BC): “De ziekte die niet genezen kan worden door koorts kan beschouwd worden als ongeneesbaar”. Een andere mogelijkheid is dat magnetiet gebruikt wordt om de nanodeeltjes te leiden doorheen het lichaam met magnetische velden. Studies werden uitgevoerd met deze nanopartikels waarvan de eerste resultaten indiceerde dat ze niet toxisch zijn voor menselijke cellen.

In dit onderzoek werden enkele belangrijke stappen in de richting van geavanceerde medische nanopartikel modelontwikkeling gezet door het op punt stellen van een nieuwe synthesetechniek die rechtstreeks chemische structuren inbouwt nodig voor het koppelen van relevante groepen en door de introductie van nanopartikels opgebouwd uit een nieuw fluorescerend materiaal wat het inkapselen van visualisatiegroepen overbodig maakt.