使用毛茸茸的納米晶體來減少癌癥藥物的副作用
纖維素納米晶體的示意圖，它們通過工程化的帶電、多毛的延伸物捕獲化療藥物。圖片來源：寺崎生物醫學創新研究所
科學家們開發了基于植物的“毛狀納米晶體”，以去除血液中多余的化療藥物。
全球每年有數百萬人受到癌癥的影響；超過 39% 的男性和女性在其一生中被診斷出患有癌癥。化學療法是最常用的標準癌癥治療方法，將這些藥物靶向遞送至腫瘤部位可提高其有效性。然而，過量的藥物仍可能循環??到身體的其他部位并引起多種副作用，包括貧血、慢性感染、脫發、黃疸和發燒。
已經嘗試了許多建議的方法來從血液中去除不需要的化學治療藥物，特別是廣泛使用的藥物阿霉素 (DOX)。但這些方法導致 DOX 去除水平不夠低。盡管添加了旨在保護結合能力的材料，但使用帶電納米粒子結合 DOX 的其他策略在暴露于血液中發現的帶電分子和蛋白質時會失效。
一個由賓夕法尼亞州立大學和寺崎生物醫學創新研究所 (TIBI) 的科學家組成的合作團隊設計了一種方法來應對這些挑戰。
該方法在《今日材料化學》中有所描述，它基于毛狀纖維素納米晶體——從植物細胞壁的主要成分發展而來的納米顆粒，并被設計成具有從每一端延伸的大量聚合物鏈“毛發”。這些毛發增加了納米晶體的潛在藥物捕獲能力，顯著超過了傳統納米顆粒和其他材料。
為了生產能夠捕獲化療藥物的毛狀纖維素納米晶體，研究人員對軟木漿中的纖維素纖維進行了化學處理，并在毛發上賦予了負電荷，使其對血液中的帶電分子保持穩定。這糾正了傳統納米顆粒發現的問題，其電荷在暴露于血液時會變得惰性或減少，從而限制了它可以結合的帶正電荷的藥物分子的數量微不足道。
納米晶體的結合功效在人血清中進行了測試，人血清是血液中富含蛋白質的液體部分。對于每克毛狀纖維素納米晶體，從血清中有效去除了超過 6,000 毫克的 DOX。與目前可用的其他方法相比，這表示 DOX 捕獲量增加了兩到三個數量級。
此外，在添加納米晶體后立即發生 DOX 捕獲，并且納米晶體對全血中的紅細胞或人臍細胞的細胞生長沒有毒性或有害影響。
如此強大的體內藥物捕獲手段可以對癌癥治療方案產生巨大影響，因為可以將劑量提高到更有效的水平，而無需擔心有害的副作用。
賓夕法尼亞州立大學化學工程和生物醫學工程助理教授、首席研究員 Amir Sheikhi 提供了這種應用的一個例子。“對于某些器官，例如肝臟，化療可以通過導管進行局部給藥。如果我們可以放置一個基于納米晶體的裝置來捕獲離開肝臟下腔靜脈（一種主要血管）的多余藥物，那么臨床醫生可能會給予更高劑量的化學療法以更快地殺死癌癥，而不必擔心會損害健康細胞。治療完成后，可以移除設備。”
除了從體內去除多余的化學治療藥物外，毛狀纖維素納米晶體還可以靶向其他不良物質，例如毒素和成癮藥物，從體內去除，實驗還證明了納米晶體在其他分離應用中的有效性，例如在從電子垃圾中回收有價值的元素。
寺崎生物醫學創新研究所所長兼首席執行官 Ali Khademhosseini 說：“最初是一個相對簡單的概念，現已發展成為一種高效的材料分離方法。“這為廣泛而有影響力的生物醫學和材料科學應用創造了潛力。”
參考文獻：
Sarah AE Young、Joy Muthami、Mica Pitcher、Petar Antovski、Patricia Wamea、Robert Denis Murphy、Reihaneh Haghniaz、Andrew Schmidt、Samuel Clark、Ali Khademhosseini 和 Amir Sheikhi 撰寫的“用于化學療法藥物捕獲的多毛纖維素納米晶體工程”，12 月 30 日2021，今日材料化學。
DOI: 10.1016/j.mtchem.2021.100711
其他作者是 Sarah AE Young、Joy Muthami、Mica Pitcher、Petar Antovski、Patricia Wamea、Robert Denis Murphy、Reihaneh Haghniaz、Andrew Schmidt 和 Samuel Clark。
這項工作得到了美國國立衛生研究院 (1R01EB024403-01) 的支持。