Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado una técnica para observar, en tiempo real, cómo interactúan los componentes sanguíneos individuales y modifican la terapéutica avanzada de nanopartículas. El método, desarrollado por un equipo interdisciplinario formado por el profesor asistente clínico-científico Chester Lee Drum del Departamento de Medicina de la Facultad de Medicina de NUS Yong Loo Lin, Profesor T. Venky Venkatesan, Director del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología NUS, y el profesor asistente James Kah del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería de NUS, ayuda a guiar el diseño de futuras nanopartículas para interactuar en concierto con los componentes de la sangre humana, evitando así efectos secundarios no deseados.

Esta investigación se publicó en línea en la revista Pequeña , una de las principales revistas multidisciplinarias que cubren la investigación a nano y microescala, el 10 de septiembre de 2015.

Desafíos del uso de nanopartículas en sistemas de diagnóstico y administración de fármacos

Con su pequeño tamaño y múltiples funcionalidades, Las nanopartículas han atraído una intensa atención como sistemas de administración de fármacos y de diagnóstico. Sin embargo, a los pocos minutos de ser entregado al torrente sanguíneo, las nanopartículas están cubiertas con una capa de proteínas séricas, también conocida como proteína 'corona'.

"La unión de las proteínas séricas puede cambiar profundamente el comportamiento de las nanopartículas, a veces conduce a una rápida eliminación por parte del cuerpo y una disminución del resultado clínico, ", dijo el profesor asistente Kah.

Los métodos existentes, como la espectroscopia de masas y la estimación del radio de difusión, aunque útil para estudiar parámetros importantes de nanopartículas, no pueden proporcionar información detallada, cinética de unión en tiempo real.

Método novedoso para comprender las interacciones nano-bio

El equipo de NUS, junto con el colaborador externo, el profesor Bo Liedberg de la Universidad Tecnológica de Nanyang, mostró una cinética altamente reproducible para la unión entre las nanopartículas de oro y las cuatro proteínas séricas más comunes:la albúmina sérica humana, fibrinógeno, apolipoproteína A-1, e IgG policlonal.

"Lo notable de este proyecto fue la iniciativa de Abhijeet Patra, mi estudiante de posgrado de NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, en la conceptualización del problema, y reunir a los diversos equipos en NUS y más allá para hacer de este un programa exitoso, ", dijo el profesor Venkatesan." El desarrollo clave es el uso de una nueva técnica que utiliza la tecnología de resonancia de plasmón de superficie (SPR) para medir la corona de proteínas formada cuando proteínas comunes en el torrente sanguíneo se unen a nanopartículas, "añadió.

Los investigadores primero inmovilizaron las nanopartículas de oro en la superficie de un chip sensor SPR con una molécula enlazadora. El chip se modificó especialmente con una capa de polímero de alginato que proporcionó una carga negativa y sitios activos para la inmovilización del ligando. y evitó la unión no específica. Usando una matriz de canales de microfluidos de 6 x 6, estudiaron hasta 36 interacciones nanopartículas-proteína en un solo experimento, ejecutar muestras de prueba junto con controles experimentales.

"La reproducibilidad y la fiabilidad han sido un cuello de botella en los estudios de las coronas proteicas, ", dijo el Sr. Abhijeet Patra." La calidad y confiabilidad de los datos depende más importantemente del diseño de buenos experimentos de control. Por lo tanto, nuestra configuración de SPR multiplexada fue clave para garantizar la confiabilidad de nuestros datos ".

Probando diferentes concentraciones de cada una de las cuatro proteínas, el equipo descubrió que la apolipoproteína A-1 tenía la mayor afinidad de unión por la superficie de la nanopartícula de oro, con una constante de asociación casi 100 veces mayor que la de la proteína de menor afinidad, IgG policlonal.

"Nuestros resultados muestran que la tasa de asociación, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, "añadió.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.