Die Kristallsymmetrie der Natur anhalten, um die gezielte Arzneimittelabgabe voranzutreiben

Durch das Hinzufügen weiterer Polymer-„Borsten“ zu Flaschenbürsten-Polymeren (links) haben Forscher eine Möglichkeit entdeckt, die Selbstorganisation von Kristallen aus Lösung zu initiieren und zu unterbrechen. Die Kristalle könnten eines Tages zur Verkapselung von Medikamenten für gezielte Arzneimitteltherapien verwendet werden.

Von Schneeflocken bis hin zu Quarz bilden sich die kristallinen Strukturen der Natur mit einer zuverlässigen, systemischen Symmetrie. Forscher der Drexel University, die die Bildung kristalliner Materialien untersuchen, haben gezeigt, dass es jetzt möglich ist, das Wachstum von Kristallen zu steuern – einschließlich der Unterbrechung des symmetrischen Wachstums flacher Kristalle und deren Bildung hohler Kristallkugeln. Die Entdeckung ist Teil einer umfassenderen Designbemühung, die sich auf die Verkapselung von Medikamenten für gezielte Arzneimittelbehandlungen konzentriert.

Die neue Entwicklung, über die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications berichtet wurde, wurde geleitet vonChristopher Li, PhD , ein Professor am College of Engineering in Drexel, dessen Forschung in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sich auf die Entwicklung von Polymerstrukturen für spezielle Anwendungen konzentriert, in Zusammenarbeit mit Bin Zhao, PhD, einem Professor an der Chemieabteilung der University of Tennessee, Knoxville. Ihre Arbeit zeigt, wie diese Strukturen, wie Polymerkristallkugeln, einfach durch das Mischen von Chemikalien in einer Lösung gebildet werden können – anstatt ihr Wachstum physikalisch zu manipulieren.

„Die meisten Kristalle wachsen in einem regelmäßigen Muster. Wenn man an Schneeflocken denkt, gibt es eine Translationssymmetrie, die dafür sorgt, dass sich die Elementarzelle in der gesamten kristallinen Flocke wiederholt. Was wir entdeckt haben, ist eine Möglichkeit, die makromolekulare Struktur chemisch zu manipulieren, sodass diese Translationssymmetrie entsteht.“ wird zerstört, wenn das Molekül kristallisiert“, sagte Li. „Das bedeutet, dass wir die Gesamtform des Kristalls während seiner Entstehung kontrollieren können – was eine sehr spannende Entwicklung ist, sowohl wegen seiner wissenschaftlichen Bedeutung als auch wegen der möglichen Auswirkungen auf die Massenproduktion gezielter Therapien.“

Die Technik, die Li verwendet, um einen normalerweise flockenartigen Kristall dazu zu zwingen, sich zu einer Kugel aufzurichten, baut auf seiner früheren Arbeit mit Polymeren auf, die wie Pinsel aussehen, und Polymerkristallen, die aus Emulsionströpfchen gebildet werden. Durch die Einbeziehung dieser biegsamen „Flaschenbürsten“-Polymere in das Struktursystem des Kristalls kann Li sein Wachstum durch die Anpassung der „Borsten“ der Bürste steuern.

„Ein Flaschenbürsten-Polymer hat Futterborsten, die einen Dorn umgeben. Wir haben herausgefunden, dass wir diesen Dorn bei der Kristallisation biegen können, indem wir Borsten auf eine Seite packen“, sagte Li. „Dadurch wird das Muster festgelegt, das sich wiederholt, wenn der Kristall wächst – statt flach zu werden, krümmt er sich also dreidimensional und bildet eine Kugel.“

Dies bedeutet, dass die Menge an Borstenpolymeren in der Lösung bestimmt, wie stark sich der Flaschenbürstenrücken biegt und damit die Form und Größe der Kristallkugel.

Lis Team berichtet auch darüber, wie man die Bildung des Kristalls unterbrechen und so Löcher in der Kugel hinterlassen kann, die für die Einführung einer medizinischen Nutzlast während des Herstellungsprozesses nützlich sein könnten. Sobald es gefüllt ist, kann es mit maßgeschneiderten Polymeren verschlossen werden, die dabei helfen, es zu seinem Ziel im Körper zu leiten.

„Wir haben seit einiger Zeit auf diesen Erfolg hingearbeitet“, sagte Li. „Diese kugelförmige Kristallographie manifestiert sich in robusten Strukturen, die wir in der Natur von Eierschalen bis hin zu Viruskapsiden sehen. Daher glauben wir, dass sie die ideale Form ist, um die Strapazen der Medikamentenabgabe im Körper zu überstehen. Die Eigenschaften des Kristalls steuern zu können.“ Es stellt einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieser Anwendung dar.“

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation finanziert.

Neben Li und Zhao sind auch Hao Qi, PhD; Xiting Liu von Drexel und Daniel M. Henn, PhD, von der University of Tennessee, sind Co-Erstautoren dieser Arbeit. Shan Mei, PhD; und Mark C. Staub von Drexel waren ebenfalls an dieser Forschung beteiligt.

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