Innovación accidental: el descubrimiento inesperado de Notre Dame mejora la potencia de las drogas

Por Universidad de Notre Dame 6 de junio de 2023

Un equipo de investigadores de la Universidad de Notre Dame, dirigido por el profesor Bradley Smith, se topó con una técnica novedosa para hacer que los medicamentos existentes sean más efectivos cargándolos en partículas de sílice modificadas, como se detalla en la revista Nanoscale. Crédito: Nanoescala, 2022, DOI: 10.1039/D2NR05528G, Sociedad Real de Química

Investigadores de la Universidad de Notre Dame han descubierto un método de bajo costo para mejorar la eficacia de los medicamentos cargándolos en partículas de sílice modificadas térmicamente. Las partículas alteradas pueden retener sustancias químicas y controlar su tasa de liberación, lo que proporciona una vía para mejorar los sistemas de administración de fármacos y una nueva comprensión de la biomineralización.

Una técnica recién descubierta, publicada en la revista Nanoscale, ofrece una forma económica de mejorar la eficacia de los medicamentos existentes.

"If you take sand and heat it to 500 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius, nada cambia", dijo Bradley Smith, profesor de ciencias Emil T. Hofman en la Universidad de Notre Dame. Así que Smith, quien también es director de la Instalación de Imagen Integrada de Notre Dame, se quedó perplejo cuando Canjia Zhai y Cassandra Shaffer, dos Los estudiantes de doctorado del Departamento de Química y Bioquímica que trabajaban en su laboratorio descubrieron que habían cambiado la estructura de las partículas de sílice, el componente principal de la arena, a 80 grados centígrados, una temperatura similar a la de una taza de café.

El descubrimiento ocurrió por accidente. Las partículas eran microscópicamente pequeñas: una milésima parte del diámetro de un cabello humano. Pero al igual que sus contrapartes más grandes marcadas como "gel de sílice" en paquetes adheridos a prendas de vestir nuevas, estas partículas eran porosas y podían retener un químico. En este caso, ese químico era un tinte azul usado para detectar tumores en ratones.

El nuevo tinte, que se había desarrollado en el laboratorio de Smith, estaba tardando mucho en entrar en los poros estrechos de las partículas. Entonces, para hacer que las moléculas se muevan más rápido, Shaffer y Zhai calentaron la mezcla hasta que hierva y la dejaron toda la noche. Cuando regresaron al día siguiente, pudieron ver que las partículas se habían vuelto azules.

Para confirmar que el tinte se había infundido por completo, Shaffer y Zhai solicitaron la ayuda de Tatyana Orlova y Maksym Zhukovskyi, expertos en microscopía del Centro de Imágenes Integradas de Notre Dame.

Crédito: Nanoescala, 2022, DOI: 10.1039/D2NR05528G, Sociedad Real de Química

Orlova y Zhukovskyi produjeron imágenes de microscopía electrónica de alta resolución que mostraron que no solo se había infundido el tinte, sino que las partículas de sílice habían cambiado de forma. Las partículas originales eran esferas solitarias ligeramente salpicadas de poros como la piel de una naranja. Las nuevas estructuras eran esféricas y estaban compuestas por glóbulos más pequeños llenos de tinte. También tenían pequeñas aberturas aquí y allá que revelaban un núcleo hueco en el interior. La unidad general se parecía a una frambuesa hueca.

Tras la sorpresa del descubrimiento inicial surgieron una serie de cuestiones prácticas. ¿Qué otras sustancias químicas podrían cargar los investigadores en partículas similares en forma de frambuesa? Y, lo que es más importante, ¿permanecerían activos esos productos químicos incluso después de que las estructuras circundantes hubieran cambiado de forma?

El estudiante de doctorado Jordan Chasteen respondió a estas preguntas y repitió el proceso utilizando un medicamento contra el cáncer. Después de una serie de pruebas, confirmó que el medicamento contra el cáncer cargado en las partículas todavía estaba activo y era capaz de matar las células cancerosas.

Este descubrimiento ofrece una nueva herramienta para hacer que los medicamentos existentes sean más efectivos, dijo Smith.

"Lo que tenemos ahora es una forma de revisar todo el catálogo de medicamentos que contienen aminas y, siguiendo los sencillos pasos que hemos descubierto, podemos crear nuevas versiones de los medicamentos existentes que podrían ser más efectivos o tener menos efectos secundarios no deseados. " él dijo.

Smith y sus estudiantes descubrieron que los cambios sutiles en el procedimiento de carga les permiten variar el grosor de las partículas, lo que ofrece una gran cantidad de nuevas opciones para ajustar las partículas para liberar fármacos a diferentes velocidades. La estructura única de la nueva partícula también puede hacer posible cargarla con más de un ingrediente, por ejemplo, un fármaco en la capa exterior y un tinte dentro de la "frambuesa", para mejorar la capacidad de los investigadores para observar la forma en que se liberan los fármacos.

Además, la nueva partícula, dijo Smith, también arroja luz sobre un fenómeno biológico poco comprendido conocido como biomineralización.

"Hemos encontrado que los medicamentos que contienen aminas tienen ciertos atributos químicos que aceleran el proceso de degradación y reforma en sílice, y creemos que es similar a lo que sucede en la naturaleza", dijo. Smith mencionó como ejemplo las diatomeas, una especie de plancton microscópico, y sus delicadas conchas de vidrio formadas a partir de sílice.

“Estos microorganismos tienen mecanismos que les permiten tomar arena y remodelarla en sus caparazones”, dijo. "Y claramente lo hacen a una temperatura relativamente baja usando moléculas orgánicas. Lo que hemos descubierto es potencialmente parte de la química detrás de ese proceso".

A medida que Smith y su laboratorio continúan innovando, obtienen inspiración tanto de la naturaleza como de los descubrimientos en el laboratorio. "La lección general aquí", dijo, "es que podemos descubrir en el laboratorio cómo funcionan los procesos naturales, y luego podemos usar ese conocimiento e imitar esos procesos para diseñar algo completamente nuevo".

Referencia: "Remodelación de nanopartículas de sílice en condiciones suaves: conversión versátil en un solo paso de nanopartículas mesoporosas a huecas con carga útil simultánea" por Cassandra C. Shaffer, Canjia Zhai, Jordan L. Chasteen, Tatyana Orlova, Maksym Zhukovskyi y Bradley D. Smith, 21 de noviembre de 2022, nanoescala.DOI: 10.1039/D2NR05528G

This discovery was made possible with funding from the National Science Foundation and the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Institutos Nacionales de Salud.