Nanomedicijnen flinke stap dichterbij: het draait allemaal om de interactie met water

Een medicijn precies daar in het lichaam afleveren waar het nodig is en nergens anders. Dat is de heilige graal van de nanogeneeskunde. Helaas heeft de medische wetenschap zich de afgelopen jaren hierbij al vaak op een taaie tegenstander stukgebeten: het afweersysteem van ons eigen lichaam. Is het lek nu eindelijk gedicht?

Onderzoekers van de Arizona State University leggen uit dat niet het medicijn zelf, maar het samenspel met water doorslaggevend is voor de goede werking van nanomedicijnen. In de studie beschrijft het team de energie van waterinteracties aan het oppervlak en hoe dit bepaalt op wat voor manier nanodeeltjes zich in het lichaam gedragen. De uitkomsten zijn een cruciale stap richting het ontwerpen van effectievere en veiligere nanomedicatie.

Waarom water allesbepalend is

“Water is essentieel voor al het leven”, zegt hoofdonderzoeker Alexandra Navrotsky. “En in een biologische omgeving is H2O het allereerste molecuul dat in contact komt met een nanodeeltje.” Met andere woorden: nog voor een nanodeeltje een tumorcel bereikt of een medicijn afgeeft, is het al omgeven door watermoleculen. Door direct te meten hoeveel energie vrijkomt wanneer water zich hecht aan zo’n oppervlak, de zogeheten hydratatie-enthalpie, kunnen de onderzoekers voorspellen hoe een nanodeeltje zich in het lichaam zal gedragen. En dat is belangrijk, want ondanks enorme investeringen heeft de nanogeneeskunde nog maar weinig van de beloften waargemaakt.

Het lichaam zit barstensvol met barrières voor de biologische nanotechnologie. Afweercellen, eiwitten en lichaamsvloeistoffen herkennen nanodeeltjes en ruimen ze uit de weg voordat ze hun doel bereiken. Chemotherapie is dan ook nog steeds berucht om zijn bijwerkingen. Het gif raakt niet alleen de tumor, maar verspreidt zich door het hele lichaam. Ondertussen worden allemaal gezonde lichaamscellen vernietigd.

Trojaans nanopaard

Wetenschappers proberen daarom medicijnen te verpakken in een soort Trojaans paard: een beschermende nanoschaal die het middel veilig naar de juiste plek brengt. Maar eenmaal in het bloed of in een andere lichaamsvloeistof ontstaat direct een complexe soep van water en biomoleculen rondom het deeltje. Deze soep bepaalt hoe stabiel het is, hoe lang het circuleert en hoe sterk het immuunsysteem reageert.

Tot nu toe was nooit direct gemeten hoe water zich bindt aan biomolecuul-gecoate magnetische nanodeeltjes en hoe sterk de elektrostatische aantrekking tussen ionen en het water is, de hoogste tijd dus. Het team onderzocht magnetietdeeltjes (ijzeroxide) met drie verschillende coatings: een eiwit, een polysacharide en een vetzuur. Concreet ging het om de stoffen bovien serumalbumine (BSA), aardappelzetmeel en laurinezuur.

Eiwit

De BSA-coating zorgde voor een sterke eerste interactie met water. “De eiwitlaag verhoogt het interactiepotentieel van het nanocomplex”, vertelt hoofdonderzoeker Kristina Lilova. Maar er zat een addertje onder het gras: de bedekking bleek niet overal even goed te zijn. Er bleven namelijk stukjes magnetiet blootliggen. Die vlekkerigheid kan het immuunsysteem alarmeren, doordat zogeheten opsoninen, eiwitten die indringers markeren, zich makkelijker hechten. Deze antistoffen verkorten de circulatietijd van het nanodeeltje.

Zetmeel

De zetmeelcoating gedroeg zich heel anders. Een jasje van aardappelzetmeel zorgt voor een groot waterminnend oppervlak, maar een lager interactiepotentieel. “De zwakkere wisselwerking en het grote hydrofiele oppervlak wijzen op een dynamische, omkeerbare binding”, legt Lilova uit. “Dat is gunstig bij medicijnafgifte, waar beweeglijkheid langs celmembranen en lage toxiciteit belangrijk zijn.” Met andere woorden: een zetmeeljasje is minder agressief en mogelijk beter verdraagbaar.

Vetzuur

De grootste verrassing kwam van laurinezuur. In kristalvorm stoot dit vetzuur water af; olie en water mengen immers niet. Maar eenmaal gecoat op magnetiet herschikt het zich tot een dubbele laag die juist een sterke wisselwerking met water aangaat. “Het vetzuur vormt een gedeeltelijke dubbellaag met een opvallend sterke waterminnendheid”, aldus Lilova. “Dat vergroot de stabiliteit en lijkt de immuunreactie te verminderen.” Zo’n nanostructuur heeft de potentie voor een langere circulatietijd in het lichaam.

Na het testen van de drie soorten coatings werd duidelijk dat hydratatie-energie een fundamenteel thermodynamisch kenmerk is dat iets zegt over oppervlaktestructuur, heterogeniteit en biologische interacties. “Het draait allemaal om oppervlaktefunctionaliteit. Dit verandert niet alleen de chemie, het herschikt het volledige thermodynamische landschap op de nano-bio-interface”, benadrukt Lilova.

Navrotsky ziet het wel zitten met de ontwikkeling van nanomedicijnen. Ze denkt dat deze studie een stevig fundament legt voor een praktijkoplossing. “Dit onderzoek brengt ons een stap dichter bij het echt doorgronden van de processen die spelen in de nanogeneeskunde”, zegt ze. “Door primaire hydratatie-energie te begrijpen, kunnen we nanodragers ontwerpen met een voorspelbare stabiliteit, gecontroleerde immuuninteracties en gerichte medicijnafgifte.”

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Dankzij nieuw nanotechnologisch hoogstandje kunnen wetenschappers eindelijk een kijkje nemen in die mysterieuze mesosfeer en Nanobal vol eiwitten: nieuw vaccin werkt tegen toekomstige coronavarianten. Of lees dit artikel: Licht en nanokristallen breken ‘eeuwige chemicaliën’ of PFAS af.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: