Osteoartritis potentiële behandeling voorkomt kraakbeenafbraak: Injecteerbaar materiaal van deeltjes op nanoschaal kunnen arthritis geneesmiddelen leveren door kraakbeen

artrose, een ziekte die ernstige gewrichtspijn veroorzaakt, treft meer dan 20 miljoen mensen in de Verenigde Staten. Sommige behandelingen met medicijnen kan helpen verlichten van de pijn, maar er zijn geen behandelingen die kunnen keren of vertragen van de afbraak van het kraakbeen geassocieerd met de ziekte.

In een voorschot dat zou kunnen verbeteren van de behandeling opties beschikbaar voor artrose, MIT ingenieurs een nieuw materiaal dat kan dienen geneesmiddelen direct aan het kraakbeen ontworpen. Het materiaal kan diep in het kraakbeen dringen, het leveren van geneesmiddelen die mogelijk zou kunnen genezen beschadigd weefsel.

Zes dagen na behandeling met IGF-1 per dendrimeer nanodeeltjes gedragen (blauw), de deeltjes dringt door het kraakbeen van het kniegewricht. Beeld: Brett Geiger en Jeff Wyckoff

“Dit is een manier om direct naar de cellen die worden ervaren van de schade, en de invoering van verschillende soorten therapeutica dat hun gedrag kunnen veranderen,”Zegt Paula Hammond, hoofd van MIT's Department of Chemical Engineering, lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, en de senior auteur van de studie.

In een studie bij ratten, de onderzoekers toonden aan dat het leveren van een experimentele drug genaamd insulin-like growth factor 1 (IGF1) met dit nieuwe materiaal werd de afbraak van kraakbeen veel effectiever voorkomen dan het medicijn alleen in het gewricht te injecteren.

Brett Geiger, een MIT afgestudeerde student, is de eerste auteur van het papier, die verschijnt in de Nov. 28 probleem van Science Translational Medicine. Andere auteurs zijn Sheryl Wang, een MIT afgestudeerde student, Robert Padera, een universitair hoofddocent pathologie aan het Brigham and Women's Hospital, en Alan Grodzinsky, een MIT hoogleraar biologische engineering.

Betere levering

Artrose is een progressieve ziekte die kan worden veroorzaakt door een traumatisch letsel zoals het scheuren van een ligament; het kan ook het gevolg zijn van geleidelijke slijtage van kraakbeen naarmate mensen ouder worden. Een glad bindweefsel dat de gewrichten beschermt, kraakbeen wordt geproduceerd door cellen die chondrocyten worden genoemd, maar kan niet gemakkelijk worden vervangen als het eenmaal beschadigd is.

Eerdere studies hebben aangetoond dat IGF-1 kan helpen bij het regenereren van kraakbeen bij dieren. Echter, veel geneesmiddelen tegen artrose die veelbelovend waren in dierstudies, hebben niet goed gepresteerd in klinische onderzoeken.

Het MIT-team vermoedde dat dit kwam omdat de medicijnen uit het gewricht waren verwijderd voordat ze de diepe laag chondrocyten konden bereiken waarop ze zich moesten richten. Om dat te overwinnen, ze wilden een materiaal ontwerpen dat helemaal door het kraakbeen kon dringen.

Het bolvormige molecuul dat ze bedachten, bevat veel vertakte structuren, dendrimeren genaamd, die vertakken vanuit een centrale kern. Het molecuul heeft een positieve lading aan het uiteinde van elk van zijn vertakkingen, waardoor het zich bindt aan het negatief geladen kraakbeen. Sommige van die kosten kunnen worden vervangen door een korte flexibele, waterminnend polymeer, bekend als PEG, die op het oppervlak kan rondzwaaien en de positieve lading gedeeltelijk kan bedekken. Moleculen van IGF-1 zijn ook aan het oppervlak gehecht.

Wanneer deze deeltjes in een gewricht worden geïnjecteerd, ze bedekken het oppervlak van het kraakbeen en beginnen er dan doorheen te diffunderen. Dit is gemakkelijker voor hen dan gratis IGF-1, omdat de positieve ladingen van de bolletjes hen in staat stellen zich te binden aan kraakbeen en te voorkomen dat ze worden weggespoeld. De geladen moleculen hechten niet permanent, echter. Dankzij de flexibele PEG-kettingen op het oppervlak die de lading bedekken en blootleggen terwijl ze bewegen, de moleculen kunnen even loskomen van het kraakbeen, waardoor ze dieper in het weefsel kunnen bewegen.

"We hebben een optimaal ladingsbereik gevonden, zodat het materiaal zowel het weefsel kan binden als los kan maken voor verdere diffusie, en niet zo sterk zijn dat het aan de oppervlakte blijft plakken,"Geiger zegt".

Zodra de deeltjes de chondrocyten bereiken, de IGF-1-moleculen binden aan receptoren op de celoppervlakken en stimuleren de cellen om proteoglycanen te gaan produceren, de bouwstenen van kraakbeen en ander bindweefsel. De IGF-1 bevordert ook de celgroei en voorkomt celdood.

Gezamenlijke reparatie

Toen de onderzoekers de deeltjes in de kniegewrichten van ratten injecteerden, ze ontdekten dat het materiaal een halfwaardetijd had van ongeveer vier dagen, wat is? 10 keer langer dan alleen IGF-1 geïnjecteerd. De geneesmiddelconcentratie in de gewrichten bleef hoog genoeg om ongeveer 30 dagen. Als dit geldt voor mensen, patiënten kunnen veel baat hebben bij gewrichtsinjecties - die alleen maandelijks of tweewekelijks kunnen worden gegeven - zeggen de onderzoekers.

In de dierstudies, de onderzoekers ontdekten dat kraakbeen in beschadigde gewrichten die werden behandeld met de combinatie van nanodeeltjes en geneesmiddel veel minder beschadigd was dan kraakbeen in onbehandelde gewrichten of gewrichten die alleen met IGF-1 werden behandeld. De gewrichten toonde ook aan vermindering van de gewrichtsontsteking en hielspoor vorming.

“Dit is een belangrijke proof-of-concept dat voortbouwt op de recente vooruitgang in de identificatie van anabole groeifactoren met de klinische belofte (zoals IGF-1), met veelbelovende disease modifying resulteert in een klinisch relevant model. Levering van groeifactoren met behulp van nanodeeltjes op een manier die in stand houdt en verbetert de behandelingen voor artrose is een belangrijke stap voor nanogeneesmiddelen,"Zegt Kannan Rangaramanujam, een professor in de oogheelkunde en co-directeur van het Center for Nanomedicine aan de Johns Hopkins School of Medicine, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Kraakbeen in rattengewrichten is ongeveer 100 micron dik, maar de onderzoekers toonden ook aan dat hun deeltjes tot in brokken kraakbeen konden doordringen 1 millimeter — de dikte van het kraakbeen in een menselijk gewricht.

"Dat is heel moeilijk om te doen". Geneesmiddelen worden meestal gewist voordat ze door een groot deel van het kraakbeen kunnen gaan,"Geiger zegt". "Als je begint na te denken over het vertalen van deze technologie van studies bij ratten naar grotere dieren en ooit mensen", het vermogen van deze technologie om te slagen hangt af van het vermogen om in dikker kraakbeen te werken.”

De onderzoekers begonnen dit materiaal te ontwikkelen als een manier om artrose te behandelen die ontstaat na traumatisch letsel, maar ze denken dat het ook kan worden aangepast om leeftijdsgebonden artrose te behandelen. Ze zijn nu van plan om de mogelijkheid te onderzoeken om verschillende soorten medicijnen af ​​te leveren, zoals andere groeifactoren, geneesmiddelen die inflammatoire cytokinen blokkeren, en nucleïnezuren zoals DNA en RNA.

Bron: http://news.mit.edu, door Anne Trafton