Nytt material kan ge fjärrstyrda läkemedel och elektroniska piller
Bioläkemedel tillverkas av levande celler och används för behandling av bland annat cancer och autoimmuna sjukdomar. En utmaning är att läkemedlen är mycket dyra att producera, något som begränsar den globala tillgången. Nu har forskare från Chalmers uppfunnit ett material som med elektriska signaler fångar och släpper biomolekyler. Den nya och effektiva metoden kan ge stort genomslag inom utvecklingen av bioläkemedel och banar väg för utvecklingen av elektroniska tabletter och läkemedelsimplantat.
Det nya materialet är en polymeryta* som vid en elektrisk impuls byter tillstånd mellan att fånga upp och stöta ifrån sig biomolekyler. Det har flera möjliga tillämpningsområden, bland annat som ett redskap för att effektivt separera läkemedel från de andra biomolekyler som celler tillverkar vid framställning av biologiska läkemedel. Resultaten från studien publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie.
Bioläkemedel är mycket dyra att producera på grund av bristen på effektiv teknik för separation, och nya tekniker med högre utbyte av läkemedel krävs för att sänka kostnaderna för produktion och i förlängningen kostnaden för behandling av patienter.
− Våra polymerytor erbjuder ett nytt sätt att separera proteiner genom att med elektriska signaler styra hur de binder och släpper från en yta utan att samtidigt påverka proteinets struktur, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo, som disputerat i kemi på Chalmers och är studiens försteförfattare.
Den konventionella tekniken för separation - kromatografi - binder biomolekyler hårt till ytan och det krävs starka kemikalier för att få dem att lossna, vilket leder till förluster och sämre utbyte. Många nya läkemedel har visat sig vara extra känsliga för starka kemikalier vilket skapar ett stort produktionsproblem för nästa generations bioläkemedel. Den lägre kemikalieförbrukningen innebär samtidigt en vinst för miljön och att det nya materialets ytor dessutom kan återanvändas i flera cykler är en viktig egenskap. Processen kan upprepas hundratals gånger utan att ytan påverkas.
Fungerar i biologiska vätskor
Materialet fungerar även i biologiska vätskor med buffertkapacitet, alltså vätskor med förmåga att motverka förändringar i pH-värde. Egenskapen är anmärkningsvärd eftersom den banar väg för att skapa ny teknik till implantat och elektroniska ”piller” som släpper ut läkemedel i kroppen vid elektronisk aktivering.
− Man kan föreställa sig att en läkare, eller ett datorprogram, mäter behovet av en ny dos läkemedel hos en patient, och där en fjärrstyrd signal aktiverar frisättning av läkemedel från implantatet som befinner sig i just den vävnad eller organ där det behövs, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Lokal, aktiverad läkemedelsfrisättning finns idag i form av material som ändrar tillstånd vid en förändring av den omgivande kemiska miljön. Till exempel tillverkas tabletter av pH-känsliga material där man vill kontrollera frisättning av läkemedel i mag-tarmkanalen, som är en miljö med naturliga variationer i pH-värde. Men i de flesta av kroppens vävnader förekommer inte förändringar i pH-värde eller andra kemiska parametrar.
− Att kunna styra utsläpp och upptag av proteiner i kroppen med minimala kirurgiska ingrepp och utan injektioner tror vi är en unik och användbar egenskap. Utveckling av elektroniska implantat är endast en av flera tänkbara tillämpningar som ligger många år fram i tiden. Forskning som hjälper oss att koppla ihop elektronik med biologi på molekylär nivå är en viktig pusselbit i en sådan riktning, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Ytterligare en fördel med den nya metoden är att den inte kräver stora mängder energi. Den låga strömförbrukningen beror på att polymerens tjocklek på elektrodens yta är mycket tunn, på nanometerskala, vilket gör att ytan omedelbart reagerar på små elektrokemiska signaler.
− Elektronik i biologiska miljöer begränsas ofta av storleken på batteriet och de rörliga mekaniska delarna. Aktivering på molekylnivå minskar både energibehovet och behovet av rörliga delar, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Genombrottet började som doktorsavhandling
Forskningen bakom tekniken genomfördes under tiden som Gustav Ferrand-Drake del Castillo var doktorand i Chalmersprofessor Andreas Dahlins forskargrupp på avdelningen för tillämpad ytkemi. Projektet handlade om polymerytor som byter tillstånd mellan att vara neutrala och laddade beroende på den omgivande lösningens pH-värde. Då lyckades forskarna skapa ett material som var starkt nog för att sitta kvar på ytan vid upprepade elektriska signaler, samtidigt som det var tunt nog för att effektivt byta pH-värde med hjälp av elektrokemi på ytan.
− Strax därefter upptäckte vi att vi kunde använda de elektriska signalerna för att styra inbindning och frisättning av proteiner och biomolekyler och att elektrodmaterialet fungerar i biologiska lösningar som till exempel serum, centrifugerat blod. Vi tror och hoppas att våra upptäckter kan vara till stor nytta för utvecklingen av nya läkemedel, säger Andreas Dahlin.
Under det senaste året har Chalmersforskarnas resultat övergått till produktutveckling som drivits genom avknoppningsbolaget Nyctea Technologies. Företaget har redan kunder bland ledande läkemedelsforskare och företag.
*Polymerer är kemiska föreningar som består av mycket långa kedjor byggda av upprepade mindre enheter. Vanliga plaster är en form av polymerer.
Källa: Chalmers
Bioläkemedel är mycket dyra att producera på grund av bristen på effektiv teknik för separation, och nya tekniker med högre utbyte av läkemedel krävs för att sänka kostnaderna för produktion och i förlängningen kostnaden för behandling av patienter.
− Våra polymerytor erbjuder ett nytt sätt att separera proteiner genom att med elektriska signaler styra hur de binder och släpper från en yta utan att samtidigt påverka proteinets struktur, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo, som disputerat i kemi på Chalmers och är studiens försteförfattare.
Den konventionella tekniken för separation - kromatografi - binder biomolekyler hårt till ytan och det krävs starka kemikalier för att få dem att lossna, vilket leder till förluster och sämre utbyte. Många nya läkemedel har visat sig vara extra känsliga för starka kemikalier vilket skapar ett stort produktionsproblem för nästa generations bioläkemedel. Den lägre kemikalieförbrukningen innebär samtidigt en vinst för miljön och att det nya materialets ytor dessutom kan återanvändas i flera cykler är en viktig egenskap. Processen kan upprepas hundratals gånger utan att ytan påverkas.
Fungerar i biologiska vätskor
Materialet fungerar även i biologiska vätskor med buffertkapacitet, alltså vätskor med förmåga att motverka förändringar i pH-värde. Egenskapen är anmärkningsvärd eftersom den banar väg för att skapa ny teknik till implantat och elektroniska ”piller” som släpper ut läkemedel i kroppen vid elektronisk aktivering.
− Man kan föreställa sig att en läkare, eller ett datorprogram, mäter behovet av en ny dos läkemedel hos en patient, och där en fjärrstyrd signal aktiverar frisättning av läkemedel från implantatet som befinner sig i just den vävnad eller organ där det behövs, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Lokal, aktiverad läkemedelsfrisättning finns idag i form av material som ändrar tillstånd vid en förändring av den omgivande kemiska miljön. Till exempel tillverkas tabletter av pH-känsliga material där man vill kontrollera frisättning av läkemedel i mag-tarmkanalen, som är en miljö med naturliga variationer i pH-värde. Men i de flesta av kroppens vävnader förekommer inte förändringar i pH-värde eller andra kemiska parametrar.
− Att kunna styra utsläpp och upptag av proteiner i kroppen med minimala kirurgiska ingrepp och utan injektioner tror vi är en unik och användbar egenskap. Utveckling av elektroniska implantat är endast en av flera tänkbara tillämpningar som ligger många år fram i tiden. Forskning som hjälper oss att koppla ihop elektronik med biologi på molekylär nivå är en viktig pusselbit i en sådan riktning, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Ytterligare en fördel med den nya metoden är att den inte kräver stora mängder energi. Den låga strömförbrukningen beror på att polymerens tjocklek på elektrodens yta är mycket tunn, på nanometerskala, vilket gör att ytan omedelbart reagerar på små elektrokemiska signaler.
− Elektronik i biologiska miljöer begränsas ofta av storleken på batteriet och de rörliga mekaniska delarna. Aktivering på molekylnivå minskar både energibehovet och behovet av rörliga delar, säger Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Genombrottet började som doktorsavhandling
Forskningen bakom tekniken genomfördes under tiden som Gustav Ferrand-Drake del Castillo var doktorand i Chalmersprofessor Andreas Dahlins forskargrupp på avdelningen för tillämpad ytkemi. Projektet handlade om polymerytor som byter tillstånd mellan att vara neutrala och laddade beroende på den omgivande lösningens pH-värde. Då lyckades forskarna skapa ett material som var starkt nog för att sitta kvar på ytan vid upprepade elektriska signaler, samtidigt som det var tunt nog för att effektivt byta pH-värde med hjälp av elektrokemi på ytan.
− Strax därefter upptäckte vi att vi kunde använda de elektriska signalerna för att styra inbindning och frisättning av proteiner och biomolekyler och att elektrodmaterialet fungerar i biologiska lösningar som till exempel serum, centrifugerat blod. Vi tror och hoppas att våra upptäckter kan vara till stor nytta för utvecklingen av nya läkemedel, säger Andreas Dahlin.
Under det senaste året har Chalmersforskarnas resultat övergått till produktutveckling som drivits genom avknoppningsbolaget Nyctea Technologies. Företaget har redan kunder bland ledande läkemedelsforskare och företag.
*Polymerer är kemiska föreningar som består av mycket långa kedjor byggda av upprepade mindre enheter. Vanliga plaster är en form av polymerer.
Källa: Chalmers