Mettere in pausa la simmetria cristallina della natura per far avanzare la somministrazione di farmaci mirati
Aggiungendo più "setole" polimeriche ai polimeri degli scovolini per bottiglie (a sinistra), i ricercatori hanno scoperto un modo per avviare e mettere in pausa l'autoassemblaggio dei cristalli dalla soluzione. Un giorno i cristalli potrebbero essere utilizzati per incapsulare medicinali per terapie farmacologiche mirate.
Dai fiocchi di neve al quarzo, le strutture cristalline della natura si formano con una simmetria sistemica affidabile. I ricercatori della Drexel University, che studiano la formazione di materiali cristallini, hanno dimostrato che ora è possibile controllare il modo in cui i cristalli crescono, inclusa l'interruzione della crescita simmetrica dei cristalli piatti e indurli a formare sfere di cristallo cave. La scoperta fa parte di uno sforzo di progettazione più ampio incentrato sull’incapsulamento di medicinali per trattamenti farmacologici mirati.
Il nuovo sviluppo, recentemente riportato sulla rivista scientifica Nature Communications, è stato condotto daChristopher Li, Ph.D , professore al Drexel's College of Engineering, la cui ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali si è concentrata su strutture polimeriche tecniche per applicazioni speciali, in collaborazione con Bin Zhao, PhD, professore presso il Dipartimento di Chimica dell'Università del Tennessee, Knoxville. Il loro lavoro mostra come queste strutture, come le sfere di cristalli polimerici, possono essere formate semplicemente mescolando sostanze chimiche in una soluzione, anziché manipolare fisicamente la loro crescita.
"La maggior parte dei cristalli cresce secondo uno schema regolare, se pensi ai fiocchi di neve, c'è una simmetria traslazionale che guida la ripetizione della cellula unitaria in tutto il fiocco cristallino. Ciò che abbiamo scoperto è un modo per manipolare chimicamente la struttura macromolecolare in modo che questa simmetria traslazionale si rompe quando la molecola cristallizza", ha detto Li. "Ciò significa che possiamo controllare la forma complessiva del cristallo mentre si forma, il che rappresenta uno sviluppo molto entusiasmante, sia per il suo significato scientifico che per le implicazioni che potrebbe avere per la produzione di massa di terapie mirate."
La tecnica che Li utilizza per costringere quello che normalmente sarebbe un cristallo simile a scaglie a trasformarsi in una sfera si basa sul suo lavoro precedente con polimeri che sembrano pennelli e cristalli polimerici formati da goccioline di emulsione. Incorporando questi polimeri flessibili "a spazzola per bottiglie" come sistema strutturale del cristallo, consente al Li di modellare la sua crescita regolando le "setole" della spazzola.
"Un polimero per una spazzola per bottiglie ha setole di rivestimento che circondano una spina dorsale, quello che abbiamo scoperto è che possiamo far piegare quella spina dorsale durante la cristallizzazione inserendo le setole su un lato di essa", ha detto Li. "Questo imposta lo schema che si ripete man mano che il cristallo cresce, quindi invece di diventare piatto si curva tridimensionalmente per formare una sfera."
Ciò significa che la quantità di polimeri delle setole nella soluzione determinerà quanto si piega il dorso dello scovolino e quindi la forma e le dimensioni della sfera di cristallo.
Il team di Li riferisce anche su come fermare la formazione del cristallo, lasciando dei fori nella sfera che potrebbero essere utili per inserire un carico utile medicinale durante il processo di produzione. Una volta riempito, può essere chiuso con polimeri studiati appositamente per aiutarlo a dirigerlo verso il suo bersaglio nel corpo.
"Stiamo lavorando da tempo per raggiungere questo risultato", ha detto Li. "Questa cristallografia sferica si manifesta in strutture robuste che vediamo in natura, dai gusci delle uova ai capsidi dei virus, quindi crediamo che sia la forma ideale per sopravvivere ai rigori della somministrazione di farmaci nel corpo. Essere in grado di controllare le proprietà del cristallo come si forma è un passo importante verso la realizzazione di questa applicazione."
Leggi l'articolo completo qui: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5
Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.
Oltre a Li e Zhao, Hao Qi, PhD; Xiting Liu di Drexel e Daniel M. Henn, PhD, dell'Università del Tennessee, sono i primi autori di questo lavoro. Shan Mei, dottorato di ricerca; e anche Mark C. Staub, di Drexel, hanno partecipato a questa ricerca.
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