Приостановить кристаллическую симметрию природы для улучшения адресной доставки лекарств

Добавляя больше полимерных «щетинок» к полимерам щеток для бутылок (слева), исследователи обнаружили способ инициировать и приостанавливать самосборку кристаллов из раствора. Однажды кристаллы можно будет использовать для инкапсулирования лекарств для таргетной лекарственной терапии.

От снежинок до кварца – кристаллические структуры природы формируются с надежной системной симметрией. Исследователи из Университета Дрекселя, изучающие образование кристаллических материалов, показали, что теперь можно контролировать рост кристаллов, в том числе прерывать симметричный рост плоских кристаллов и заставлять их образовывать полые кристаллические сферы. Это открытие является частью более широкой разработки, направленной на инкапсуляцию лекарств для таргетного лечения.

Новую разработку, о которой недавно сообщалось в научном журнале Nature Communications, возглавилКристофер Ли, доктор философии , профессор Инженерного колледжа Дрекселя, чьи исследования на факультете материаловедения и инженерии были сосредоточены на разработке полимерных структур для специальных применений, в сотрудничестве с Бинь Чжао, доктором философии, профессором химического факультета Университета Теннесси, Ноксвилл. Их работа показывает, как эти структуры, такие как полимерные кристаллические сферы, могут быть сформированы простым смешиванием химических веществ в растворе, а не физическим манипулированием их ростом.

«Большинство кристаллов растут по регулярной схеме. Если вы думаете о снежинках, то существует трансляционная симметрия, которая управляет повторением элементарной ячейки по всей кристаллической чешуйке. Мы обнаружили способ химического манипулирования макромолекулярной структурой, чтобы эта трансляционная симметрия разрушается, когда молекула кристаллизуется», — сказал Ли. «Это означает, что мы можем контролировать общую форму кристалла по мере его формирования – что является очень интересной разработкой, как с точки зрения ее научной значимости, так и с точки зрения последствий, которые она может иметь для массового производства таргетных методов лечения».

Техника, которую Ли использует, чтобы заставить то, что обычно было бы чешуйчатым кристаллом, стянуться в сферу, основана на его предыдущей работе с полимерами, которые выглядят как кисти, и полимерными кристаллами, образованными из капель эмульсии. Включение этих гибких полимеров «щеточки для бутылок» в качестве структурной системы кристалла позволяет Ли формировать его рост, регулируя «щетину» щетки.

«У полимерной щетки для бутылок есть щетинки, окружающие позвоночник, и мы обнаружили, что мы можем заставить этот позвоночник изгибаться при кристаллизации, упаковав щетинки на одну его сторону», – сказал Ли. «Это создает узор, который повторяется по мере роста кристалла: вместо того, чтобы становиться плоским, он трехмерно изгибается, образуя сферу».

Это означает, что количество полимеров щетины в растворе будет определять, насколько сильно изгибается позвоночник щетки для бутылок и, следовательно, форма и размер хрустального шара.

Команда Ли также сообщает о том, как приостановить формирование кристалла, оставив в сфере отверстия, которые могут быть полезны для введения медицинского груза во время производственного процесса. После заполнения его можно закрыть полимерами, специально подобранными для направления его к цели в организме.

«Мы уже некоторое время работаем над этим достижением», — сказал Ли. «Эта сферическая кристаллография проявляется в прочных структурах, которые мы видим в природе, от яичной скорлупы до вирусных капсидов, поэтому мы считаем, что это идеальная форма, позволяющая пережить суровые условия доставки лекарств в организм. Возможность контролировать свойства кристалла как это важный шаг на пути к реализации этого приложения».

Полный текст статьи можно прочитать здесь: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5.

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом.

Помимо Ли и Чжао, Хао Ци, доктор философии; Ситин Лю из Дрекселя и Дэниел М. Хенн, доктор философии из Университета Теннесси, являются соавторами этой работы. Шань Мэй, доктор философии; и Марк К. Стауб из Дрекселя также участвовал в этом исследовании.

Drexel News производится Университетом маркетинга и коммуникаций.