使用毛茸茸的纳米晶体来减少癌症药物的副作用
纤维素纳米晶体的示意图，它们通过工程化的带电、多毛的延伸物捕获化疗药物。图片来源：寺崎生物医学创新研究所
科学家们开发了基于植物的“毛状纳米晶体”，以去除血液中多余的化疗药物。
全球每年有数百万人受到癌症的影响；超过 39% 的男性和女性在其一生中被诊断出患有癌症。化学疗法是最常用的标准癌症治疗方法，将这些药物靶向递送至肿瘤部位可提高其有效性。然而，过量的药物仍可能循环到身体的其他部位并引起多种副作用，包括贫血、慢性感染、脱发、黄疸和发烧。
已经尝试了许多建议的方法来从血液中去除不需要的化学治疗药物，特别是广泛使用的药物阿霉素 (DOX)。但这些方法导致 DOX 去除水平不够低。尽管添加了旨在保护结合能力的材料，但使用带电纳米粒子结合 DOX 的其他策略在暴露于血液中发现的带电分子和蛋白质时会失效。
一个由宾夕法尼亚州立大学和寺崎生物医学创新研究所 (TIBI) 的科学家组成的合作团队设计了一种方法来应对这些挑战。
该方法在《今日材料化学》中有所描述，它基于毛状纤维素纳米晶体——从植物细胞壁的主要成分发展而来的纳米颗粒，并被设计成具有从每一端延伸的大量聚合物链“毛发”。这些毛发增加了纳米晶体的潜在药物捕获能力，显着超过了传统纳米颗粒和其他材料。
为了生产能够捕获化疗药物的毛状纤维素纳米晶体，研究人员对软木浆中的纤维素纤维进行了化学处理，并在毛发上赋予了负电荷，使其对血液中的带电分子保持稳定。这纠正了传统纳米颗粒发现的问题，其电荷在暴露于血液时会变得惰性或减少，从而限制了它可以结合的带正电荷的药物分子的数量微不足道。
纳米晶体的结合功效在人血清中进行了测试，人血清是血液中富含蛋白质的液体部分。对于每克毛状纤维素纳米晶体，从血清中有效去除了超过 6,000 毫克的 DOX。与目前可用的其他方法相比，这表示 DOX 捕获量增加了两到三个数量级。
此外，在添加纳米晶体后立即发生 DOX 捕获，并且纳米晶体对全血中的红细胞或人脐细胞的细胞生长没有毒性或有害影响。
如此强大的体内药物捕获手段可以对癌症治疗方案产生巨大影响，因为可以将剂量提高到更有效的水平，而无需担心有害的副作用。
宾夕法尼亚州立大学化学工程和生物医学工程助理教授、首席研究员 Amir Sheikhi 提供了这种应用的一个例子。“对于某些器官，例如肝脏，化疗可以通过导管进行局部给药。如果我们可以放置一个基于纳米晶体的装置来捕获离开肝脏下腔静脉（一种主要血管）的多余药物，那么临床医生可能会给予更高剂量的化学疗法以更快地杀死癌症，而不必担心会损害健康细胞。治疗完成后，可以移除设备。”
除了从体内去除多余的化学治疗药物外，毛状纤维素纳米晶体还可以靶向其他不良物质，例如毒素和成瘾药物，从体内去除，实验还证明了纳米晶体在其他分离应用中的有效性，例如在从电子垃圾中回收有价值的元素。
寺崎生物医学创新研究所所长兼首席执行官 Ali Khademhosseini 说：“最初是一个相对简单的概念，现已发展成为一种高效的材料分离方法。“这为广泛而有影响力的生物医学和材料科学应用创造了潜力。”
参考文献：
Sarah AE Young、Joy Muthami、Mica Pitcher、Petar Antovski、Patricia Wamea、Robert Denis Murphy、Reihaneh Haghniaz、Andrew Schmidt、Samuel Clark、Ali Khademhosseini 和 Amir Sheikhi 撰写的“用于化学疗法药物捕获的多毛纤维素纳米晶体工程”，12 月 30 日2021，今日材料化学。
DOI: 10.1016/j.mtchem.2021.100711
其他作者是 Sarah AE Young、Joy Muthami、Mica Pitcher、Petar Antovski、Patricia Wamea、Robert Denis Murphy、Reihaneh Haghniaz、Andrew Schmidt 和 Samuel Clark。
这项工作得到了美国国立卫生研究院 (1R01EB024403-01) 的支持。