Je leest:

Staaf of schijf: hoe nanocapsules hun vorm krijgen

Staaf of schijf: hoe nanocapsules hun vorm krijgen

Doorlaatbaarheid van membraan speelt cruciale rol in uiteindelijke vorm

Auteur: | 12 september 2016

Als je nanocapsules wilt gebruiken om gericht medicijnen af te geven in het lichaam, gaat het niet alleen om de inhoud. Ook de vorm is belangrijk voor de effectiviteit. Nijmeegse onderzoekers publiceerden in Nature Communications hoe de doorlaatbaarheid van het membraan van de nanocapsules de uiteindelijke vorm bepaalt.

Voor geneesmiddelen in het lichaam geldt hetzelfde als voor belangrijke post: ze moeten op het juiste moment op de juiste plaats worden afgeleverd.

Het onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen draait niet alleen maar om het maken van nieuwe werkzame stoffen. Minstens zo belangrijk is de zoektocht naar nieuwe manieren om het geneesmiddel op de juiste plaats in het lichaam te krijgen. Een van de mogelijkheden die veel in de belangstelling staat, is het gebruik van nanocapsules of nanobolletjes. Dit zijn heel kleine pakketjes gevuld met het geneesmiddel die zich door het lichaam verplaatsen en precies op de juiste locatie hun inhoud afgeven. Althans, dat is waar onderzoekers naar streven. Bijvoorbeeld om te zorgen dat medicijnen tegen kanker alleen bij de tumor terechtkomen, zodat gezond weefsel geen schade oploopt.

Nanocapsules kun je in verschillende vormen maken: bolletjes, staafjes, ingedeukte bolletjes, schijfjes en zo zijn er nog meer mogelijkheden. Maar welke vorm je krijgt was vooral een kwestie van proberen. Onderzoekers van de Radboud Universiteit Nijmegen hebben nu tot in detail uitgezocht welke factoren een rol spelen bij de vorm van de capsules en hoe je de vorm kunt controleren en voorspellen. De doorlaatbaarheid van het membraan, de ‘wand’ van de capsules, blijkt cruciaal. Hoe minder doorlaatbaar, hoe meer de vorm zal afwijken van een perfect bolletje.

De staafvormige nanocapsules blijken niet stabiel. Na enkele dagen nemen ze de bolvormige uitgangsvorm weer aan.
Christianen group, HFML, Radboud University Nijmegen via D. Wilson

Nanocapsules vormen zichzelf

De nanocapsules bestaan uit polymeren, lange ketens van dezelfde chemische bouwstenen. In dit geval bestaan de polymeren uit twee verschillende blokken, zogeheten blok copolymeren. Het ene blok is hydrofoob (houdt niet van water) en het andere hydrofiel (houdt wel van water). Als de hydrofobe delen van de ketens aan elkaar gaan plakken en de hydrofiele delen naar buiten steken, ontstaat een bolletje. “Het vormen van de nanocapsules verloopt via zelf-assemblage”, vertelt onderzoeksleider Daniela Wilson, universitair docent bij het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit. “Dat is grotendeels een spontaan proces en dat maakt het lastig te controleren.” Maar dit spontane proces wordt in gang gezet door het toevoegen van water aan de oplossing met de polymeren. En met dat gegeven konden de onderzoekers gaan variëren.

Ze maakten drie monsters met daarin dezelfde blok copolymeren maar met verschillende verhoudingen tussen de hoeveelheid oplosmiddel en water. Dat leidde tot grote verschillen. In het monster met minder water dan oplosmiddel vormden zich perfect bolvormige capsules die niet van vorm veranderden. In het monster met evenveel water als oplosmiddel ontstonden ook eerst bolletjes, maar die veranderden na een dag in staafvormige capsules. Echter na een dag of acht, waren ze allemaal weer bolvormig. Het monster met een overmaat aan water leverde ook eerst bolletjes, maar die gingen langzaam over in schijfjes. Terugvormen naar bolletjes gebeurde hier niet.

De schijfvormige nanocapsules vormen zich niet meer terug naar een bolletje, maar gaandeweg treedt een verbuiging op waardoor een kommetje ontstaat. In deze kommetjes kan ook weer een ‘lading’ worden geplaatst.
Christianen group, HFML, Radboud University Nijmegen via D. Wilson

“Zolang er meer oplosmiddel dan water is of evenveel van beide, blijft het membraan van de nanocapsule doorlaatbaar genoeg om te zorgen voor een evenwicht tussen de binnen- en buitenkant van de capsules. In zo’n situatie is een bolvormige capsule de ideale vorm”, legt Wilson uit. Maar zodra er meer water dan oplosmiddel is, verandert de situatie. De hydrofobe delen in het membraan gaan elkaar nog meer opzoeken om contact met het water te vermijden. Daardoor gaan ze zo sterk aan elkaar plakken dat het membraan ondoorlaatbaar en heel stug wordt. Terugvorming van de schijfjes naar de bolvormige begintoestand is niet langer mogelijk.

Oude schijfjes verbuigen

Tot hun verrassing ontdekten de onderzoekers dat ook deze schijfjes toch uiteindelijk van vorm kunnen veranderen en verbuigen tot een soort ‘kommetje’. Er treedt een soort veroudering op. Dat komt doordat er een drukverschil is tussen de binnen- en buitenkant van de capsule. Onder invloed van de spanning op het membraan die dat oplevert, gaan de capsules langzaam de vorm aannemen waarbij die spanning het laagst is. Bij de schijfjes leidt dat tot een verbuiging. Wilson: “Dit is heel belangrijk om te weten als je deze capsules vult met geneesmiddel en ze een tijdje wilt bewaren. Als de vorm tijdens het bewaren verandert, kan dat invloed hebben op het succes van de behandeling.”

De karakteristieke schijfvorm van gezonde rode bloedcellen. In patiënten met sikkelcelanemie zijn de rode bloedcellen vervormd en dat leidt tot grote problemen bij het transport van zuurstof.

De vorm van de nanocapsules kreeg tot nu toe niet veel aandacht. “Iedereen keek vooral naar wat we in de capsules stoppen en hoeveel erin kan. Maar inmiddels weten we dat de vorm voor een groot deel bepaalt hoe goed het transport en de afgifte van het medicijn verlopen.” En eigenlijk is dat heel logisch vindt Wilson. “Denk maar aan rode bloedcellen, dat zijn kleine schijfjes. Die vorm hebben ze niet voor niets, want daardoor kunnen ze zich met weinig wrijving verplaatsen en ook door heel nauwe bloedvaten stromen. Wat de afgifte betreft, als een platte schijf aan een cel bindt heb je een groter oppervlak voor overdracht van de inhoud, dan bij een staafje of een bolletje. Het is dus niet vreemd dat de vorm ertoe doet.”

Bron:

R.S.M. Rikken, et al., Shaping polymersomes into predictable morphologies via out-of-equilibrium self-assembly, Nature Communications 2016, doi:10.1038/ncomms12606 (open access)

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 september 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.