Inteligentny system dostarczania cząsteczek, który przełącza się pomiędzy stanami aktywnymi i uśpionymi w zależności od środowiska
W chemii angielski termin „self-immolation” („samoniszczenie”) odnosi się do chemicznego kaskadowego rozpadu związków chemicznych na ich składniki, a jego przykładem jest przepalenie się bezpiecznika. Proces ten zainteresował badaczy zajmujących się systemami kontrolowanego uwalniania leków, obrazowania biologicznego i uwalniania składników pokarmowych oraz pestycydów w rolnictwie. Może też znaleźć zastosowanie w opracowywaniu degradowalnych materiałów polimerowych, takich jak tworzywa sztuczne, powłoki i nanocząsteczki.
Kontrola samoniszczenia w odpowiedzi na pH
Związki zdolne do samoniszczenia zawierają łącznik chemiczny, który łączy grupę ochronną ulegającą rozszczepieniu pod wpływem bodźców („wyzwalacz”) z cząsteczką będącą „ładunkiem”, na przykład lekiem. Łącznik pozwala na przyspieszenie usuwania wyzwalacza po wystawieniu na działanie odpowiedniego bodźca, takiego jak pH, temperatura lub enzymy. Właściwości steryczne i chemiczne łącznika decydują o kinetyce samoniszczenia, która po aktywacji powoduje nieprzerwane uwalnianie ładunku, niezależnie od środowiska. Jednym z celów projektu Multi-SIP Hydrogel, realizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, było umożliwienie dynamicznego sterowania kinetyką samoniszczenia za pomocą bodźców zewnętrznych. „Chcieliśmy kontrolować reakcję łącznika na degradację, a tym samym uwalnianie ładunku, w odpowiedzi na konkretny, przemijający lub zmieniający się bodziec”, wyjaśnia stypendysta działania, Derrick Roberts. Projekt był realizowany w ramach współpracy Instytutu Karolińskiego z www.stevensgroup.org (prof. Molly Stevens) na Imperial College London. Badacze wykorzystali fakt, że łączniki ulegające samoniszczeniu zawierają pozostałości, które są wrażliwe na zmiany kwasowości. Zsyntetyzowali łączniki, których kaskada samoniszczenia – a tym samym uwalnianie ładunku – może zostać wstrzymana i ponownie uruchomiona zależnie od kwasowości środowiska.
Optymalizacja łącznika pod kątem przyszłych zastosowań
Konstrukcja degradowalnego łącznika pozwala na łatwe włączanie i wyłączanie kaskady samoniszczenia, dzięki czemu dostarczanie ładunku odbywa się tylko w określonych warunkach środowiskowych. Jest to istotna innowacja w tej dziedzinie – nigdy wcześniej nie osiągnięto takiego poziomu dynamicznej kontroli pH nad uwalnianiem ładunku. Co ważne, prace te mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie biologiczne w sytuacjach, w których zmiany pH prowadzą do uwalniania leków. Na przykład w przypadku gojenia się ran łącznik samoniszczący reagujący na odczyn pH mógłby umożliwić szybkie początkowe uwolnienie ładunku, natomiast wygaszenie i ponowna aktywacja przebiegałyby zależnie od bieżących wymagań rany, zapobiegając ryzyku przedawkowania. Łączniki samoniszczące mogą być również łączone w celu tworzenia specjalnych rodzajów polimerów ulegających szybkiej degradacji. W odróżnieniu od nich konwencjonalne polimery ulegające degradacji rozkładają się na mniejsze fragmenty w znacznie dłuższym czasie, ponieważ nie istnieje mechanizm kaskadowy pozwalający na ich degradację. „Aby efektywnie wykorzystać nasz łącznik w zastosowaniach biologicznych, konieczna jest dalsza optymalizacja w zakresie rozpuszczalności w wodzie, zakresu reakcji pH oraz cytotoksyczności produktów samoniszczących”, mówi Roberts. Taki też cel postawiła sobie grupa(odnośnik otworzy się w nowym oknie) działająca na Uniwersytecie w Sydney, która bada również zastosowanie łączników samoniszczących w takich dziedzinach jak rolnictwo i projektowanie powłok reagujących na bodźce. Grant Early Career(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przyznany uczonemu przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych ma pozwolić mu na wykorzystanie łączników i polimerów o właściwościach samoniszczących do wywoływania kontrolowanych przemian morfologicznych samoorganizujących się nanocząsteczek polimerowych. Uczony przewiduje, że „kontrola morfologii nanocząsteczek – a tym samym funkcji – będzie napędzać rozwój nowych nanotechnologii reagujących na bodźce”.
