30.08.2021 - Virginia Polytechnic Institute and State University

Von der Weide zum Patienten: Wissenschaftler destillieren Kuhmilch zu Nanokapseln für die Verabreichung von Medikamenten

Neue Methode zur Reinigung von Exosomen aus Kuhmilch für Arzneimittelkapseln in Nanogröße

Exosomen sind biologische Kapseln in Nanogröße, die von Zellen produziert werden, um empfindliche Moleküle zu schützen und durch den Körper zu transportieren. Die Kapseln sind widerstandsfähig genug, um dem enzymatischen Abbau sowie den Säure- und Temperaturschwankungen im Darm und im Blutkreislauf standzuhalten, was sie zu einem erstklassigen Kandidaten für die Verabreichung von Medikamenten macht.

Sie zu ernten, um einen Reinheitsgrad in klinischer Qualität zu erreichen, ist jedoch ein komplexer Prozess.

"Exosomen sind in Kuhmilch reichlich vorhanden, aber es ist schwierig, sie von anderen Milchproteinen und Lipiden zu isolieren", sagt Rob Gourdie, Professor und Direktor des Zentrums für Gefäß- und Herzforschung am Fralin Biomedical Research Institute am VTC.

Gourdies Labor entwickelte eine skalierbare Methode zur Gewinnung von Exosomen aus unpasteurisierter Kuhmilch. Mit dieser Reinigungsmethode, die diesen Monat in der Zeitschrift Nanotheranostics veröffentlicht wurde, kann das Forschungsteam etwa eine Tasse gereinigter Exosomen pro Gallone Rohmilch gewinnen.

"Zum ersten Mal haben wir einen Weg zur industriellen Skalierbarkeit der Exosomenreinigung für die orale Verabreichung von Medikamenten aufgezeigt", sagte Gourdie, der auch der Commonwealth Research Commercialization Fund Eminent Scholar in Heart Reparative Medicine Research und Professor für biomedizinische Technik und Mechanik am College of Engineering der Virginia Tech ist.

Das Forschungsteam entwickelte während der COVID-19-Pandemie ein mehrstufiges, kosteneffizientes Reinigungsverfahren, das die Filtrationsmethoden und die zeitliche Abstimmung von Temperatur und chemischen Behandlungen, die sich auf den Kalziumgehalt auswirken, optimiert. Spencer Marsh und Kevin Pridham, beide Postdoktoranden in Gourdies Labor am Fralin Biomedical Research Institute, und Jane Jourdan, Gourdies Laborleiterin, leisteten die praktische Arbeit zur Entwicklung des geschützten Verfahrens.

"Unser Team arbeitete während der gesamten Pandemie effektiv und sicher an diesem Projekt zusammen", so Gourdie. "Ihre selbstlose Teamarbeit, ihr Enthusiasmus und ihre Hingabe bei der Bewältigung von Herausforderungen sind etwas, das in der Wissenschaft nicht so oft vorkommt, wie man vielleicht denkt. Es gab viele Misserfolge, aber schließlich fanden wir schrittweise Prozesse, die funktionierten."

Joy Wolfram, Assistenzprofessorin für Medizin an der Mayo Clinic, die nicht an der Studie beteiligt war, sagt, dass das neue Protokoll das pharmazeutische Potenzial von Exosomen erweitert.

"Bemerkenswert ist die Menge der extrazellulären Vesikel, die sie produzieren können. Die Isolierung und Herstellung von extrazellulären Vesikeln in einer skalierbaren Weise hat immer ihre Umsetzung in die Klinik verhindert, aber diese Arbeit zeigt einen Weg, diese Hindernisse zu überwinden", sagte Wolfram. Wolfram hatte zuvor ein Protokoll für die Tangentialflussfiltrationstechnologie veröffentlicht, das Gourdies Team für die Isolierung der Milchexosomen anpasste.

Exosomen werden auf natürliche Weise von fast allen Zelltypen des Menschen und anderer Säugetiere abgesondert und sind reichlich in Blut, Lymphe, Urin und Milch vorhanden. Ausgekleidet mit schützenden Membranen, senden Exosomen Biomoleküle, Schnipsel genetischen Materials und chemische Signale über weite Strecken zwischen den Zellen.

In den letzten zehn Jahren hat die Erforschung ihrer pharmazeutischen Anwendungen - insbesondere für die Verabreichung empfindlicher Arzneimittel wie Peptide und microRNAs - stark zugenommen.

"Stellen Sie sich vor, Sie bekommen von Ihrer Krankenschwester statt einer Impfung einen Milchshake. Ein anderer Milchshake könnte Exosomen enthalten, die mit einem therapeutischen Peptid beladen sind, das dazu bestimmt ist, innere Organe wie das Herz vor einem Herzinfarkt zu schützen", so Gourdie.

Exosomen können auch die Blut-Hirn-Schranke durchdringen, eine Membran, die das Gehirn vor unerwünschten Krankheitserregern und Chemikalien schützt, und damit einen neuen Weg für die Verabreichung von Therapeutika zur Behandlung von neurologischen Erkrankungen und Hirntumoren eröffnen.

"Die Verbesserung der Durchführbarkeit der Verwendung von Exosomen eröffnet eine breite Palette von Methoden zur Verabreichung von Medikamenten mit unbegrenzten klinischen Anwendungsmöglichkeiten", so Gourdie.

Gourdie ging eine Partnerschaft mit Homestead Creamery ein, einer örtlichen Molkerei, um Rohmilchproben für die Studie zu erhalten.

"Wir haben unser Geschäft immer auf Beziehungen aufgebaut, und dies ist eine aufregende Zusammenarbeit für uns", sagte Donnie Montgomery, Mitbegründer und Miteigentümer von Homestead Creamery.

Letztes Jahr lizenzierte Gourdie das geistige Eigentum für die Verabreichung von Herzmedikamenten mithilfe von Exosomen über das LICENSE: Center for Technology Commercialization der Virginia Tech und gründete The Tiny Cargo Co.

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