Memanfaatkan Struktur Rotaxane untuk Sistem Pelepasan Generasi Berikutnya dalam Kedokteran dan Teknologi

Pengiriman Obat dan Material yang Dapat Memperbaiki Diri dengan Rotaxane

Menyampaikan molekul pada titik yang tepat merupakan tugas yang sangat sulit, namun diperlukan agar banyak obat, seperti terapi kanker, dapat bekerja. Sampai saat ini, sebagian besar sistem pengiriman terbatas pada aktivasi oleh interaksi kimia atau mengalami kinerja yang buruk. Demikian pula, material yang dapat memperbaiki diri harus melepaskan sistem perbaikan ketika terkena stres mekanik. Berkat struktur molekul baru yang disebut rotaxane, yang ditemukan oleh peneliti di University of Manchester, Inggris, kedua inovasi ini mungkin dapat terwujud.

Apa Itu Rotaxane?

Rotaxane adalah molekul yang saling terkait, dengan molekul melingkar (bentuk donat) yang memiliki polimer lebih panjang melewati pusatnya.

Sumber: M stone at the English-language Wikipedia, CC BY-SA

Dalam penemuan University of Manchester, mereka menggunakan molekul panjang dan kompleks yang sensitif terhadap gaya mekanik.

Sepanjang rantai molekul, mereka mengikat apa yang disebut “molekul kargo” yang diinginkan, berwarna biru dalam skema ini:

Sumber: Nature

Ketika gaya diterapkan pada material, bagian berbentuk donat dari rotaxane mendorong dan melepaskan molekul kargo.

Hal ini menjadikan model molekul rotaxane ini sebagai detektor gaya dan mekanisme pelepasan yang sempurna secara bersamaan.

Sumber: Nature

Rotaxane yang Ditingkatkan

Pelepasan kimia yang dipicu oleh gaya bukanlah konsep baru. Namun, sistem sebelumnya terbatas pada jumlah molekul yang dapat dilepaskan, hanya satu molekul per detektor gaya.

“Gaya hadir di mana-mana dalam alam dan memainkan peran penting dalam berbagai proses. Tujuan kami adalah memanfaatkan gaya ini untuk aplikasi transformatif, khususnya dalam ketahanan material dan pengiriman obat.”

“Meskipun ini hanya desain bukti-konsep, kami percaya bahwa pendekatan berbasis rotaxane kami memiliki potensi besar dengan aplikasi yang luas – kami berada di ambang kemajuan yang benar-benar luar biasa dalam perawatan kesehatan dan teknologi.” – Guillaume De Bo, Professor of Organic Chemistry at The University of Manchester

Sebagai alternatif, strategi enkapsulasi fisik dapat digunakan untuk mengirimkan beban kargo yang lebih besar, namun sering kali mengalami pelepasan yang tidak diinginkan secara non-mekanik.

Desain rotaxane baru dapat melepaskan banyak molekul sekaligus (hingga 5) secara terkontrol.

Dalam praktiknya, pelepasan dapat dipicu oleh stres mekanik (misalnya, benturan atau goresan pada layar ponsel) atau ultrasonik terarah, memungkinkan pelepasan obat yang ditargetkan hanya pada lokasi tumor.

Keterbatasan lain dari sistem sebelumnya adalah batasan jenis molekul yang dapat dilepaskan, sehingga tidak cocok untuk obat inovatif.

Para peneliti telah di publikasi ilmiah mereka di Nature menunjukkan bahwa sistem mereka dapat digunakan untuk senyawa obat, penanda fluoresen, katalis, dan monomer, membuka banyak aplikasi potensial.

Selain itu, sistem semacam ini menawarkan kemungkinan untuk melepaskan unit kargo yang berbeda dalam urutan yang ditentukan.

Aplikasi Rotaxane

Biotek

Aplikasi paling langsung akan berada di sistem pengiriman obat. Saat ini, bidang ini didominasi oleh peningkatan penggunaan konjugat antibodi-obat.

Berkat sifat tepat terapi ultrasonik, sistem pengiriman berbasis rotaxane dapat memungkinkan pengiriman obat hanya pada titik tertentu di tubuh. Sistem ini telah diuji untuk pengiriman doxorubicin, agen kemoterapi spektrum luas yang kuat.

Hasil penelitian awal menunjukkan efisiensi pelepasan 71% menggunakan ultrasonik dan 65% pada uji doxorubicin.

Material yang Dapat Memperbaiki Diri

Banyak material, mulai dari logam hingga plastik, akan mendapat manfaat jika dapat “menyembuhkan diri” ketika mengalami stres mekanik, retakan, atau benturan.

Karena rotaxane yang bereaksi terhadap gaya mekanik hanya akan bereaksi pada titik stres, mereka dapat digunakan untuk melepaskan sistem perbaikan tepat di tempat yang diperlukan, sebelum kerusakan menjadi lebih parah.

Hal ini dapat membuka kemungkinan layar, bagian logam, atau bahkan beton yang dapat memperbaiki diri.

Sifat memperbaiki diri tidak akan bertahan selamanya, tetapi dapat secara signifikan meningkatkan daya tahan material. Terutama karena diperlukan kerusakan terjadi di titik yang sama dua kali, di mana rotaxane sudah habis, agar sifat perbaikan gagal.

Sensor & Keamanan

Karena sistem rotaxane baru ini juga dapat digunakan untuk melepaskan penanda fluoresen (dan berpotensi penanda warna), ia dapat berfungsi sebagai “sistem peringatan” untuk kerusakan yang sebaliknya tetap tidak terlihat. Hal ini sangat berguna untuk mengungkap stres mekanik atau kelelahan logam pada struktur dan mesin sebelum terjadi kerusakan katastrofik yang sebenarnya.

Hal ini juga dapat digunakan untuk membuktikan integritas segel atau wadah, seperti pada produk farmasi atau makanan.

Perusahaan Rotaxane

Rotaxane saat ini masih merupakan kelas molekul eksperimental yang kebanyakan diproduksi dan dipelajari di laboratorium. Namun, beberapa perusahaan sedang bereksperimen dengan material yang dapat memperbaiki diri dan pengiriman obat berbasis ultrasonik.

1. EXACT Therapeutics (EXTX)

Startup biotek ini memanfaatkan terapi yang dimediasi akustik (Acoustic Cluster Therapy or ACT) untuk mengobati kanker dengan meningkatkan penyerapan kemoterapi oleh sel kanker.

Sumber: Exact Therapeutics

Perusahaan ini saat ini berada pada fase 2 uji klinis untuk kanker pankreas dan fase 1 untuk pasien dengan metastasis hati sekunder dari kanker kolorektal.

Ia saat ini menggunakan mikrogelembung bermuatan negatif dan mikrodroplet bermuatan positif, namun di masa depan dapat juga menggunakan rotaxane untuk pengiriman obat yang lebih terkonsentrasi dan efisien.

2. Arkema (AKE.PA)

Perusahaan Prancis ini adalah produsen produk kimia, dibentuk sebagai spin‑off dari perusahaan petrokimia Total, berfokus pada perekat, pelapis, dan material canggih, masing‑masing kira‑kira 1/3 dari total aktivitas.

Secara khusus, ia telah bekerja pada elastomer dan karet yang dapat memperbaiki diri sejak 2009.

Perusahaan ini aktif di banyak kelas kimia dan digunakan di hampir semua industri.

Sumber: Arkema

Strategi Arkema adalah menjadi pemasok terdepan di setiap ceruk yang dikuasainya, menjadi #1 hingga #3 dunia dalam 90% portofolio.

Mengingat kehadiran jangka panjang dalam material yang dapat memperbaiki diri dan IP berharga perusahaan, hal ini dapat menjadikannya kandidat utama untuk menerapkan teknologi rotaxane komersial di masa depan.

3. Autonomic Materials

Sumber: Autonomic Materials

Perusahaan swasta ini berspesialisasi dalam material yang dapat menyembuhkan diri, terutama pelapis anti‑korosi, dengan beragam aplikasi dan industri.

Zat kimia pelapis perusahaan bereaksi segera setelah muncul mikro‑retakan, mencegah kerusakan lebih lanjut menyebar. Jika kerusakan terlalu besar, ia juga menutup kembali tepi zona kerusakan, mencegah kehilangan adhesi dan delaminasi pelapis selanjutnya.

Perusahaan mengklaim kinerja sangat tinggi sekaligus mencapai tingkat emisi VOC (Volatile Organic Compounds) yang sangat rendah, sesuatu yang dapat beracun dan menyebabkan masalah keamanan di lingkungan industri.

Sumber: Autonomic Materials