Biotechnologie
Rotaxaanstructuren benutten voor volgende‑generatie releasesystemen in de geneeskunde en technologie
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Medicijnafgifte en zelfherstellende materialen met rotaxaan
Moleculen op een precies punt afleveren is een zeer moeilijke taak, maar het is noodzakelijk voor veel medicijnen, zoals kankerbehandelingen, om te werken. Tot nu toe waren de meeste afgiftesystemen beperkt tot activering door chemische interacties of leden ze onder slechte prestaties. Evenzo zouden zelfherstellende materialen het reparatiesysteem moeten vrijgeven wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische stress. Dankzij een nieuwe moleculaire structuur genaamd rotaxaan, ontdekt door onderzoekers aan de Universiteit van Manchester, VK, zouden beide innovaties mogelijk kunnen zijn.
Wat is een rotaxaan?
Rotaxanen zijn vergrendelde moleculen, met een cirkelvormig molecuul (donutvorm) waar een langere polymeer doorheen loopt.
In het geval van de ontdekking door de Universiteit van Manchester gebruikten ze een lang en complex molecuul dat gevoelig is voor mechanische kracht.
Langs de keten van het molecuul hebben ze zogenaamde “cargo‑moleculen” van belang vastgebonden, in blauw in dit schema:
Bron: Nature
Wanneer er kracht op het materiaal wordt uitgeoefend, duwt het donut‑vormige deel van de rotaxanen en geeft het de cargo‑moleculen vrij.
Dit maakt dit rotaxaan‑molecuulmodel een perfecte detector van zowel kracht als vrijgave‑mechanismen tegelijk.
Bron: Nature
Verbeterde rotaxanen
Een door kracht geïnduceerde chemische vrijgave is op zichzelf geen nieuw concept. Eerdere systemen waren echter beperkt in het aantal moleculen dat ze konden vrijgeven, met slechts één molecuul per krachtsensor.
“Krachten zijn alomtegenwoordig in de natuur en spelen cruciale rollen in verschillende processen. Ons doel was deze krachten te benutten voor transformatieve toepassingen, met name op het gebied van materiaaldurabiliteit en medicijnafgifte.”
“Hoewel dit slechts een proof‑of‑concept‑ontwerp is, geloven wij dat onze rotaxaan‑gebaseerde benadering enorm potentieel heeft met vergaande toepassingen – we staan aan de vooravond van enkele werkelijk opmerkelijke vooruitgangen in de gezondheidszorg en technologie.” – Guillaume De Bo, professor organische chemie aan de Universiteit van Manchester
Alternatief kunnen fysieke encapsulatiestrategieën worden gebruikt om een grotere lading cargo te leveren, maar deze zijn vaak onderhevig aan ongewenste niet‑mechanische vrijgave.
Het nieuwe rotaxaan‑ontwerp kan in plaats daarvan veel moleculen tegelijk (tot 5) op een gecontroleerde manier vrijgeven.
In de praktijk kan vrijgave worden geactiveerd door mechanische stress (bijvoorbeeld een schok of kras op een telefoonscherm) of gerichte echografie, waardoor een geneesmiddel alleen op een tumorlokatie kan worden vrijgegeven.
Een andere beperking van het vorige systeem was de beperking op welke soorten moleculen konden worden vrijgegeven, waardoor ze ongeschikt waren voor innovatieve geneesmiddelen.
De onderzoekers hebben aangetoond in hun wetenschappelijke publicatie in Nature dat hun systeem kan worden gebruikt voor geneesmiddelkoppelingen, fluorescerende markers, katalysatoren en monomeren, waardoor vele potentiële toepassingen ontstaan.
Bovendien biedt een dergelijk systeem de mogelijkheid om verschillende cargo‑eenheden in een gedefinieerde volgorde vrij te geven.
Toepassingen van rotaxanen
Biotechnologie
De meest directe toepassing zal zijn in medicijnafgiftesystemen. Momenteel wordt dit veld gedomineerd door het toenemende gebruik van antilichaam‑geneesmiddel‑conjugaten.
Dankzij de gerichte aard van echogetherapie zouden rotaxaan‑gebaseerde afgiftesystemen medicijnafgifte alleen op specifieke punten van het lichaam kunnen mogelijk maken. Het systeem is al getest voor de afgifte van doxorubicine, een krachtig breed‑spectrum chemotherapeutisch middel.
De eerste onderzoeksresultaten toonden een vrijgave‑efficiëntie van 71% met behulp van ultrasonificatie en 65% in de doxorubicine‑test.
Zelfherstellende materialen
Veel materialen, van metalen tot kunststoffen, zouden profiteren van het vermogen om zichzelf te “herstellen” bij mechanische stress, scheuren of impact.
Omdat rotaxanen die reageren op mechanische kracht alleen op het punt van stress reageren, kunnen ze worden gebruikt om reparatiesystemen precies op de benodigde plek vrij te geven, voordat de schade groter wordt.
Dit zou de mogelijkheid kunnen openen voor zelfherstellende schermen, metalen onderdelen of zelfs beton.
De zelfherstellende eigenschappen zouden niet voor altijd duren, maar kunnen de duurzaamheid van materialen aanzienlijk verbeteren. Vooral omdat de schade twee keer op dezelfde plek moet optreden, waar de rotaxanen al uitgeput zijn, voordat de herstellende eigenschappen falen.
Sensoren & Veiligheid
Aangezien dit nieuwe rotaxaan‑systeem ook kan worden gebruikt om fluorescerende markers (en mogelijk kleurmarkers) vrij te geven, kan het dienen als een “waarschuwingssysteem” voor schade die anders onzichtbaar zou blijven. Dit kan zeer nuttig zijn om mechanische stress of metaalmoeheid in constructies en machines te onthullen voordat er een daadwerkelijke catastrofale breuk optreedt.
Het kan evenzeer worden gebruikt om de integriteit van een afdichting of container aan te tonen, bijvoorbeeld bij farmaceutische of voedingsproducten.
Rotaxaanbedrijven
Rotaxanen zijn momenteel nog een zeer experimentele klasse van moleculen die voornamelijk in laboratoria worden geproduceerd en bestudeerd. Sommige bedrijven experimenteren echter met zelfherstellende materialen en op echografie gebaseerde medicijnafgifte.
1. EXACT Therapeutics (EXTX)
Deze biotech‑startup maakt gebruik van zijn acoustisch‑gemedieerde therapieën (Acoustic Cluster Therapy or ACT) om kanker te behandelen door de opname van chemotherapie door de kankercellen te verhogen.
Bron: Exact Therapeutics
Het bedrijf bevindt zich momenteel in fase 2 van klinische proeven voor alvleesklierkanker en fase 1 voor patiënten met levermetastasen secundair aan colorectale kanker.
Het gebruikt momenteel negatief geladen microbellen en positief geladen microdruppels, maar zou in de toekomst ook rotaxanen kunnen gebruiken voor nog geconcentreerdere en efficiëntere medicijnafgifte.
2. Arkema (AKE.PA)
Het Franse bedrijf is een fabrikant van chemische producten, ontstaan als spin‑off van het petrochemische bedrijf Total, en richt zich op lijmen, coatings en geavanceerde materialen, elk ongeveer een derde van de totale activiteit.
Opmerkelijk is dat het sinds 2009 werkt aan zelfherstellende elastomeren en rubbers.
Het bedrijf is actief in vele chemische klassen en wordt in vrijwel alle industrieën gebruikt.
Bron: Arkema
De strategie van Arkema is om de leidende leverancier te zijn in elk niche waarin het actief is, en wereldwijd #1 tot #3 te staan in 90% van het portfolio.
Aangezien Arkema een langdurige aanwezigheid heeft in zelfherstellende materialen en over waardevolle intellectuele eigendom beschikt, zou het een uitstekende kandidaat kunnen zijn om in de toekomst commerciële rotaxaan‑technologie te implementeren.
3. Autonomic Materials
Bron: Autonomic Materials
Het privé‑genoteerde bedrijf is gespecialiseerd in zelfherstellende materialen, met name coatings tegen corrosie, met een breed scala aan toepassingen en industrieën.
De coatingchemicaliën van het bedrijf reageren zodra een micro‑scheur verschijnt, waardoor verdere schade wordt voorkomen. Als de schade te groot is, dichten ze ook de randen van de beschadigde zone opnieuw af, waardoor verlies van hechting en daaropvolgende delaminatie van de coating wordt voorkomen.
Het bedrijf beweert een zeer hoge prestatie te leveren terwijl het tevens een zeer laag niveau van VOC‑emissies (vluchtige organische stoffen) bereikt, iets dat toxisch kan zijn en veiligheidsproblemen kan veroorzaken in industriële omgevingen.
Bron: Autonomic Materials
