Rotaksan Yapılarını Kullanarak Tıp ve Teknolojide Nesil Geçişi Serbest Bırakma Sistemleri

Rotaxane ile İlaç Dağıtımı ve Kendini Onaran Malzemeler

Moleküllerin kesin bir noktada dağıtılması çok zor bir görevdir, ancak kanser tedavileri gibi birçok ilaç için bu gereklidir. Şimdiye kadar, çoğu dağıtım sistemi kimyasal etkileşimlerle aktive olmaya sınırlı kalmış ya da düşük performans göstermiştir. Benzer şekilde, kendini onaran malzemeler mekanik stresle karşılaştıklarında onarım sistemini serbest bırakmalıdır. Birleşik Krallık, Manchester Üniversitesi araştırmacıları tarafından keşfedilen rotaxane adlı yeni bir moleküler yapı sayesinde bu iki yenilik mümkün olabilir.

Rotaxane Nedir?

Rotaxanlar, birbirine geçişik moleküllerdir; dairesel bir molekül (donut şekli) merkezinden daha uzun bir polimer geçer.

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

Manchester Üniversitesi keşfinde, mekanik kuvvete duyarlı uzun ve karmaşık bir molekül kullanıldı.

Molekül zinciri boyunca, bu şemada mavi renkle gösterilen “yük molekülleri” bağlandı:

Kaynak: Nature

Malzemeye kuvvet uygulandığında, rotaxanların donut‑şeklindeki kısmı itilir ve yük moleküllerini serbest bırakır.

Bu, rotaxane molekül modelini aynı anda kuvvet algılayıcı ve serbest bırakma mekanizması olarak mükemmel bir dedektör yapar.

Kaynak: Nature

Geliştirilmiş Rotaxanlar

Kuvvet‑türevi kimyasal serbest bırakma yeni bir kavram değildir. Ancak önceki sistemler, bir kuvvet dedektörü başına yalnızca bir molekül serbest bırakabilme sayısıyla sınırlıydı.

“Kuvvetler doğada her yerde bulunur ve çeşitli süreçlerde hayati roller oynar. Amacımız bu kuvvetleri, özellikle malzeme dayanıklılığı ve ilaç dağıtımı alanında dönüştürücü uygulamalara yönlendirmekti.

“Bu sadece bir kanıt‑konsepti tasarımı olmasına rağmen, rotaxane‑tabanlı yaklaşımımızın çok geniş uygulama potansiyeli olduğuna inanıyoruz – sağlık ve teknoloji alanında gerçekten çığır açıcı ilerlemelerin eşiğindeyiz.” – Guillaume De Bo, Manchester Üniversitesi Organik Kimya Profesörü

Alternatif olarak, daha büyük bir yük taşıyabilen fiziksel kapsülleme stratejileri kullanılabilir, ancak bunlar genellikle mekanik olmayan istenmeyen serbest bırakmalara maruz kalır.

Yeni rotaxane tasarımı, kontrollü bir şekilde aynı anda birçok molekülü (5’e kadar) serbest bırakabilir.

Uygulamada, serbest bırakma ya mekanik stres (örneğin bir telefon ekranına darbe ya da çizik) ya da hedeflenmiş ultrason ile tetiklenebilir; bu sayede ilaç sadece tümör bölgesinde hedefli olarak salınır.

Önceki sistemin bir diğer sınırlaması, serbest bırakılabilecek molekül türleri üzerindeki kısıtlamaydı; bu da yenilikçi ilaçlar için uygunsuz olmalarına yol açıyordu.

Araştırmacılar, bilimsel yayınlarında Nature’da sistemlerinin ilaç bileşenleri, floresan işaretleyiciler, katalizörler ve monomerler için kullanılabileceğini göstererek birçok potansiyel uygulamayı açığa çıkardılar.

Ayrıca, böyle bir sistem farklı yük birimlerini tanımlı bir sırayla serbest bırakma olanağı da sunar.

Rotaxan Uygulamaları

Biyoteknoloji

En acil uygulama ilaç dağıtım sistemleri olacaktır. Şu anda bu alan, antikor‑ilaç konjugatlarının artan kullanımına hâkimdir.

Ultrason tedavisinin nokta‑odaklı doğası sayesinde, rotaxane‑tabanlı dağıtım sistemleri ilacı yalnızca vücudun belirli noktalarında teslim edebilir. Sistem, güçlü geniş spektrumlu bir kemoterapötik ajan olan doksorubisin dağıtımı için zaten test edilmiştir.

İlk araştırma sonuçları, ultrasonikasyonla %71 serbest bırakma verimliliği ve doksorubisin testinde %65 verimlilik göstermiştir.

Kendini Onaran Malzemeler

Metallerden plastiklere kadar birçok malzeme, mekanik stres, çatlak veya darbe gördüklerinde “kendini iyileştirme” yeteneğinden fayda sağlayabilir.

Rotaxanlar mekanik kuvvete yanıt verdiğinde yalnızca stres noktasında reaksiyon gösterdiği için, onarım sistemlerini tam ihtiyaç duyulan noktada serbest bırakabilir ve hasarın daha da büyümesini önleyebilir.

Bu, kendini onaran ekranlar, metal parçalar veya hatta beton gibi uygulamaların mümkün olmasını sağlayabilir.

Kendini onaran özellikler sonsuza kadar sürmez, ancak malzemelerin dayanıklılığını önemli ölçüde artırabilir. Özellikle rotaxanların tükenmesi için hasarın aynı noktada iki kez meydana gelmesi gerekir; bu durumda onarım özellikleri başarısız olur.

Sensörler & Güvenlik

Bu yeni rotaxane sistemi aynı zamanda floresan (ve potansiyel olarak renk) işaretleyicileri serbest bırakabildiğinden, görünmez kalabilecek hasarlar için bir “uyarı sistemi” olarak kullanılabilir. Bu, yapılar ve makinelerde mekanik stres ya da metal yorgunluğunu gerçek bir felaket meydana gelmeden önce ortaya çıkarmak için çok yararlı olabilir.

Aynı zamanda, farmasötik veya gıda ürünleri gibi kapakların ya da konteynerlerin bütünlüğünü kanıtlamak için de kullanılabilir.

Rotaxane Şirketleri

Rotaxanlar şu an için büyük ölçüde laboratuvarlarda üretilen ve incelenen deneysel bir molekül sınıfıdır. Ancak bazı şirketler kendini onaran malzeme ve ultrason‑tabanlı ilaç dağıtımı üzerinde çalışmaktadır.

1. EXACT Therapeutics (EXTX)

Bu biyoteknoloji girişimi, akustik‑aracılı terapilerini (Acoustic Cluster Therapy or ACT) kanser hücrelerinin kemoterapi alımını artırarak kanseri tedavi etmek için kullanıyor.

Kaynak: Exact Therapeutics

Şirket şu anda pankreatik kanser için klinik denemelerin 2. fazında ve kolorektal kanserden kaynaklanan karaciğer metastazları olan hastalar için 1. fazda yer almaktadır.

Şu anda negatif yüklü mikrobubble’lar ve pozitif yüklü mikrodroplet’lar kullanıyor, ancak gelecekte rotaxanları da daha yoğun ve etkili ilaç dağıtımı için kullanabilir.

2. Arkema (AKE.PA)

Fransız şirketi, Total’dan ayrılan bir yan kuruluş olarak kimyasal ürün üreticisi; yapıştırıcılar, kaplamalar ve ileri malzemeler üzerine odaklanıyor ve bu üç alan toplam faaliyetin yaklaşık üçte birini oluşturuyor.

Özellikle 2009’dan beri kendini onaran elastomerler ve kauçuklar üzerinde çalışmaktadır.

Şirket, birçok kimyasal sınıfta aktif olup neredeyse tüm endüstrilerde kullanılmaktadır.

Kaynak: Arkema

Arkema’nın stratejisi, içinde bulunduğu her nişte lider tedarikçi olmak; portföyünün %90’ında dünya çapında #1‑#3 konumunda yer almaktır.

Uzun süredir kendini onaran malzeme alanındaki varlığı ve şirketin değerli fikri mülkiyeti göz önüne alındığında, gelecekte ticari rotaxane teknolojisini hayata geçirmek için güçlü bir aday olabilir.

3. Autonomic Materials

Kaynak: Autonomic Materials

Özel olarak korozyona karşı kaplamalar dahil olmak üzere kendini iyileştiren malzemelere odaklanan, özel sermayeli bir şirkettir; geniş bir uygulama ve endüstri yelpazesi sunar.

Şirketin kaplama kimyasalları, bir mikro‑çatlak ortaya çıktığında anında reaksiyon verir, daha fazla hasarın yayılmasını önler. Hasar çok büyükse, hasar bölgesinin kenarlarını da yeniden mühürleyerek yapışmanın kaybını ve kaplamanın sonradan soyulmasını engeller.

Şirket, çok yüksek bir performans sunduğunu ve aynı zamanda VOC (Uçucu Organik Bileşikler) emisyon seviyesini çok düşük tutarak, endüstriyel ortamlarda toksik olabilecek ve güvenlik sorunlarına yol açabilecek bu maddelerin salınımını minimize ettiğini iddia etmektedir.

Kaynak: Autonomic Materials