Nanosponsje kan veel gifstoffen neutraliseren en/of absorberen (afb: Zhang Lab)

Het lichaam, dat conglomeraat van biljoenen cellen zit over het algemeen goed in elkaar. Het heeft een vernuftig afweersysteem, maar dat is niet onfeilbaar. Er wordt op grote schaal onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van nanodeeltjes, al of niet vermomd als cellen, om als ‘hulp in de huishouding’ allerlei hand- en spandiensten te laten doen in het lichaam waar dat het even laat afweten. Dat kan zijn als bezorger van medicijnen te bestemder plek, maar ook om gif te verwijderen of om beschadigd weefsel te herstellen.
Nanotechnoloog Liangfang Zhang van de universiteit van Californië in San Diego had ideeën om nanodeeltjes te gebruiken voor medische toepassingen, maar de Amerikaanse overheid  zag er niets en en weigerde zijn onderzoek te financieren. Hij schraapte geld bij elkaar deed zijn proeven en publiceerde in 2011 een artikel in het bekende tijdschrift van de Amerikaanse academie van wetenschappen (PNAS) dat enig opzien baarde.
Hij zou een nieuwe klasse van nanodeeltjes hebben gecreëerd, gemaakt van koolstof bevattende polymeren die bij muizen geen afweerreacties opriepen. Dat is natuurlijk een eerste vereiste als je die nanodeeltjes wilt gebruiken in een lichaam om, bijvoorbeeld, medicijnen af te leveren. Dan moet het afweersysteem niet gaan dwarsliggen.
Overigens waren de deeltjes van Zhang niet bedoeld als medicijnbezorgers, maar als sponsjes die gifstoffen konden traceren en verwijderen.
In labproeven bleken de sponsjes te werken tegen gif dat wordt afgegeven door sommige bacteriën (onder meer E. coli). Ook bleken de nanosponjes een verzachtende werking te hebben bij muisjes met een vorm van reuma en ze verleidden zika- en hi-virussen om hun pijlen op de sponsjes te richten in plaats van cellen, zo meldden de onderzoekers vorig jaar.

Vermomming

De sponsjes, die nog niet op mensen zijn uitgeprobeerd, zijn onzichtbaar voor het afweersysteem omdat ze omhuld zijn met celmembranen. Die ‘vermomming’ zorgt er ook voor dat allerlei ongerief de nanosponsjes ‘ziet’ als cellen en ze dienovereenkomstig behandelen. Dat biedt het sponsje de mogelijkheid het gevaar te neutraliseren. Een enkel nanosponsje kan een hoop ‘onruststokers’ onschadelijk maken zonder dat het allerlei ingewikkelde informatiesystemen nodig heeft.
Gifstoffen die het hebben voorzien op rode bloedlichaampjes, bijvoorbeeld, hechten zich aan de sponsjes die voorzien zijn van een membraan van een rode bloedcel. Inmiddels is er door Zhang en de zijnen maar ook door andere onderzoekers een arsenaal aan nanosponsjes ontwikkeld met membranen van rode en witte bloedlichaampjes, die elk een reeks gifstoffen absorbeert.

Toen Zhang meer dan tien jaar geleden bij het befaamde MIT in Cambridge (VS) werkte als postdoc ging het bij het onderzoek aan nanodeeltjes voor medisch gebruik vooral om medicijnafgifte. Inmiddels zijn er dergelijke systemen ontwikkeld voor de behandeling van kanker, hemofilie, multiple sclerose en andere ziektes
Hoewel nanodeeltjes, zoals de naam al aangeeft, klein zijn kan een enkel deeltje duizenden moleculen van een medicijn bevatten. Om dat ter plekke af te kunnen leveren moeten de deeltjes vermomd zijn om niet aangevallen te worden door het afweersysteem. Onderzoekers dachten zo’n ideale vermomming gevonden te hebben in polyetheenglycol (PEG). Het afweersysteem zou zo’n deeltje zien als water.
Dat bleek een misvatting. Het lichaam bleek antilichamen tegen PEG aan te maken. Dat betekent als dat lichaam weer met PEG wordt geconfronteerd dat tot een afweerreactie leidt. De truc om nanodeeltjes te voorzien van een eiwit dat het signaal aan het afweersysteem geeft niet aan te vallen bleek ook niet te werken. Dat bracht Zhang op het idee: “Waarom niet ze vermommen als deeltjes die zich al in het lichaam bevinden?”
Zhang is een ingenieur en geen bioloog. Hij vroeg zich niet af hoe dat zou kunnen werken. Hij dacht er alleen maar aan om het uit te proberen en dan misschien later eens te gaan uitzoeken hoe dat in zijn werk gaat.

Nachtmerrie

Dat ging niet van een leien dakje. De eerste proeven waren een nachtmerrie. “Het lab was net opgezet. We hadden weinig fondsen”, herinnert Che-Ming Hu zich, een van Zhangs eerste medewerkers zich. Ze konden zich zelfs geen proefdieren veroorloven dus schooiden ze bij collega’s om bloed van muisjes, maar uiteindelijk slaagden ze er in rode bloedcellen van hun membranen te ontdoen. Met een membraan konden ze duizenden nanodeeltjes van hun vermomming voorzien.
Ook elders werd de truc toegepast, maar dan met membranen van afweercellen (witte bloedlichaampjes). “In het onderzoekveld werden we voor gek versleten”, zegt Ennio Tasciotti van het Methodistische onderzoekinstituut in Houston. Witte bloedlichaampjes verplaatsen zich via de bloedbanen, maar moeten ook daarbuiten aan het werk. Vandaar dat ze zich via de bloedvatwanden naar de aangedane lichaamsdelen kunnen begeven.
Die afweercelachtige deeltjes bleken niet te worden aangevallen door macrofagen, die ziekteverwekkende organismen verslinden. De nanodeeltjes zijn veel kleiner dan de afweercellen en kunnen ook door de bloedvatwanden glippen om hun lading op de juiste plek af te kunnen geven. De onderzoekers gebruikten die als witte bloedlichaampjes vermomde nanodeeltjes om kankermedicijn af te leveren.

Tasciotti en zijn ploeg zijn sedertdien van synthetische nanodeeltjes overgegaan op natuurlijke: de membranen van vetcellen. Die voorziet hij dan kennelijk weer van stukjes afweercelmembraan (hij noemt ze leukosomen). Met deze ‘natuurlijke’ deeltjes denkt de onderzoeker sneller toestemming te krijgen van de Amerikaanse gezondheidsautoriteiten om die nanodeeltjes te gebruiken bij (menselijke) patiënten.
Zelfs als die leukosomen geen medicijnen bevatten, dan kunnen ze volgens de onderzoeker leuke dingen doen. In 2017 meldde hij dat die lege leukosomen werkzaam waren tegen ontstekingen en hielpen bij het herstel van beschadigd weefsel in het maagdarmkanaal van muisjes die een vorm van darmontsteking hadden.

Antibioticaresistentie

In 2011 ging het er naar uit zien dat steeds meer bacteriën ongevoelig werden voor antibiotica. Hu en Zhang leerden toen dat er gifstoffen waren die gaten in celmembranen maken. Die kleine eiwitten die veel ziekteverwekkende bacteriën aanmaken doorboren het celmembraan en doden daarmee de cellen.

Als afweercellen vermomde nanodeeltjes (kleine gele stippen) en afweercellen op een aangetaste rode bloedcel (afb: Taciotti Lab)

Zhang en Hu wilden het groots aanpakken. Zij wilden niet voor elk eiwit een verdediging verzinnen, maar het hele boeltje in een keer ‘inpakken’. Het idee van Hu en Zhang was om als het vermomde rood bloedlichaampje die giftige eiwitten die het voorzien hebben op die bloedcellen aan te laten pakken. Die eiwitten raken beschadigd bij hun pogingen die ‘cel’ binnen te dringen en worden onfunctioneel. De restanten van het voormalige gif worden verder in de lever afgebroken, is het idee.
De onderzoekers vaccineerden muisjes met de nepbloedlichaampjes. Die bleken de beestjes te beschermen tegen de gifstoffen die bacteriën produceren, slangen en bijen zo meldden de onderzoekers in 2013.
Sindsdien hebben de onderzoekers het aantal vermommingen uitgebreid tot macrofagen, neutrofielen en T-cellen (alle afweercellen oftewel witte bloedlichaampjes). In 2017 maakten ze met als macrofagen vermomde nanodeeltjes bij muisjes een bacteriebesmetting onschadelijk die had kunnen leiden tot een bloedvergiftiging (sepsis), jaarlijks de doodsoorzaak van zes miljoen mensen.
In september vorig jaar konden de onderzoekers melden dat neutrofiele nanosponsjes gifstoffen absorberen die reuma veroorzaken en in november dat nanosponsjes met T-celmembraan er in slaagden om hi-virussen te misleiden. “Het is een heel veelzijdige aanpak”, zegt Ankur Singh van de Cornell-universiteit die niet dat dat onderzoek betrokken is geweest. “Je hoeft niet elke keer iets nieuws te bedenken. Je neemt een, goedgekeurd, nanodeeltje en bekleedt dat met het membraan van een cel naar keus.”

De lijst van doelen voor de nanosponsjes die is getest in cel- en proefdierstudies is inmiddels vrij uitgebreid: bacteriële infecties, virusbesmettingen, autoimmuunziektes, slangengif en gif van andere dieren. Singh stelt echter dat we voorzichtig moeten zijn. Zo bevatten de membranen van neutrofielen zogeheten autoantigenen, stoffen die een afweerreactie uitlokken. Dat soort membranen kun je dus maar beter niet gebruiken om niet van de regen in de drup terecht te komen.
Inmiddels hoopt Cellics Therapeutics, een bedrijf waar Zhang mede aan de basis heeft gestaan, klinische proeven te kunnen beginnen met nanosponsjes met rodecelmembranen. Dan hebben we het over het bestrijden van bloedvergiftiging, longontsteking en nog een tiental ziektes. De vraag is alleen of de Amerikaanse autoriteiten daar toestemming voor geven. De combinatie van synthetisch en natuurlijk lijkt het probleem te zijn.
Hu heeft tegenwoordig zijn eigen nanolab in Taiwan, waar hij voortbouwt aan hete nanosponsimperium. Zo maakte zijn nieuwe onderzoeksgroep als rode bloedlichaampjes vermomde nanosponsjes die griepvirussen moeten aanpakken.

Bron: Science News