Pausar la simetría de los cristales de la naturaleza para avanzar en la administración de medicamentos dirigidos

Al agregar más "cerdas" de polímero a los polímeros de los cepillos para botellas (izquierda), los investigadores han descubierto una forma de iniciar y pausar el autoensamblaje de los cristales a partir de la solución. Los cristales podrían usarse algún día para encapsular medicamentos para terapias farmacológicas dirigidas.

Desde copos de nieve hasta cuarzo, las estructuras cristalinas de la naturaleza se forman con una simetría sistémica confiable. Investigadores de la Universidad de Drexel, que estudian la formación de materiales cristalinos, han demostrado que ahora es posible controlar cómo crecen los cristales, lo que incluye interrumpir el crecimiento simétrico de los cristales planos e inducirlos a formar esferas de cristal huecas. El descubrimiento es parte de un esfuerzo de diseño más amplio centrado en la encapsulación de medicamentos para tratamientos farmacológicos dirigidos.

El nuevo desarrollo, publicado recientemente en la revista científica Nature Communications, fue dirigido porChristopher Li, PhD , profesor de la Facultad de Ingeniería de Drexel cuya investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales se ha centrado en la ingeniería de estructuras poliméricas para aplicaciones especiales, en colaboración con Bin Zhao, PhD, profesor del Departamento de Química de la Universidad de Tennessee, Knoxville. Su trabajo muestra cómo estas estructuras, como las esferas de cristal de polímero, pueden formarse simplemente mezclando productos químicos en una solución, en lugar de manipular físicamente su crecimiento.

"La mayoría de los cristales crecen en un patrón regular, si piensas en los copos de nieve, hay una simetría de traslación que guía a la celda unitaria que se repite a lo largo de la escama cristalina. Lo que hemos descubierto es una forma de manipular químicamente la estructura macromolecular para que esta simetría de traslación se rompe cuando la molécula cristaliza", dijo Li. "Esto significa que podemos controlar la forma general del cristal a medida que se forma, lo cual es un desarrollo muy emocionante, tanto por su importancia científica como por las implicaciones que podría tener para la producción en masa de terapias dirigidas".

La técnica que utiliza Li para obligar a lo que normalmente sería un cristal en forma de escamas a convertirse en una esfera se basa en su trabajo anterior con polímeros que parecen cepillos y cristales de polímero formados a partir de gotas de emulsión. La incorporación de estos polímeros flexibles de "cepillo de botella" como sistema estructural del cristal permite a Li dar forma a su crecimiento ajustando las "cerdas" del cepillo.

"Un polímero de cepillo de botella tiene cerdas de revestimiento que rodean una columna, lo que descubrimos es que podemos hacer que esa columna se doble al cristalizarse colocando cerdas en un lado", dijo Li. "Esto establece el patrón que se repite a medida que crece el cristal, por lo que en lugar de aplanarse, se curva tridimensionalmente para formar una esfera".

Esto significa que la cantidad de polímeros de cerdas en la solución determinará cuánto se dobla el lomo del cepillo para biberones y, por lo tanto, la forma y el tamaño de la bola de cristal.

El equipo de Li también informa sobre cómo pausar la formación del cristal, dejando agujeros en la esfera que podrían ser útiles para insertar una carga útil medicinal durante el proceso de fabricación. Una vez lleno, se puede cerrar con polímeros adaptados para ayudar a dirigirlo a su objetivo en el cuerpo.

"Hemos estado trabajando para lograr este logro durante algún tiempo", dijo Li. "Esta cristalografía esférica se manifiesta en estructuras robustas que vemos en la naturaleza, desde cáscaras de huevo hasta cápsides de virus, por lo que creemos que es la forma ideal para sobrevivir a los rigores de la administración de medicamentos en el cuerpo. Poder controlar las propiedades del cristal como se forma es un paso importante hacia la realización de esta aplicación".

Lea el documento completo aquí: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.

Además de Li y Zhao, Hao Qi, PhD; Xiting Liu de Drexel y Daniel M. Henn, PhD, de la Universidad de Tennessee, son coautores de este trabajo. Shan Mei, PhD; y Mark C. Staub, de Drexel, también participaron de esta investigación.

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