自然の結晶の対称性を一時停止して、標的を絞った医薬品の送達を促進する

研究者らは、ボトルブラシポリマー (左) にポリマーの「毛」をさらに追加することで、溶液からの結晶の自己集合を開始および停止する方法を発見しました。 この結晶は、いつか標的薬物療法用の薬剤をカプセル化するために使用される可能性がある。

雪の結晶から石英に至るまで、自然の結晶構造は信頼性の高い体系的な対称性を持って形成されます。 結晶材料の形成を研究しているドレクセル大学の研究者らは、平らな結晶の対称的な成長を中断し、中空の結晶球の形成を誘導するなど、結晶の成長方法を制御することが可能になったことを示した。 この発見は、標的薬物治療のための薬剤のカプセル化に焦点を当てた広範な設計活動の一環である。

最近科学誌ネイチャー・コミュニケーションズで報告されたこの新たな開発は、クリストファー・リー博士ドレクセル大学工学部の教授であり、材料科学工学科では、テネシー大学ノックスビル校化学学部の教授である Bin Zhao 博士と共同で、特殊用途向けのポリマー構造のエンジニアリングを中心に研究を行っています。 彼らの研究は、ポリマー結晶球のようなこれらの構造が、物理的に成長を操作するのではなく、単に溶液中で化学物質を混合するだけでどのように形成できるかを示しています。

「ほとんどの結晶は規則的なパターンで成長します。雪の結晶について考えてみると、結晶フレーク全体で繰り返される単位胞を導く並進対称性があります。私たちが発見したのは、この並進対称性が保たれるように高分子構造を化学的に操作する方法です。分子が結晶化すると壊れます」とリー氏は語った。 「これは、結晶が形成される際の全体的な形状を制御できることを意味します。これは、その科学的意義と標的治療の大量生産に与える影響の両方の点で、非常に興味深い開発です。」

通常はフレーク状の結晶であるものを強制的に球体に引き上げるためにリーが使用した技術は、ブラシのように見えるポリマーやエマルジョン液滴から形成されたポリマー結晶を用いた以前の作品に基づいています。 これらの柔軟な「ボトルブラシ」ポリマーを結晶の構造システムとして組み込むことで、Li はブラシの「毛」を調整することで結晶の成長を形作ることができます。

「ボトルブラシポリマーには背骨の周りに毛が並んでいます。私たちが発見したのは、その片側に毛を詰めることで、結晶化の際に背骨を曲げることができるということです」とリー氏は語った。 「これにより、結晶が成長するにつれて繰り返されるパターンが設定されます。そのため、結晶は平らに成長するのではなく、三次元的に湾曲して球体を形成します。」

これは、溶液中の毛ポリマーの量がボトルブラシの背骨の曲がり具合、ひいては水晶玉の形状とサイズを決定することを意味します。

リー氏のチームはまた、結晶の形成を一時停止して、製造プロセス中に医薬品のペイロードを挿入するのに役立つ可能性のある穴を球体に残す方法についても報告している。 充填後は、体内の標的に向けて誘導できるように調整されたポリマーで閉じることができます。

「私たちはしばらくの間、この達成に向けて取り組んできました」とリー氏は語った。 「この球状の結晶学は、卵の殻からウイルスのカプシドに至るまで、自然界で見られる堅牢な構造として現れているため、体内に薬剤を投与する過酷な環境に耐えるのに理想的な形態であると考えています。結晶の特性を制御できることにより、それが形成されることは、このアプリケーションを実現するための重要なステップです。」

論文全文はこちらからお読みください: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5

この研究は国立科学財団から資金提供を受けました。

Li と Zhao に加えて、Hao Qi 博士。 Drexel の Xiting Liu とテネシー大学の Daniel M. Henn 博士は、この研究の共同筆頭著者です。 シャン・メイ博士。 Drexel の Mark C. Staub 氏もこの研究に参加しました。

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