Hoe liposomen worden geproduceerd en gezuiverd in de nanomedicijnindustrie

Liposomen zijn complexe nanostructuren die veelbelovende toepassingen vinden in de nanomedicijnen, vooral voor de gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen. Het proces van liposoomproductie omvat meerdere fasen die specifiek ontworpen zijn om de deeltjes op de juiste grootte en kwaliteit te brengen, en hun stabiliteit te waarborgen. Microfluidizers, homogenisatie en extrusie zijn enkele van de gangbare technieken die worden toegepast om liposomen op grote schaal en onder steriele omstandigheden te produceren.

Microfluidizers spelen een sleutelrol in de massaproductie van liposomen. Dit apparaat maakt gebruik van een hoge doorstroomsnelheid, druk en temperatuur om liposomen tot een gewenste grootte te verkleinen. Bij het gebruik van deze technologie wordt een fluïde straal onder hoge druk door een opening geperst, waarna de suspensie van liposomen tegen een roestvrijstalen wand botst. Het resultaat is een homogene afmeting van de liposomen. De parameters die tijdens het productieproces van liposomen door een microfluidizer nauwlettend in de gaten moeten worden gehouden, omvatten de druk, de temperatuur en de duur van de medicijnafgifte.

Homogenisatie is een andere veelgebruikte techniek, waarbij liposomen worden verkleind door ze onder hoge druk door een opening te persen, waarna ze tegen een roestvrijstalen wand botsen. Tijdens dit proces spelen verschillende factoren een rol in de uiteindelijke grootte van de liposomen, zoals de duur van de homogenisatie, de druk die wordt toegepast en de temperatuur van het proces. Door meerdere homogenisatiecycli te gebruiken, kunnen liposomen tot de gewenste grootte worden verkleind.

De extrusietechniek gebruikt polycarbonaat membranen met vooraf gedefinieerde poriegroottes. Liposomen worden door deze membranen geperst onder hoge druk en in een inert atmosferisch milieu, zoals stikstof. De poriegrootte bepaalt de uiteindelijke grootte van de liposomen, die kan variëren van 25 nm tot 1000 nm. Dit proces kan bij temperaturen boven de faseovergangstemperatuur (Tc) van lipiden worden uitgevoerd, wat zorgt voor een gecontroleerde productie van liposomen met de juiste eigenschappen.

Daarnaast is het van cruciaal belang om oplosmiddelen te verwijderen die mogelijk de stabiliteit van de liposomen kunnen beïnvloeden. Organische oplosmiddelen worden vaak verwijderd door verdamping onder verlaagde druk met een rotatie-verdampingsapparaat. Aangezien sommige onverzadigde lipiden gevoelig zijn voor oxidatie, wordt het proces uitgevoerd in een inerte omgeving, bijvoorbeeld met behulp van stikstof of argon. Antioxidanten zoals alfa-tocoferol kunnen aan de formuleringen worden toegevoegd om oxidatie te voorkomen.

Sterilisatie is een ander belangrijk aspect van liposoomproductie, aangezien liposomale formuleringen vaak via parenterale routes worden toegediend. Het is noodzakelijk dat de formuleringen vrij zijn van levensvatbare micro-organismen, zoals bacteriën, schimmels en sporen. Er zijn verschillende sterilisatietechnieken beschikbaar, zoals stoomverhitting (autoclaveren), ultraviolet- en gamma-irradiatie, chemische sterilisatie en filtratiemethoden. Het is echter belangrijk om te beseffen dat sommige van deze technieken, zoals autoclaving, de fysisch-chemische eigenschappen van liposomen kunnen veranderen door de hoge temperaturen, wat kan leiden tot agglomeratie, degradatie, hydrolyse en oxidatie. Daarom moeten deze technieken zorgvuldig worden gekozen, afhankelijk van de aard van de liposomen en de stabiliteit van het geneesmiddel.

Aseptische productie is een andere benadering die een steriele omgeving vereist van begin tot eind. Alle apparatuur moet gedesinfecteerd worden en het proces moet zich in een gecontroleerde, steriele ruimte bevinden. Het gebruik van superkritisch kooldioxide (SC-CO2) technologie heeft recent aandacht gekregen als een mogelijke oplossing voor sterilisatie van liposomale formuleringen. Dit biedt een enkele sterilisatiestap zonder de liposomen fysiek te beschadigen, hoewel verdere optimalisatie nodig is.

Naast de technieken die de grootte en zuiverheid van liposomen beïnvloeden, is het essentieel om de stabiliteit van het eindproduct te waarborgen door constante controle op de omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur en licht, en door het gebruik van stabilisatoren en antioxidanten. Het is eveneens belangrijk om de apparatuur regelmatig te controleren en te kalibreren om consistentie en hoge kwaliteit te garanderen in het productieproces van nanomedicijnen.

Wat zijn de grootste uitdagingen bij de commerciële vertaling van nanogeneesmiddelen?

De ontwikkeling van nanogeneesmiddelen bevindt zich momenteel op een belangrijk keerpunt. De opkomst van nieuwe technologieën, zoals mRNA-vaccins en nanodeeltjes, heeft de medische wetenschap aanzienlijke vooruitgangen geboekt. Het succes van mRNA-vaccins tegen COVID-19 is bijvoorbeeld een voorbeeld van hoe decennia van fundamenteel onderzoek en investeringen in nanotechnologie nu vruchten afwerpen. Toch blijft er een kloof bestaan tussen de fundamentele wetenschappen en de klinische toepassingen van nanogeneesmiddelen, wat het noodzakelijk maakt om zowel wetenschappelijke als commerciële inspanningen te intensiveren.

De uitdaging die de vertaling van nanogeneesmiddelen van laboratoriumonderzoek naar klinische toepassingen bemoeilijkt, is aanzienlijk. Hoewel er vooruitgang is geboekt, zijn er nog steeds talrijke obstakels die moeten worden overwonnen. Deze obstakels zijn te vinden in de productie, de preklinische studies, de regelgeving, de eigendomsrechten en de overheidsvoorschriften. Het is essentieel om deze problemen te adresseren om een succesvolle vertaling en commercialisering van nanogeneesmiddelen mogelijk te maken.

In de eerste plaats zijn er aanzienlijke uitdagingen in de productie van nanogeneesmiddelen. Het beheersen van de productieparameters, zoals de grootte en stabiliteit van de nanodeeltjes, blijft een probleem. Nanodeeltjes moeten consistent worden geproduceerd, wat moeilijk te realiseren is zonder een geavanceerde infrastructuur die vaak ook kostbaar is. Dit vereist gespecialiseerde apparatuur en een goed opgeleide werkkracht, die moeilijk te vinden is. Bovendien is het een uitdaging om de productie op grote schaal te schalen zonder dat er variabiliteit optreedt tussen verschillende productiebatches. Het voldoen aan de eisen van Good Manufacturing Practices (GMP) is essentieel, maar tegelijkertijd moeilijk te waarborgen. Dit zijn factoren die zowel de kostprijs verhogen als de tijdsduur van de ontwikkeling verlengen.

Een ander belangrijk aspect is de karakterisering van nanomaterialen. De nauwkeurige karakterisering van nanodeeltjes, zoals het bepalen van de grootteverdeling, de massa en de stabiliteit, is van cruciaal belang voor het succes van de behandeling. De complexiteit van deze materialen betekent dat zelfs kleine variaties in hun samenstelling of structuur aanzienlijke invloed kunnen hebben op hun werking. Bovendien is de technologie om dergelijke karakteriseringen nauwkeurig uit te voeren vaak moeilijk toegankelijk en kostbaar.

Preklinisch onderzoek vormt de volgende grote uitdaging. De huidige preklinische modellen, hoewel waardevol, zijn vaak niet in staat om menselijke ziekteomstandigheden nauwkeurig na te bootsen. Dit leidt tot inconsistente en onbetrouwbare onderzoeksresultaten, wat de ontwikkeling van nieuwe therapieën vertraagt. De beperkte kennis over het gedrag van nanomaterialen in levende systemen draagt ook bij aan deze moeilijkheden. Aangezien nanodeeltjes op nanoschaal unieke interacties kunnen hebben met biologische systemen, zijn de huidige modellen niet altijd representatief voor hoe deze deeltjes zich in het menselijk lichaam gedragen.

Wat betreft de regelgeving spelen overheidsinstellingen en wetgevende normen een cruciale rol. De regelgeving rondom nanogeneesmiddelen is vaak onduidelijk en varieert van land tot land, wat de globale verspreiding bemoeilijkt. Daarnaast blijven patenten en intellectuele eigendom een belangrijk juridisch vraagstuk. Innovators in de nanogeneeskunde moeten niet alleen zorgen voor de bescherming van hun producten, maar ook navigeren door een complex juridisch landschap.

Het is belangrijk te begrijpen dat de opkomst van nanogeneesmiddelen gepaard gaat met een lange weg van wetenschappelijke en technologische vooruitgang, evenals de erkenning van de inherente risico's en kosten. De vooruitgang op dit gebied biedt enorme kansen, maar het succes ervan is afhankelijk van het vermogen om zowel de wetenschappelijke als de commerciële obstakels effectief te overwinnen. Door de samenwerking tussen fundamenteel onderzoek en klinische toepassingen te versterken, kunnen we de voordelen van nanogeneesmiddelen ten volle benutten en bijdragen aan de verbetering van de patiëntenzorg wereldwijd.

Wat is de invloed van eiwit-nanodeeltjes op celgroei en -levensvatbaarheid?

De 30K-eiwitfamilie, afgeleid van de hemolymfe van de zijderups (Bombyx mori), bevat eiwitten zoals 30Kc6, 30Kc12, 30Kc19, 30Kc21 en 30Kc23, die bekend staan om hun structurele gelijkenis en biomedische toepassingen. Het 30Kc19-eiwit, dat behoort tot deze familie, heeft een molecuulgewicht van ongeveer 30 kDa en speelt een cruciale rol in de groei en levensvatbaarheid van cellen. Studies hebben aangetoond dat het 30Kc19-eiwit een enzymstabiliserend effect heeft, wat het nuttig maakt in biomedische toepassingen zoals genoverdracht en drug delivery. Het gebruik van dit eiwit in nanopartikelvorm heeft de interesse gewekt door zijn stabiliteit en potentieel voor celpenetratie.

Nanodeeltjes gemaakt van 30Kc19 vertonen een hoge stabiliteit, vooral wanneer ze worden bewaard onder neutrale pH-omstandigheden. Het 30Kc19-eiwit, met zijn α-helixdomein aan de N-terminale zijde en 12 β-strengen aan de C-terminale zijde, heeft aangetoond dat het een cel-penetrerende eigenschap bezit, wat betekent dat het gemakkelijk cellen kan binnenkomen. Dit maakt het bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij de levering van eiwitten of geneesmiddelen naar specifieke cellen essentieel is. In vergelijking met andere nanopartikels vertonen 30Kc19-nanodeeltjes een hogere cellulaire opname, met name in menselijke fibroblasten.

Wanneer 30Kc19 wordt gebruikt in de vorm van nanodeeltjes, verkregen via de desolvatiemethode, blijkt dat de deeltjes bij hoge pH-waarden een kleiner formaat aannemen. Dit resulteert in een betere stabiliteit en hogere effectiviteit bij lage concentraties van het eiwit, wat belangrijk is voor toepassingen waarbij lage doseringen wenselijk zijn. De α-helixdomeinen van 30Kc19 zijn verantwoordelijk voor dit enzymstabiliserende effect, wat bijdraagt aan de effectiviteit van de deeltjes bij het stabiliseren van andere eiwitten of bioactieve stoffen die ze transporteren.

Nanodeeltjes van 30Kc19 vertonen ook veelbelovende eigenschappen op het gebied van biocompatibiliteit en lage immunogeniciteit. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in medicijnen en behandelingsmethoden waarbij de immuunrespons van het lichaam minimaal moet zijn. De biocompatibiliteit van 30Kc19-nanodeeltjes komt vooral tot uiting in hun vermogen om langere tijd in het lichaam aanwezig te blijven zonder dat ze toxische effecten veroorzaken. Dit, gecombineerd met hun afbreekbaarheid in het lichaam, maakt ze tot een veelbelovende kandidaat voor verschillende farmacologische toepassingen.

Bij de toepassing van eiwit-nanodeeltjes, zoals die afgeleid van 30Kc19, zijn er echter enkele uitdagingen die moeten worden overwonnen. Ondanks hun potentieel voor een verbeterde celpenetratie en stabiliteit, is het moeilijk om de optimale grootte van de nanodeeltjes te bereiken. Te grote deeltjes kunnen het transport door celmembranen belemmeren, terwijl te kleine deeltjes mogelijk niet voldoende biomoleculen kunnen stabiliseren of transporteren. Er is daarom veel onderzoek nodig om de ideale grootte en concentratie van 30Kc19-nanodeeltjes te bepalen voor verschillende therapeutische toepassingen.

Het gebruik van eiwit-nanodeeltjes, zoals die op basis van 30Kc19, is niet beperkt tot slechts één therapeutisch gebied. De veelzijdigheid van deze deeltjes opent de deur naar toepassingen in gentherapie, kankerbehandeling, en andere gebieden van de geneeskunde waar gecontroleerde aflevering van geneesmiddelen en eiwitten essentieel is. Bovendien kan de afbreekbaarheid van deze deeltjes in het lichaam hen tot een veilige optie maken voor langdurig gebruik zonder dat er schadelijke ophopingen optreden.

Toch moeten de potentiële nadelen van deze technologie goed worden begrepen. De productie van eiwit-nanodeeltjes kan complex zijn, en de kosten voor het vervaardigen van dergelijke deeltjes kunnen hoog zijn, vooral wanneer de eiwitten zoals 30Kc19 in grote hoeveelheden moeten worden geproduceerd. Bovendien is het belangrijk om de stabiliteit van de deeltjes over langere tijd te waarborgen, vooral wanneer ze onder verschillende omstandigheden zoals temperatuur- of pH-variaties worden opgeslagen.

Naast de bovenstaande eigenschappen van eiwit-nanodeeltjes, zoals stabiliteit, biocompatibiliteit en celpenetratie, is het essentieel te begrijpen dat de werkingsmechanismen van deze deeltjes sterk afhankelijk zijn van hun fysische en chemische eigenschappen, zoals grootte, lading en oplosbaarheid. Een zorgvuldige controle van deze parameters is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de nanodeeltjes effectief en veilig kunnen worden ingezet in therapeutische toepassingen.

Waarom is de vertaling van nanomedicijnen van preklinisch onderzoek naar klinische toepassing zo uitdagend?

De unieke farmacokinetische eigenschappen van nanomedicijnen, zoals hun weefseldistributie, accumulatie op doellocaties en afgiftekinetiek, onderscheiden ze fundamenteel van conventionele geneesmiddelen. Deze eigenschappen leiden ertoe dat nanomedicijnen zich anders gedragen in diermodellen dan in mensen, wat een belangrijke oorzaak is van het moeizame vertaalproces naar klinische toepassingen. Bovendien beïnvloedt de vorming van een eiwitcorona op de nanodeeltjes, veroorzaakt door hun grootte, vorm en oppervlakte-eigenschappen, hun biomedische prestaties. Deze corona kan de klaring van de nanodeeltjes versnellen of hun opstapeling in organen zoals de milt en lever bevorderen, waardoor de specifieke targeting verloren gaat. Daarom is het essentieel om de distributie van nanomedicijnen niet alleen op weefselniveau maar ook op cellulair niveau nauwkeurig te bestuderen. Het begrijpen van de relatie tussen de eigenschappen van het afleveringssysteem en het in vivo gedrag in diermodellen versus mensen is cruciaal voor een succesvolle vertaling.

De preklinische onderzoekspraktijk kampt met een sterke focus op positieve en opvallende resultaten, wat de reproducerbaarheid van onderzoeken ondermijnt. Dit leidt tot verhoogde ontwikkelingskosten, vertragingen en afnemend vertrouwen bij investeerders en industrie. Tegelijkertijd bestaat er een zekere mate van scepsis ten aanzien van academisch onderzoek, wat de bereidheid van farmaceutische bedrijven om te investeren in nanomedicijnen vanuit de academie belemmert.

Een ander fundamenteel probleem is het ontbreken van geharmoniseerde standaarden en methodologieën, wat de vergelijking van resultaten tussen studies bemoeilijkt. Zonder uniforme protocollen is het lastig om de validiteit van bevindingen te beoordelen en de reproduceerbaarheid te waarborgen.

Daarnaast vertegenwoordigen diermodellen slechts een beperkte spiegel van menselijke pathologie. De ethische en economische beperkingen, gecombineerd met genetische verschillen, maken het lastig om diermodellen te ontwikkelen die de complexiteit van menselijke tumoren adequaat weergeven. Tumoren bij knaagdieren, vaak geïnduceerd met grote hoeveelheden humane tumorcellen, verschillen wezenlijk in grootte en fysiologie van menselijke tumoren. Dit beperkt de voorspellende waarde van deze modellen voor klinische uitkomsten.

Om de kans op succesvolle klinische vertaling te vergroten, moeten nanomedicijnen een overtuigend bewijs van concept en effectiviteit leveren in meerdere preklinische modellen die nauw aansluiten bij menselijke pathologie. Rigoureuze en uitgebreide preklinische tests zijn noodzakelijk, waarbij rekening wordt gehouden met de variabiliteit in ziektepathofysiologie en patiëntkenmerken. Betrouwbare in vitro modellen die menselijke orgaansystemen nabootsen, kunnen daarbij waardevolle aanvullende inzichten geven. Preklinische studies moeten ontworpen zijn met voldoende steekproefgrootte, adequate controles en idealiter blinded en gerandomiseerd, om bias te minimaliseren.

De farmacokinetiek en weefseldistributie van nanomedicijnen zijn essentieel voor het voorspellen van hun veiligheid en werkzaamheid in mensen. De specifieke fysisch-chemische eigenschappen zoals deeltjesgrootte, oppervlaktecharge en functionalisatie bepalen in belangrijke mate de interactie met biologische barrières, de accumulatie op doelweefsels en de distributie naar niet-doelorganen. Deze aspecten moeten diepgaand onderzocht worden op weefsel- en cellulair niveau.

Het tegengaan van bias in preklinisch onderzoek door blinding en randomisatie verhoogt de betrouwbaarheid van bevindingen en daarmee de voorspellende waarde voor klinische studies. Bovendien kunnen samenwerking tussen academie en industrie, uitwisseling van beste praktijken en investering in training van onderzoekers de kwaliteit van nanomedicijnonderzoek aanzienlijk verbeteren.

Naast deze wetenschappelijke en technische uitdagingen is het van belang om de economische en regelgevende context mee te wegen. De kosten van irreproduceerbaar onderzoek en vertraagde ontwikkeling beïnvloeden de beschikbaarheid van financiering en de bereidheid tot investeringen. Transparantie en openheid in onderzoeksdata, gecombineerd met gestandaardiseerde methoden, vormen de sleutel om het vertrouwen in nanomedicijnonderzoek te herstellen en versneld klinische toepassingen mogelijk te maken.