由 Bradley Smith 教授領(lǐng)導的圣母大學的一組研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了一種新技術(shù)，可以通過將現(xiàn)有藥物加載到改性二氧化硅顆粒中來提高現(xiàn)有藥物的有效性，詳見 Nanoscale雜志。圖片來源：Nanoscale，2022 年，DOI：10.1039/D2NR05528G，皇家化學學會

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圣母大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種通過將藥物加載到熱改性二氧化硅顆粒中來提高藥物有效性的低成本方法。改變后的顆粒可以保留化學物質(zhì)并控制它們的釋放速率，從而為改進藥物輸送系統(tǒng)和對生物礦化的新認識提供了途徑。

Nanoscale雜志報道的一項新發(fā)現(xiàn)的技術(shù)提供了一種低成本的方法來增強現(xiàn)有藥物的有效性。

“如果你把沙子加熱到 500 攝氏度，什么都不會改變，”圣母大學 Emil T. Hofman 科學教授 Bradley Smith 說。因此，當在他的實驗室工作的化學與生物化學系的兩名博士生翟燦嘉和卡桑德拉謝弗發(fā)現(xiàn)他們改變了粒子的結(jié)構(gòu)時，同時擔任圣母大學綜合成像設施主任的史密斯感到很困惑。二氧化硅——沙子的主要成分——溫度為 80 攝氏度，類似于一杯咖啡的溫度。

這個發(fā)現(xiàn)是偶然發(fā)生的。這些顆粒在顯微鏡下非常小——只有人類頭發(fā)直徑的千分之一。但就像新衣服包裝上標有“硅膠”的較大顆粒一樣，這些顆粒是多孔的，可以保留化學物質(zhì)。在這種情況下，該化學物質(zhì)是一種用于檢測小鼠腫瘤的藍色染料。

這種在史密斯實驗室開發(fā)的新染料需要很長時間才能進入顆粒的狹窄孔隙。因此，為了讓分子移動得更快，Shaffer 和 Zhai 將混合物加熱到剛好沸騰并放置一整夜。當他們第二天回來時，他們可以看到顆粒變成了藍色。

為了確認染料已完全注入，Shaffer 和 Zhai 尋求了圣母大學綜合成像設施顯微鏡專家 Tatyana Orlova 和 Maksym Zhukovskyi 的幫助。

圖片來源：Nanoscale，2022，DOI：10.1039/D2NR05528G，皇家化學學會

Orlova 和 Zhukovskyi 制作了高分辨率電子顯微鏡圖像，顯示不僅注入了染料，二氧化硅顆粒本身也發(fā)生了形狀變化。最初的粒子是孤立的球體，上面點綴著像??橘子皮一樣的小孔。新結(jié)構(gòu)是球形的，由較小的染料填充球組成。它們到處都有小開口，露出里面的空心。整個裝置就像一個空心的覆盆子。

在最初的發(fā)現(xiàn)令人驚訝之后，出現(xiàn)了一些實際問題。研究人員還可以將哪些其他化學物質(zhì)裝入類似的覆盆子狀顆粒中？而且，最重要的是，這些化學物質(zhì)即使在其周圍結(jié)構(gòu)改變形狀后仍會保持活性嗎？

博士生 Jordan Chasteen 回答了這些問題，并使用抗癌藥物重復了這個過程。經(jīng)過一系列測試，他證實載入顆粒中的抗癌藥物仍然具有活性，能夠殺死癌細胞。

史密斯說，這一發(fā)現(xiàn)為使現(xiàn)有藥物更有效提供了一種新工具。

“我們現(xiàn)在擁有的是一種遍歷整個含胺藥物目錄的方法，通過遵循我們發(fā)現(xiàn)的簡單步驟，我們可以創(chuàng)建現(xiàn)有藥物的新版本，這些藥物可能更有效或副作用更少， “ 他說。

史密斯和他的學生發(fā)現(xiàn)，加載過程中的細微變化使他們能夠改變顆粒的厚度，從而提供了大量新的選擇來微調(diào)顆粒以不同的速率釋放藥物。新粒子的獨特結(jié)構(gòu)還可能使其加載不止一種成分——例如，外層是一種藥物，“覆盆子”內(nèi)部是一種染料——以增強研究人員觀察藥物釋放方式的能力。

此外，史密斯說，這種新粒子還揭示了一種鮮為人知的生物現(xiàn)象，即生物礦化。

“我們發(fā)現(xiàn)含胺藥物具有某些化學特性，可以加速二氧化硅的降解和重整過程，我們認為這與自然界中發(fā)生的事情相似，”他說。史密斯舉了一個例子，硅藻，一種微小的浮游生物，以及它們由二氧化硅形成的精致的玻璃狀外殼。

“這些微生物有一種機制，可以讓它們吸收沙子并將其重塑成它們的殼，”他說。“很明顯，他們使用有機分子在相對較低的溫度下做到了這一點。我們發(fā)現(xiàn)的可能是該過程背后的一些化學反應。”

隨著史密斯和他的實驗室不斷創(chuàng)新，他們從大自然和實驗室的發(fā)現(xiàn)中獲得靈感。“這里的廣泛教訓，”他說，“我們可以在實驗室中發(fā)現(xiàn)自然過程是如何運作的，然后我們可以利用這些知識并模仿這些過程來設計全新的東西。”

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