Forskare har utvecklat ett material som kan känna av små förändringar i kroppen, till exempel vid ett artritanfall, och frisätta läkemedel exakt där och när de behövs.
Det mjuka materialet kan fyllas med antiinflammatoriska läkemedel som frisätts som svar på små förändringar i kroppens pH-värde. Vid ett artritanfall blir en led inflammerad och något surare än den omgivande vävnaden.
Materialet, som har utvecklats av forskare vid University of Cambridge, har utformats för att reagera på denna naturliga förändring i pH-värdet. När surhetsgraden ökar blir materialet mjukare och mer geléliknande, vilket utlöser frisättningen av läkemedelsmolekyler som kan kapslas in i dess struktur. Eftersom materialet är utformat för att reagera endast inom ett snävt pH-intervall, säger teamet att läkemedel kan frisättas precis där och när de behövs, vilket potentiellt kan minska biverkningarna.
Om detta tillvägagångssätt används som artificiell brosk i artritiska leder skulle det kunna möjliggöra kontinuerlig behandling av artrit och förbättra läkemedlens effektivitet när det gäller att lindra smärta och bekämpa inflammation. Artrit drabbar mer än 10 miljoner människor i Storbritannien och kostar NHS uppskattningsvis 10,2 miljarder pund per år. Globalt uppskattas artrit drabba över 600 miljoner människor.
Även om omfattande kliniska prövningar krävs innan materialet kan användas på patienter, säger forskarna att deras metod kan förbättra resultaten för personer med artrit och för personer med andra sjukdomar, inklusive cancer. Deras resultat redovisas i Journal of the American Chemical Society.
Materialet som utvecklats av teamet i Cambridge använder specialkonstruerade och reversibla tvärbindningar inom ett polymernätverk. Känsligheten hos dessa bindningar för förändringar i surhetsgraden ger materialet mycket responsiva mekaniska egenskaper.
Materialet har utvecklats av professor Oren Schermans forskargrupp vid Yusuf Hamied Department of Chemistry i Cambridge. Gruppen är specialiserad på att designa och tillverka dessa unika material för en rad potentiella tillämpningar.
”Vi har länge varit intresserade av att använda dessa material i leder, eftersom deras egenskaper kan efterlikna broskets”, säger Scherman, som är professor i supramolekylär och polymerkemi och direktör för Melville Laboratory for Polymer Synthesis. ”Men att kombinera det med mycket målinriktad läkemedelstillförsel är en riktigt spännande möjlighet.”
”Dessa material kan ’känna av’ när något är fel i kroppen och reagera genom att leverera behandling precis där den behövs”, säger försteförfattaren Dr Stephen O’Neill. ”Detta skulle kunna minska behovet av upprepade doser av läkemedel och samtidigt förbättra patientens livskvalitet.”
Till skillnad från många läkemedelstillförselsystem som kräver externa triggers såsom värme eller ljus, drivs detta av kroppens egen kemi. Forskarna säger att detta kan bana väg för mer långvariga, riktade artritbehandlingar som automatiskt reagerar på uppblossande symtom, vilket ökar effektiviteten och samtidigt minskar skadliga biverkningar.
I laboratorietester laddade forskarna materialet med ett fluorescerande färgämne för att efterlikna hur ett riktigt läkemedel skulle kunna bete sig. De fann att vid syranivåer som är typiska för en artritisk led frigjorde materialet betydligt mer läkemedel jämfört med normala, hälsosamma pH-nivåer.
”Genom att justera kemin i dessa geler kan vi göra dem mycket känsliga för de subtila förändringar i surhetsgrad som uppstår i inflammerad vävnad”, säger medförfattaren Dr Jade McCune. ”Det innebär att läkemedlen frigörs när och där de behövs mest.”
Forskarna säger att metoden kan anpassas till en rad olika medicinska tillstånd genom att finjustera materialets kemi.
”Det är en mycket flexibel metod, så vi skulle i teorin kunna kombinera både snabbverkande och långsamt verkande läkemedel och få en enda behandling som varar i dagar, veckor eller till och med månader”, säger O’Neill.
Teamets nästa steg kommer att innebära att testa materialen i levande system för att utvärdera deras prestanda och säkerhet i en fysiologisk miljö. Teamet säger att om det lyckas kan deras metod öppna dörren till en ny generation av responsiva biomaterial som kan behandla kroniska sjukdomar med större precision.
Mer information: Kinetic locking of pH-sensitive complexes for mechanically responsive polymer networks, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c09897
