Ionotropic Gelation Synthesis of Berberine Loaded Alginate Nanoparticles with Physicochemical Characterization and Multifunctional Biological Activities

De natuur biedt vaak de meest effectieve hulpmiddelen voor genezing, verborgen in de wortels en stengels van veelvoorkomende planten. Een dergelijke stof is berberine, een heldergeel bestanddeel dat te vinden is in planten zoals de barberry (berberis), waarvan wetenschappers al lang weten dat het een breed scala aan medicinale krachten bezit. Het kan infecties bestrijden, zwellingen in het lichaam verminderen en zelfs de groei van kankercellen vertragen. Ondanks dit potentieel staat berberine echter voor een aanzienlijke hindernis: het menselijk lichaam heeft moeite om het op te nemen. Wanneer het als een standaard pil wordt ingenomen, gaat een groot deel ervan door het spijsverteringsstelsel zonder te worden gebruikt, of het breekt te snel af om effectief te zijn. Bovendien kan het lastig zijn om het direct in de bloedbaan af te leveren omdat de stof niet goed oplost in water en het soms de darmen kan irriteren. Om dit probleem op te lossen, richten onderzoekers zich op het vakgebied van medicijnafgifte, specifiek door gebruik te maken van minuscule dragers die nanopartikels worden genoemd. Dit zijn microscopische bolletjes, zo klein dat er duizenden op de kop van een speld zouden passen, ontworpen om als beschermende voertuigen te dienen. Ze kunnen een medicijn veilig door het lichaam vervoeren, het beschermen tegen afbraak en het langzaam vrijgeven, zodat het medicijn de juiste plek bereikt en daar lang genoeg blijft om te werken.

In een recente studie heeft een team wetenschappers aan de Semnan University of Medical Sciences in Iran zich gericht op het creëren van een nieuw type van deze minuscule voertuigen specifiek voor berberine. Ze kozen ervoor om hun dragers te bouwen uit natriumalginaat, een natuurlijke stof afgeleid van bruin zeewier die veilig is voor het lichaam en gemakkelijk afbreekt. De onderzoekers gebruikten een methode genaamd ionotrope gelatie, wat in essentie een proces is waarbij twee vloeistoffen worden gemengd om vaste, geleiachtige bolletjes te vormen. Ze losten het zeewierextract en de berberine op in water en druppelden dit mengsel vervolgens zorgvuldig in een oplossing die calciumchloride bevatte. Terwijl de druppels het calcium raakten, verhardden ze onmiddellijk tot kleine, ronde nanopartikels, waardoor de berberine erin werd gevangen. Om deze deeltjes tijdens hun creatie stabiel en uniform te houden, voegde het team ook een kleine hoeveelheid natuurlijke honing toe, die als stabilisator diende voordat het werd weggewassen. Het resultaat was een partij microscopische sferen, elk ongeveer even groot, geladen met het medicijn en klaar om getest te worden.

De onderzoekers controleerden eerst of de berberine daadwerkelijk in de deeltjes zat en of de structuur solide was. Ze bevestigden dat het medicijn succesvol was gevangen, waarbij bijna 92 procent van de berberine waarmee ze begonnen, in de nanopartikels terechtkwam. Ze maten ook hoe de deeltjes zich in een vloeistof gedroegen en ontdekten dat ze een lichte negatieve elektrische lading droegen, wat hen helpt om uit elkaar te blijven in plaats van samen te klonteren. De meest veelbelovende bevinding was echter hoe het medicijn uit de deeltjes kwam. In plaats van alle medicatie in één keer af te geven, wat een veelvoorkomend probleem is bij veel medicijnhouders, gaven deze alginaatbolletjes de berberine zeer langzaam af. Over een periode van twee weken werd slechts ongeveer 10 procent van het medicijn vrijgegeven. Deze langzame, gestage lekkage is precies waar artsen vaak naar op zoek zijn, aangezien het betekent dat het medicijn gedurende een lange tijd op een therapeutisch niveau in het lichaam kan blijven zonder dat er frequente herdosering nodig is.

Nadat de fysieke eigenschappen waren bevestigd, ging het team over tot het kijken naar hoe deze deeltjes interageren met levende cellen. Ze testten de nanopartikels op twee soorten cellen: gezonde botvormende cellen en kankercellen die in het bot groeien. Wanneer ze de gezonde botcellen aan de deeltjes blootstelden, bleven de cellen sterk en actief, waarbij meer dan 70 procent zelfs bij hoge concentraties van het medicijn overleefde. Dit suggereerde dat de drager zelf veilig was en normaal weefsel niet beschadigde. Belangrijker nog was dat de onderzoekers ontdekten dat de met berberine geladen deeltjes de gezonde botcellen daadwerkelijk stimuleerden om te rijpen en bot op te bouwen. Bij een specifieke concentratie brachten de deeltjes de cellen ertoe om meer van de eiwitten en mineralen te produceren die nodig zijn voor de vorming van hard botweefsel. Dit geeft aan dat het leveringssysteem niet alleen het medicijn beschermde, maar ook hielp om het beter te laten werken bij het stimuleren van botgroei.

De studie onderzocht ook het vermogen van de deeltjes om ontstekingen en kanker te bestrijden. Wanneer de onderzoekers de deeltjes introduceerden in een opstelling die een ontstoken omgeving nabootste, observeerden ze een vermindering van de chemische signalen die zwelling veroorzaken. De deeltjes waren bijzonder effectief in het verlagen van de niveaus van een specifieke ontstekingsmarker, wat suggereert dat ze ontstoken weefsels kunnen kalmeren. Wanneer ze tegen kankercellen werden getest, toonden de deeltjes een sterke bekwaamheid om de groei van de cellen te stoppen. De kankercellen die aan de deeltjes werden blootgesteld, werden minder actief en stierven uiteindelijk af, waarbij het effect sterker werd naarmate de cellen langer werden blootgesteld. Dit bevestigde dat de nanopartikels erin slaagden de berberine succesvol in de kankercellen te brengen, waar het zijn werk kon doen. Het team controleerde ook hoe goed de deeltjes de cellen binnendrongen, waarbij ze een krachtige microscoop gebruikten om foto's te maken. Ze zagen de minuscule sferen niet alleen op het oppervlak van de cellen liggen, maar daadwerkelijk ín de cellen, wat bewees dat het leveringssysteem naar behoren werkte om het medicijn daar te krijgen waar het nodig was.

Ten slotte testten de onderzoekers of deze deeltjes bacteriën konden bestrijden, een veelvoorkomend probleem bij botinfecties. Ze stelden twee soorten bacteriën bloot aan de deeltjes: één die over het algemeen gemakkelijker te doden is en een andere die resistenter is. De deeltjes toonden een matige bekwaamheid om de groei van de gemakkelijke bacteriën te stoppen en een licht effect op de meer resistente soort. Hoewel ze de bacteriën niet volledig hadden uitgeroeid binnen de korte tijd van de test, waren de resultaten consistent met de langzame afgifte van de deeltjes. Omdat het medicijn geleidelijk werd afgegeven in plaats van in één keer, was de initiële concentratie niet hoog genoeg om de bacteriën onmiddellijk te doden, maar behield het een aanwezigheid die nuttig zou kunnen zijn over een langere periode. De studie concludeert dat deze op zeewier gebaseerde nanopartikels een veilige en effectieve manier zijn om berberine te dragen. Ze beschermen het medicijn, geven het langzaam af en helpen het beter te werken tegen botgerelateerde problemen, ontstekingen en kanker, wat een veelbelovend nieuw pad biedt voor de behandeling van aandoeningen waarbij het lichaam een constante, langdurige toevoer van medicijnen nodig heeft.