Röntgenteknik ger bättre förståelse för hur läkemedel kan formuleras

När ett läkemedel i en tablett frisläpps i kroppen är det önskvärt att det frisätts med olika hastigheter, beroende på vilken effekt man vill uppnå i behandlingen. Vid formuleringen av ett läkemedel är det därför av yttersta vikt att veta vilka funktioner som styr utsöndringen. Det krävs också att man förstår hur läkemedelssubstanser kan stabiliseras i en polymermatris, vilket är ett vanligt material i läkemedelsformuleringar.

Röntgen visar hur läkemedlet frisätts

Nu har forskare vid Chalmers, PSI och EPFL för första gången kunnat påvisa att man kan använda sig av mycket avancerade, så kallade synkrotronbaserade röntgenavbildningstekniker, för att studera strukturen av formuleringar för att bättre förstå hur ett läkemedel frisläpps. De har även tagit fram ett materialkoncept, en polymermatris, vars uppbyggnad och struktur styr frisläppningsmekanismerna.

Forskningsresultaten presenteras i Communications Materials, en open access-tidskrift från Nature Portfolio. Studien har letts av Aleksandar Matic, professor på institutionen för fysik på Chalmers, och Marianne Liebi, affilierad docent på Chalmers och biträdande professor på PSI/EPFL. Forskningsprojektet drivs av doktoranden Martina Olsson inom ramen för hennes Excellensdoktorandtjänst inom Chalmers styrkeområde Nano.

Avbildar läkemedlet med 3D-bilder

Det som är unikt med den synkrotronbaserade röntgentekniken i sammanhanget, är att den ger forskarna möjlighet att mäta och avbilda läkemedelsformuleringen med hjälp av 3D-bilder som återger strukturerna med hundra nanometers upplösning.

– Vi visar nu att man kan använda den här typen av röntgentekniker för att förstå dessa material. Det finns mycket potential för läkemedelsformuleringsutveckling med dessa kraftfulla tekniker, eftersom det möjliggör nya sätt att titta på de här materialen för att förstå dem bättre. Du kan avbilda ditt material i 3D med bilder med mycket hög kontrast och i en volym som är förhållandevis stor jämfört med andra metoder, säger Martina Olsson.

– Vi ger ett nytt verktyg till formuleringsutveckling för läkemedel och även för andra produkter som bygger på att du frisätter någonting från en matris. Metoderna kan upplevas som avancerade, men de kan tillämpas omedelbart för att lösa relevanta problem, säger Aleksandar Matic.

Har designat eget materialkoncept

Det materialkoncept som forskarna har studerat under röntgenexperimenten har föreslagits och utvecklats av Anette Larsson, professor på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers. Materialkonceptet är en så kallad fasseparerad polymermatris. Det bygger på två polymerer, där den ena är vattenlöslig (HPMC) och den andra (PLA) är mindre vattenlöslig. Man har designat materialet som ett slags labyrint som styr så att medicinen släpps ut på bästa sätt för att kroppen ska kunna tillgodogöra sig den.

– I den här typen av polymerbaserade läkemedlen finns många spännande fenomen som man fortfarande inte förstår helt, som frisläppningsmekanismerna, och det är det som vi vill lösa med hjälp av röntgenteknikerna, säger Martina Olsson.

Forskarna har tittat på olika sammansättningar av materialet och hur deras strukturer påverkar frisläppningen av läkemedlet. Genom visualiseringen av nano- och mikrostrukturerna har deras förståelse för frisläppningsförloppet ökat.

– Tack vare de mycket detaljerade bilderna kan vi förstå hur materialet fungerar på ett avsevärt bättre sätt, bland annat då det går att urskilja skillnaderna mellan polymerfaserna och läkemedlet på ett mycket detaljerat sätt. Om du ska avbilda med röntgen så kan det vara väldigt svårt att se skillnad på de här komponenterna därför att det är ungefär samma kemi i dem. Men med den här tekniken så kan du utläsa väldigt, väldigt små skillnader, säger Martina Olsson.

Vill studera materialet under frisläppning

Från att ha undersökt hur materialet ser ut, förklarat frisläppningen och utvecklat metoder och analys av data, vill forskarna nu undersöka materialet i realtid medan det frisläpper i en buffert.

– Vi vill studera materialet medan det ligger i en buffert som motsvarar miljön i kroppen. Hur ser tidsförloppet ut när vattnet tränger in? Vad händer då med de olika komponenterna? Detta vill vi redogöra för i kommande experiment, säger Aleksandar Matic.

Detta är synkrontronbaserad röntgen

Synkrotronljus, även kallat synkrotronstrålning, produceras genom att accelerera elektroner till nära ljusets hastighet i en cirkulär bana. Elektronerna böjs av magnetfält och genererar extremt starkt röntgenljus. En synkrotronanläggning är en storskalig anläggning som producerar denna typ av strålning och där experiment utförs i strålrör. Dessa strålrör är högspecialiserade laboratorier utrustade med toppmoderna instrument.
Den huvudsakliga skillnaden mellan synkrotronljus och röntgenstrålning som produceras av laboratoriekällor och på sjukhus är ljusstyrkan: en synkrotronkälla är ungefär hundra miljarder gånger starkare än en laboratoriebaserad röntgenkälla. Med högre ljusstyrka kan mer exakt information erhållas från röntgenstrålningen, vilket möjliggör experiment med mycket hög hastighet och upplösning. Synkrotronstrålning används för att studera material inom en mängd olika områden, till exempel materialfysik, kemi, medicinska tillämpningar, kulturarv och energitillämpningar.

Källa: ESRF - The European Synchotron

Mer om forskningen:

• Den vetenskapliga artikeln “Phase-separated polymer blends for controlled drug delivery by tuning morphology” publicerades i Communications Materials den 18 oktober 2024, och är skriven av Martina Olsson, Robin Storm, Linnea Björn, Viktor Lilja, Leonard Krupnik, Yang Chen, Polina Naidjonoka, Ana Diaz, Mirko Holler, Benjamin Watts, Anette Larsson, Marianne Liebi och Aleksandar Matic.
• Forskarna är verksamma vid institutionen för fysik och institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers tekniska högskola; Paul Scherrer-institutet i Schweiz; EPF Lausanne, och Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology.
• Experimenten har utförts vid Swiss Light Source (SLS) vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz.
• Se en populärvetenskaplig presentation där Martina Olsson diskuterar röntgen och tar upp ett exempel från den vetenskapliga artikeln: X-ray imaging in material science by Martina Olsson (Youtube)

Illustrationen är publicerad under licens av Creative Commons.