Boost medicin med nanoteknologi til at ødelægge kræft

(PhysOrg.com) -- Forbinder nanoteknologi og medicinsk forskning, Sandia National Laboratories, University of New Mexico, og UNM Cancer Research and Treatment Center har udarbejdet en effektiv strategi, der bruger nanopartikler til at sprænge kræftceller med en blanding af dræbermedicin.

I forsideartiklen til maj-nummeret af Naturmaterialer , tilgængelig online 17. april forskerne beskriver silicananopartikler med en diameter på omkring 150 nanometer som honningkager med hulrum, der kan opbevare store mængder og varianter af lægemidler.

"Den enorme kapacitet af den nanoporøse kerne, med dets høje overfladeareal, kombineret med den forbedrede målretning af et indkapslende lipiddobbeltlag [kaldet et liposom], tillade en enkelt 'protocelle' fyldt med en lægemiddelcocktail at dræbe en lægemiddelresistent kræftcelle, " siger Sandia-forsker og UNM-professor Jeff Brinker, hovedefterforskeren. "Det er en milliondobling i effektivitet i forhold til sammenlignelige metoder, der alene anvender liposomer - uden nanopartikler - som lægemiddelbærere."

Nanopartiklerne og de omgivende cellelignende membraner dannet af liposomer bliver tilsammen den kombination, der omtales som en protocelle:Membranen forsegler den dødelige last og modificeres med molekyler (peptider), der binder specifikt til receptorer, der er overudtrykt på kræftcellens overflade. (For mange receptorer er et signal om, at cellen er kræftfremkaldende.) Nanopartiklerne giver stabilitet til den understøttede membran og indeholder og frigiver den terapeutiske last i cellen.

En aktuel Food and Drug Administration-godkendt nanopartikelleveringsstrategi er at bruge liposomer selv til at indeholde og levere lasten. I en head-to-head sammenligning af målrettede liposomer og protoceller med identiske membran- og peptidsammensætninger, Brinker og kolleger rapporterer, at jo større lastkapacitet, stabilitet og målretningseffektivitet af protoceller fører til mange gange større cytotoksicitet [destruktion] rettet specifikt mod humane leverkræftceller.

En anden fordel ved protoceller i forhold til lipsomer alene, siger hovedforfatter Carlee Ashley, en Harry S. Truman post-doc stipendiat ved Sandias Californiske websted i Livermore, er, at liposomer, der bruges som bærere, har brug for specialiserede belastningsstrategier, der gør processen vanskeligere. "Vi har demonstreret, at vi bare kan gennemvæde nanopartikler for at fylde dem med unikke lægemiddelkombinationer, der er nødvendige for personlig medicin. De indkapsler effektivt toksiner såvel som siRNA [ribonukleinsyre], der dæmper udtryk for proteiner."

RNA, den biologiske budbringer, der fortæller celler, hvilke proteiner de skal fremstille, i dette tilfælde bruges til at dæmpe cellefabrikken, en måde at forårsage apoptose eller celledød. "Si" er en forkortelse for "stilhed".

Lipiderne tjener også som et skjold, der begrænser giftige kemoterapi-lægemidler fra at lække fra nanopartiklerne, indtil protocellen binder sig til og tager fat i kræftcellen. Det betyder, at få giftstoffer lækker ind i den menneskelige værts system, hvis protocellerne ikke finder kræftceller. Denne tilsløring afbøder toksiske bivirkninger, der forventes fra konventionel kemoterapi.

I stedet, partiklerne - fremstillet små nok til at flyde under radaren i leveren og andre rensende organer - kan cirkulere harmløst i dage eller uger, afhængigt af deres konstruerede størrelse, søger deres bytte.

Et bibliotek af fager - vira, der angriber bakterier - blev oprettet på UNM's nationalt akkrediterede cancercenter af samarbejdspartner David Peabody. Dette gjorde det muligt for forskere at udsætte fagerne for en gruppe kræftceller og normale celler, muliggør identifikation af peptider, der binder specifikt til cancerceller, men ikke normale celler.

"Proteiner modificeret med et målrettet peptid, der binder til et bestemt karcinom, udviser en 10, 000 gange større affinitet for den kræftsygdom end til andre ikke-beslægtede celler, " sagde Ashley.

Brinker tilføjer, "Et nøgletræk ved vores protocelle er, at dets flydende dobbeltlag tillader højaffinitetsbinding med kun nogle få af disse peptider samlet set. Dette reducerer uspecifik binding og immunrespons."

Metoden testes på humane kræftceller in vivo, og skal om kort tid testes på musetumorer på UNMs kræftcenter.

Forskerne fortsætter med at optimere størrelsen af ​​den porøse silicapartikel, som dannes ved aerosolisering af en precursoropløsning. Den porøse nanopartikelfremstillingsproces - kaldet fordampningsinduceret selvsamling, og banebrydende i Brinker-laboratoriet - producerer partikler fra 50 nm til flere mikrometer i diameter. Partikelstørrelser mellem 50 og 150 nanometer i diameter er ideelle til at maksimere cirkulation og optagelse i kræftceller, så partiklerne er forudvalgt efter størrelse før deres dannelse til protoceller.

"Deres overordnede dimensioner bestemmer, hvor bredt de vil blive fordelt i blodbanen, " sagde Brinker. "Vi ændrer vores syntese for at favorisere de mindre størrelser."

Også af betydning for partiklens cirkulationstid er dens elektriske ladning og hydrofobicitet [undgåelse af vand], som kan forbedre eller forringe dens evne til at forblive fri for uønskede molekylære eller energetiske forviklinger.

Metoden kan være kommercielt tilgængelig om fem år, vurderer forskere.