At praktisere medicin på nanoskala:Nye tilgange til lægemiddellevering giver håb om nye, mere målrettede behandlinger

Moderne medicin er i vid udstrækning baseret på behandling af patienter med "småmolekyle" lægemidler, som omfatter smertestillende midler som aspirin og antibiotika såsom penicillin.

Disse lægemidler har forlænget menneskets levetid og gjort mange livstruende lidelser let at behandle, men videnskabsmænd mener, at den nye tilgang til lægemiddellevering i nanoskala kan tilbyde endnu flere fremskridt. Levering af RNA eller DNA til specifikke celler giver løftet om selektivt at tænde eller slukke for gener, mens enheder i nanoskala, der kan injiceres eller implanteres i kroppen, kunne give læger mulighed for at målrette lægemidler til specifikke væv over en defineret periode.

"Der er en voksende forståelse af det biologiske grundlag for sygdom, og en voksende forståelse af den rolle, visse gener spiller i sygdom, siger Daniel Andersen, Samuel A. Goldblith-lektor i kemiteknik og medlem af MIT's Institute for Medical Engineering and Science og David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. "Spørgsmålet er, 'Hvordan kan vi udnytte dette?'

Forskere i Andersons laboratorium, såvel som mange andre på MIT, arbejder på nye måder at levere RNA og DNA til behandling af en række sygdomme. Kræft er et primært mål, men leveringer af genetisk materiale kan også hjælpe med mange sygdomme forårsaget af defekte gener, herunder Huntingtons sygdom og hæmofili. "Der er mange gener, som vi tror, ​​hvis vi bare kunne slukke dem eller tænde dem, det kunne være terapeutisk, " siger Anderson.

En lovende vej er RNA-interferens (RNAi), en naturligt forekommende proces, der tillader celler at finjustere deres genekspression. Korte RNA-strenge kaldet siRNA opfanger og ødelægger messenger-RNA, før det kan bære proteinopbygningsinstruktioner fra DNA til resten af ​​cellen. Forskere håber, at ved at skabe deres eget siRNA for at målrette mod specifikke gener, de vil være i stand til at slukke for gener, der forårsager sygdom.

Imidlertid, dette potentiale er endnu ikke blevet realiseret på grund af udfordringer med sikkert at levere siRNA til det rigtige væv og undgå andre væv. Brug af vira er en mulighed, men er en mulighed, der indebærer nogle sikkerhedsrisici, så mange forskere undersøger nu syntetiske leveringsmedier for genetisk materiale.

Andersons laboratorium udvikler materialer kaldet lipidoider, fede molekyler, der kan omslutte og levere tråde af siRNA. Undersøgelser har vist, at disse materialer effektivt kan levere RNA og formindske tumorer hos dyr; MIT-forskere arbejder nu på at udvikle dem til menneskelige tests. Disse partikler kan levere mange RNA-sekvenser på én gang, giver forskere mulighed for at målrette mod flere gener. "Mange af disse sygdomme, især kræft, er komplicerede og kan kræve at deaktivere flere gener, eller slå nogle gener fra og nogle gener til, " siger Anderson.

Anderson bruger også en teknik kaldet nukleinsyreorigami til at folde DNA og RNA til strukturer, der er egnede til at målrette mod kræftceller. nukleinsyre origami, udviklet inden for de seneste år, giver mulighed for ekstremt præcis kontrol over placeringen af ​​hvert atom i en struktur - noget der er svært at opnå med andre typer nanopartikler, siger Anderson.

I en undersøgelse fra 2012, der involverede mus, Anderson viste, at foldede DNA-nanopartikler mærket med folat akkumulerede i æggestokkræftceller, som udtrykker mange flere folatreceptorer på deres overflader end raske celler.

Flerstrenget tilgang

Paula Hammond, David H. Koch professor i ingeniørvidenskab og medlem af Koch Institute, udvikler også nye materialer til levering af både RNA og traditionelle lægemidler. Ved at bruge sin lag-for-lag monteringsteknik, hun skaber nanopartikler, der inkorporerer lag af flere typer RNA, eller kombinere RNA med et kemoterapipræparat.

Dette flerstrengede angreb kunne give forskere mulighed for at designe behandlinger, der afskærer mange af tumorcellers mulige flugtveje. "Vi er meget interesserede i at se på kombinationer, der ville involvere RNAi, der slår cellernes evne til at modvirke kemoterapiangreb ned, " siger Hammond.

Hammonds forskning på dette område er nu fokuseret på kræft, men tilgangen kunne også egne sig til at behandle betændelse produceret af infektionssygdomme, hun siger. "Med RNAi, tilgangen er ret modulær, og når du først forstår, hvilke gener du skal påvirke, du kan arbejde på at målrette dem, " siger Hammond.

Hammonds laboratorium arbejder også på belægninger til medicinsk udstyr, der kan udskille nyttige lægemidler, hormoner eller vækstfaktorer. Et sådant projekt involverer belægning af hofteimplantater med lag, der udskiller knoglevækstfaktorer. I undersøgelser med dyr, hun har vist, at disse belægninger kan fremme væksten af ​​naturlig knogle, og stærkere adhæsion mellem hofteimplantater og kroppens egen knogle. Hvis arbejdet oversættes til human klinisk brug, det kunne gøre det muligt for hofteimplantater at holde længere og reducere behovet for yderligere operationer for at erstatte implantaterne.

Hammond arbejder også på materialer, der fremmer sårheling ved forprogrammeret frigivelse af vækstfaktorer fra bandager og bandager, og på ultratynd, transparente belægninger til grå stær-erstatningslinser, der frigiver anti-inflammatoriske lægemidler.

Levering og diagnostik

Michael Cima, David H. Koch professor i ingeniørvidenskab, og Robert Langer, David H. Koch Instituttets professor, begge medlemmer af Koch Instituttet, arbejder på nano- og mikroskalaenheder, der kan implanteres i kroppen for at frigive medicin eller diagnosticere sygdom.

For flere år siden, Cima og Langer begyndte at arbejde på en implanterbar chip, der kan dispensere medicin inde i kroppen, men som styres trådløst udefra kroppen. I kliniske forsøg sidste år, virksomheden, der udviklede chippen til kommerciel brug, viste, at den pålideligt kunne levere præcise doser af en osteoporosemedicin, der normalt gives ved injektion.

Virksomheden, der udvikler chippen, MicroCHIPS Inc., krymper nu enheden og øger antallet af lægemiddelreservoirer på chippen (versionen brugt i sidste års forsøg havde 20 sådanne brønde). Det kan gøre det muligt for enheden at blive brugt i meget længere tidsperioder - op til 30 år, siger Cima. Det ville tillade det at tjene som en kunstig kirtel, frigivelse af hormoner efter behov, han siger, især hvis en sensor kunne indbygges for at advare chippen, når den skal frigive en dosis.

En sådan enhed kan være nyttig til mange endokrine sygdomme. "Vækstsygdomme, udvikling og reproduktion er alle områder, hvor der er betydelige udækkede behov, eller terapier, der er meget vanskelige at implementere, " siger Cima.

Cima arbejder også på diagnostiske anordninger, der kan hjælpe med at overvåge tumorrespons på behandling, eller opdage, om nogen har haft et hjerteanfald. Hans strategi er at tage test, der oprindeligt er udviklet til in vitro-brug (hvor en prøve fjernes fra kroppen og testes i et laboratorium), og læg i stedet føleapparatet inde i kroppen. Disse diagnostiske anordninger vil blive implanteret i forbindelse med en medicinsk procedure.

For eksempel, når der er mistanke om kræft, en biopsi foretages på en patient. Cima udvikler nu enheder, der kan implanteres på tumorstedet under biopsien og senere bruges til at overvåge iltniveau eller surhedsgrad, som begge afslører vigtig information om, hvordan sygdommen skal behandles, og om behandlingen virker.

En anden sensor han udviklede bruger magnetiske nanopartikler, anbragt i en 8-millimeters skive implanteret i huden, at opdage tre proteiner, der frigives under et hjerteanfald. Enhver, der dukker op på et hospital med brystsmerter, bliver testet for disse proteiner, men resultaterne kan virke usikre, fordi proteinerne udskilles på forskellige tidspunkter. Sensoren, som aflæses ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), kan implanteres hos patienter, der vides at have høj risiko for et hjerteanfald, gør det meget lettere for læger at afgøre, om de har haft en.

Alle hans projekter, Cima siger, er motiveret af ønsket om at forbedre lægebehandlingen til patienterne. "Vi gør dette, fordi vi kan lave noget fed teknologi, men endnu vigtigere, vi gør det, fordi der er et klinisk meningsfuldt behov, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.