Fremskridt medicin, lag for lag

Personlige kræftbehandlinger og bedre knogleimplantater kunne vokse fra teknikker demonstreret af kandidatstuderende Stephen W. Morton og Nisarg J. Shah, som begge arbejder i kemiingeniørprofessor Paula Hammonds laboratorium ved MIT.

Mortons arbejde fokuserer på at udvikle lægemiddelbærende nanopartikler til at målrette svære at behandle kræftformer – såsom triple-negative brystkræft (TNBC) – mens Shah udvikler belægninger, der fremmer bedre vedhæftning til knogleimplantater.

Deres arbejde deler en materialebaseret tilgang, der bruger lag-for-lag samling af nanopartikler og belægninger. Denne fremgangsmåde tilvejebringer kontrolleret frigivelse af ønskelige komponenter fra kemoterapilægemidler til knoglevækstfaktorer. Brug af naturlige materialer lover at reducere skadelige bivirkninger.

"Vi har alle disse forskellige områder, hvor vi søger at løse forskellige problemer relateret til menneskers sundhed, bestemt i forbindelse med kræftforskning, som er en meget stor del af laboratoriet nu, "Shah siger. "Ud over det ser vi også på, hvordan vi kan forbedre måder, hvorpå forskellige patientsygdomme og skader håndteres på en måde, der vil forbedre de nuværende kliniske standarder."

Det kan dog tage fra fem til syv år at bevæge sig fra præklinisk succes i forsøgsdyr gennem kliniske forsøg på mennesker til offentlig tilgængelighed.

"Lag-for-lag giver os mulighed for at introducere meget specifikke materialer på overfladen af ​​forskellige substrater, det være sig en nanopartikel, det være sig et implantat, lige fra nanoskalaen til makroskalaen, Shah forklarer. "Vi var i stand til at introducere alle mulige forskellige egenskaber ved at afsætte meget specifikke materialer på underlag, ændre deres overfladeegenskaber og til sidst få dem til at gøre meget specifikke ting i forbindelse med applikationer."

Målrettet mod svære at behandle kræftformer

Når det leveres gennem tidsforskudt frigivelse fra en liposom-baseret nanopartikel, kemoterapipræparaterne erlotinib og doxorubicin krympede tumorer hos mus, Morton og kolleger rapporterede i en nylig avis. Et lag af hyaluronsyre fremmer passage af nanopartikler gennem kroppen, mens folat knyttet til deres skal hjælper nanopartiklerne med at binde sig til receptorer på kræftceller. Undersøgelsen var rettet mod to svære at behandle kræftformer:TNBC og ikke-småcellet lungekræft. Morton var hovedmedforfatter sammen med Michael J. Lee i biologiprofessor Michael B. Yaffes gruppe ved MIT; Shah var en af ​​flere andre medforfattere. Både Hammond, David H. Koch professor i ingeniørvidenskab, og Yaffe, David H. Koch professor i naturvidenskab, er medlemmer af Koch Institute for Integrative Cancer Research ved MIT.

For en tidligere undersøgelse, ledet af postdoc associeret Zhou J. "Jason" Deng i Hammonds gruppe, Morton var en del af et hold, der demonstrerede fremskridt i kampen mod TNBC med en lagdelt nanopartikel. De brugte bionedbrydelige biopolymerer og FDA-godkendte liposomer til at skabe nanopartikler lavet af en lægemiddelbærende kerne og et ydre lag indeholdende kort interfererende RNA (siRNA). SiRNA'et binder sig til et gen på kræftcellen og blokerer det for at producere et protein, der fjerner kemoterapimedicin. Shah var også en del af det hold.

"Vi forsøger at designe disse systemer, der frigiver terapier i kombination, som arbejder sammen på en måde, der har denne forbedrede fordel. Vi designer disse systemer med fokus på materialer for at frigive dem på måder, der vil engagere en kræftcelle og dræbe det på en mere effektiv måde, hvor stofferne arbejder sammen og gør det med en mere potent effekt, " siger Morton.

I flere undersøgelser offentliggjort fra 2011, Hammond og kolleger viste, hvordan belægninger kunne lægges ned lag for lag for at målrette tumorceller og kontrollere lægemiddelfrigivelse fra kernen. Denne tilgang har den fordel, at den øger lægemiddelstyrken mod tumorcellen og mindsker skadelige bivirkninger. I siRNA-arbejdet, Deng, Morton, og kolleger identificerede poly-L-arginin (PLA) som en lovende kandidat, fordi det tilbød evnen til at bære en stor mængde siRNA, samt tilbyde filmstabilitet og lav toksicitet til normale celler. I undersøgelsen, de vurderede, at deres nanopartikler indeholdt omkring 3, 500 siRNA-molekyler pr. lag med cirka 95 procent overfladebelægning. Et ekstra lag hyaluronsyre gav nanopartiklerne "stealth"-evne til at rejse gennem blodet til tumorstedet i levende dyreforsøg. "Resultatet her viser, at et målgen i tumoren effektivt kan dæmpes efter et enkelt, systemisk administration af siRNA LbL nanopartikler, " skrev de.

Styrkelse af implantater, forbedring af lægemiddellevering

Shah var hovedforfatter til adskillige artikler om knogleimplantatundersøgelser, vises i en 2013 Videnskab translationel medicin rapporterer, at lagdelte belægninger indeholdende knoglemorfogenetisk protein-2 (BMP-2) og hydroxyapatit (HAP) producerede stærkere binding af implantater til knogler i mus. Morton var også en del af det hold.

"Hos en lille procentdel af mennesker, implantatet binder ikke særlig godt til det eksisterende værtsknoglevæv, og det får implantatet til at svigte, " forklarer Shah. Det er væsentligt, belægningerne fremmede vækst af nyt knoglevæv direkte på implantaterne, indikerer et potentiale for at erstatte cementsømmen, der binder nuværende implantater til naturlig knogle. Et andet trin, der kan indgå i lag-for-lag-teknikken, er at tilføje antibiotika eller antimikrobielle polymerer, der kan forhindre infektion.

Morton siger, at han sluttede sig til Hammond-Yaffe-samarbejdet, efter at Yaffes gruppe havde vist, at administration af erlotinib og doxorubicin på en forskudt måde øgede virkningen af ​​hvert kemoterapilægemiddel mod cancer - men når det administreres uafhængigt, de virkede ikke så godt. "I fri form, når du anvender det på et biologisk system såsom en mus eller et menneske, stofferne bliver hurtigt renset og går ikke derhen, hvor de skal hen, " Morton forklarer. "Vi forsøgte at finde bedre måder at levere disse lægemidler på en måde, der ville fremme denne gode synergi, som de observerede i kulturen."

Morton lavede nanopartiklerne selv, arbejdet sammen med kolleger om at analysere laboratoriekulturer og udførte eksperimenter på mus i Koch Instituttet. Eksperimenterne viste tumorkrympning hos mus efter 32 dage efter modtagelse af nanopartiklerne, der frigiver både erlotinib og doxorubicin på tidsforskudt måde. I modsætning, tumorvækst fortsatte i begge ubehandlede mus, såvel som mus, der kun fik et enkelt lægemiddel, doxorubicin. Dyreforsøgene involverede indsprøjtning af humane kræftceller i mus. En fjerdeårs kandidatstuderende, Morton har endnu et år til at forsvare sit speciale og færdiggøre sin doktorgrad.

Forskere i Hammond-laboratoriet udviklede sidste år en spray-baseret teknik til at påføre lag oven på nanopartikler genereret af PRINT-processen (Particle Replication In Non-wetting Templates), som var pioneret af Joseph DeSimone ved University of North Carolina ved Chapel Hill. Morton var hovedforfatteren af ​​det papir, som viste, at belægning af nanopartiklerne med hyaluronsyre funktionaliserede dem til at klæbe til CD44-receptorer på TNBC-celler (BT-20).

"At bringe PRINT- og spray-LbL-teknologier sammen muliggør fremstilling af medicin med udsøgt kontrol over partikelsammensætningen, geometri, og overfladeegenskaber, at give en spændende platform for storskalafremstilling af højt kontrollerede multifunktionelle partikler, " rapporterer de. Både spraycoat- og PRINT-teknologierne kommercialiseres.

Morton og Shah samarbejdede også sidste år om en undersøgelse af lagdelte nanopartikler rettet mod osteosarkom, en form for knoglekræft, der har en lav behandlingsrate. Deres eksperimenter viste tumorkrympning, og i nogle tilfælde, eliminering, hos mus fra behandling med nanopartikler, der bærer en kombination af kemoterapi (doxorubicin) og tumormålretning (alendronat). "For at opnå dette, en polyelektrolyt, poly(acrylsyre) (PAA), blev funktionaliseret med et bisfosfonat, alendronat, og efterfølgende elektrostatisk samlet i en nanopartikelbelægning, " rapporterede de. Brug af klinisk sikre materialer, mus behandlet med nanopartikler rettet mod osteosarkomtumorceller udviste reduceret tumorvolumen sammenlignet med de ubelagte doxorubicin-ladede liposomkontrolnanopartikler.

Gendannelse af knoglevækst

Shah, som med succes forsvarede sin ph.d.-afhandling i maj, bruger lag-for-lag-teknologien til at regenerere væv beskadiget af skade eller medfødt defekt, samt bedre binding af implantater – såsom i kunstige knæ- eller hofteknogler – til naturligt væv.

"Vi har også set på at tage disse stilladskonstruktioner, der kan sættes inde i kroppen på stedet for en skade, " siger Shah. "Vi har belagt stilladserne ved at bruge lag-for-lag tilgangen, aflejring af et polymerlag, efterfulgt af et lag biologisk lægemiddel, der kan inducere differentieringen af ​​stamceller, der er til stede i kroppen, for at danne celler, der kan begynde at udskille meget specifikke slags væv." Når de er aktiveret, stamceller kan danne blodkar eller knogler, og helbrede skavanker i kroppen.

Hammond og Shah patenterede noget af deres arbejde og en startup, LayerBio, forsøger at kommercialisere nogle aspekter af arbejdet med knoglevævskonstruktion og levering af lægemidler fra bandager. Disse bandager kunne hjælpe diabetespatienter eller sårede soldater. Shah fungerer som konsulent for virksomheden. Han vil også fortsætte i Hammond Lab som postdoc for at overvåge et nyt projekt.

I laboratoriet, Shah samlede nanopartikler, lavet knoglestilladser og coatede stilladser og implantater ved hjælp af lag-for-lag teknologi. En vigtig komponent er en polymer, der går i stykker i nærvær af vand, en materialeegenskab kaldet hydrolytisk nedbrydelighed. Det gør det muligt for stilladset at opløses naturligt, efterhånden som nye knogler dannes for at erstatte det. Polymererne kan modificeres til at nedbrydes hurtigere eller langsommere.

Det næste skridt fra et forskningsperspektiv er at reproducere resultaterne fundet i små dyreforsøg med mus og kaniner og i større dyr, såsom hunde eller geder. "Vi har tillid til teknologien, så vi ved, hvad vi skal gøre for at udføre disse store dyreforsøg for at bevise, at vi i sidste ende kan bruge dem til patienter. Dette er et nødvendigt skridt for enhver terapeutisk-baseret tilgang, " forklarer Shah.

Morton håber, at der måske er nok interesse for de folat-dekorerede nanopartikler med dobbelt-lægemiddelkombinationen af ​​erlotinib og doxorubicin til at springe til kliniske forsøg med mennesker uden større dyreforsøg. "Det kunne også være en mulighed " han sagde.

Fortsat samarbejde med Brigham and Women's Hospital og Massachusetts General Hospital tester folat-dual-drug platformen mod tumorer i mus forårsaget af TNBC-celler implanteret i dem. De primære kræftceller blev isoleret fra kvinder, der har haft kræften.

"Der er virkelig ikke en specifik behandling for triple-negativ brystkræft (TNBC), " Shah forklarer. En mulighed kan være en fremskyndet godkendelsesproces gennem FDA for at få den nye tilgang til klinikken endnu hurtigere (måske to år), fordi der er et enormt behov for en specifik terapeutisk strategi for TNBC. "Dette ville være det første i klassen i den forstand, " tilføjer han.

Morton har endnu et år til at færdiggøre sin doktorgrad. Shah og Morton arbejder begge meget med dyr:De bruger fluorescerende mærkning af proteiner, stoffer, nanopartikler, og substrater til at spore, hvad der sker, når de først er implanteret i forsøgsdyr, især hvordan de er fordelt i de forskellige dele af kroppen. "Vi har kigget grundigt på det, "Siger Shah. Tumorfremgang, for eksempel, spores ved hjælp af mikro-CT - i det væsentlige en CAT-scanning af dyret. Den samme billeddannelse kan bruges til at spore knogledannelse.

Selvom deres tidligere undersøgelser ikke evaluerede deres nanopartikler for toksicitet over for ikke-kræftceller, en tidligere undersøgelse af kræft i mus viste nanopartikler ophobet i leveren, nyrer, og hjerne. "Vi vil evaluere toksiciteten uden for målet, men det har også givet os mulighed for at indgå i samarbejder om behandling af andre typer sygdomme, " siger Morton. Et nyt samarbejde med en klinisk efterforsker fra Koch Institute, Scott Floyd, ser på glioblastom, en kræft i hjernen. Forskerne vil studere toksicitet og lede efter genetiske kræftmål i glioblastomtumorer, for at levere inhibitorer, der er specifikke for den pågældende kræftsygdom. "Det skønne ved siRNA er, at du kan målrette det mod stort set ethvert gen. Du kan modificere sekvensen, som du inkorporerer i dit siRNA, og så kan du målrette det til det gen, du vil lukke ned eller kontrollere ekspressionen af, " siger Morton. "I kombination med traditionelle kemoterapeutika, for eksempel, du kan virkelig designe en række forskellige kombinationer, der er ret kraftfulde."

Leverer et knock-out punch

Det er ikke klart, hvor længe den hæmmende effekt af siRNA forbliver aktiv mod en målkræftcelle, Morton forklarer. "Det er derfor, disse kombinationsterapier er gode, " siger han. "Hvis du kan fremkalde denne form for kortsigtet tab af protein, eller hvad det nu er, der forårsager problemet, udsæt den derefter for et andet lægemiddel til knock-out-punchen, det kan være alt hvad du behøver. Men jeg tror, ​​der stadig er meget, der skal skylles ud i samfundet med hensyn til, hvor længe forskellige siRNA'er og forskellige gen-targets er i stand til at blive undertrykt."

Fordi ikke to kræftpatienter har den samme genetiske profil, de kan have samme type kræft, men med forskellige gener, der driver den aggressive vækst. Baseret på genetisk screening for at identificere de specifikke drivere for individuelle patienter, siRNA kan konstrueres til at målrette dem specifikt. "Vores teknologi kan levere disse lægemidler meget godt, og den kan gøre det på en måde, der uafhængigt vil inkorporere alle disse forskellige typer terapi til personlig medicin, " siger Morton.

"Sikkert når chaufføren er identificeret, vi kan gå tilbage og designe specifikke former for terapi til disse patienter, "Siger Shah.

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.