Nanobærere kan give nyt håb for hjernekræftbehandling

Glioblastoma multiforme, en kræft i hjernen også kendt som "blækspruttetumorer" på grund af den måde, hvorpå kræftcellerne udvider deres ranker ind i omgivende væv, er praktisk talt ubrugelig, resistente over for terapier, og altid fatalt, normalt inden for 15 måneder efter debut. Hvert år, glioblastoma multiforme (GBM) dræber cirka 15, 000 mennesker i USA. En af de største hindringer for behandling er blod-hjernebarrieren, netværket af blodkar, der tillader vigtige næringsstoffer at komme ind i hjernen, men blokerer passagen af ​​andre stoffer. Hvad der er desperat behov for, er et middel til effektivt at transportere terapeutiske lægemidler gennem denne barriere. En nanovidenskabsekspert ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har muligvis løsningen.

Ting Xu, en polymerforsker hos Berkeley Labs Materials Sciences Division, der er specialiseret i selvsamlende bio/nano-hybridmaterialer, har udviklet en ny familie af nanobærere dannet af selvsamling af amfifile peptider og polymerer. Kaldet "3HM" for coiled-coil 3-helix miceller, disse nye nanobærere opfylder alle størrelses- og stabilitetskravene til effektivt at levere et terapeutisk lægemiddel til GBM-tumorer. Amfifiler er kemiske forbindelser, der har både hydrofile (vand-elskende) og lipofile (fedt-elskende) egenskaber. Miceller er sfæriske aggregater af amfifiler.

I et nyligt samarbejde mellem Xu, Katherine Ferrara ved University of California (UC) Davis, og John Forsayeth og Krystof Bankiewicz fra UC San Francisco, 3HM nanobærere blev testet på GBM-tumorer i rotter. Brug af den radioaktive form af kobber (kobber-64) i kombination med positronemissionstomografi (PET) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), samarbejdet viste, at 3HM kan krydse blod-hjernebarrieren og akkumulere inde i GBM-tumorer ved næsten dobbelt så høj koncentrationshastighed som nuværende FDA-godkendte nanocarriers.

"Vores 3HM nanocarriers viser meget gode egenskaber til behandling af hjernekræft i form af lang cirkulation, dyb tumorgennemtrængning og lav akkumulering i organer uden for mål, såsom lever og milt, " siger Xu, som også har en fælles aftale med UC Berkeleys afdelinger for materialevidenskab og teknik, og kemi. "Det faktum, at 3HM er i stand til at krydse blod-hjernebarrieren for GBM-bærende rotter og selektivt akkumuleres i tumorvæv, åbner muligheden for at behandle GBM via intravenøs lægemiddeladministration frem for invasive foranstaltninger. Selvom der stadig er meget at lære om, hvorfor 3HM er i stand til at gøre, hvad det gør, indtil videre har alle resultaterne været meget positive."

Gliaceller yder fysisk og kemisk støtte til neuroner. Cirka 90 procent af alle celler i hjernen er gliaceller, som i modsætning til neuroner, gennemgå en fødselscyklus, differentiering, og mitose. At gennemgå denne cyklus gør gliaceller sårbare over for at blive kræft. Når de gør, som navnet "multiforme" antyder, de kan antage forskellige former, hvilket ofte gør detektion vanskelig, indtil tumorerne er faretruende store. De mange former for en kræftagtig gliacelle gør det også vanskeligt at identificere og lokalisere alle cellens ranker. Fjernelse eller ødelæggelse af hovedtumormassen, mens disse ranker efterlades intakte, er ineffektiv terapi:ligesom den mytiske Hydra, rankerne vil spire nye tumorer.

Selvom der er FDA godkendte terapeutiske lægemidler til behandling af GBM, disse behandlinger har haft ringe indflydelse på patientens overlevelsesrate, fordi blod-hjernebarrieren har begrænset ophobningen af ​​terapeutika i hjernen. Typisk, GBM-lægemidler transporteres over blod-hjernebarrieren i specielle liposomer, der er cirka 110 nanometer store. 3HM nanocarriers udviklet af Xu og hendes gruppe er kun omkring 20 nanometer store. Deres mindre størrelse og unikke hierarkiske struktur gav 3HM nanocarriers meget større adgang til rotte GBM-tumorer end 110 nanometer liposomer i de test, der blev udført af Xu og hendes kolleger.

"3HM er et produkt af grundforskning i grænsefladen mellem materialevidenskab og biologi, " siger Xu. "Da jeg først startede i Berkeley, Jeg udforskede hybride nanomaterialer baseret på proteiner, peptider og polymerer som en ny familie af biomaterialer. Under processen med at forstå den hierarkiske samling af amfifile peptid-polymer-konjugater, min gruppe og jeg bemærkede en usædvanlig opførsel af disse miceller, især deres usædvanlige kinetiske stabilitet i størrelsesområdet 20 nanometer. Vi undersøgte kritiske behov for nanobærere med disse egenskaber og identificerede behandlingen af ​​GBM-kræft som en potentiel anvendelse."

Kobber-64 blev brugt til at mærke både 3HM og liposom nanobærere til systematiske PET- og MRI-undersøgelser for at finde ud af, hvordan en nanocarriers størrelse kan påvirke farmakokinetikken og biofordelingen hos rotter med GBM-tumorer. Resultaterne bekræftede ikke kun effektiviteten af ​​3HM som GBM leveringsfartøjer, de foreslår også, at PET- og MRI-billeddannelse af nanopartikelfordeling og tumorkinetik kan bruges til at forbedre det fremtidige design af nanopartikler til GBM-behandling.

"Jeg troede, at vores 3HM hybridmaterialer kunne bringe nye terapeutiske muligheder for GBM, men jeg forventede ikke, at det ville ske så hurtigt, " siger Xu, der har fået patent på 3HM teknologien.