Magnetiske nanopartikler springer fra laboratoriebænk til kliniske forsøg med brystkræft

Sandia National Laboratories materialekemiker Dale Huber har arbejdet på udfordringen med at lave jernbaserede nanopartikler af nøjagtig samme størrelse i 15 år.

Nu, han og hans langsigtede samarbejdspartnere på Imagion Biosystems vil bruge disse magnetiske nanopartikler til deres første kliniske forsøg med brystkræft senere på året. Nanopartiklerne klæber til brystkræftceller, tillader påvisning og fjernelse af selv små metastaser.

Imagion Biosystems og Huber har arbejdet sammen om at syntetisere nanopartikler siden åbningen af ​​Center for Integrated Nanotechnologies i 2006.

"At have adgang til talentpuljen hos CINT med eksperter som Dale Huber har været nyttigt, " sagde Bob Proulx, CEO for Imagion Biosystems. "Desuden det faktum, at CINT har et brugerprogram, der giver industrien adgang til de faciliteter og udstyr, Ellers, ville være for dyrt for en lille virksomhed som vores var værdifuld. Det indledende arbejde, vi lavede med CINT for at udvikle en metode til at give præcis kontrol over størrelsen af ​​nanopartiklerne var nøglen til vores MagSense magnetiske relaxometri-teknologi til påvisning af kræft."

CINT er en brugerfacilitet, der drives i fællesskab af Sandia og Los Alamos National Laboratory for US Department of Energy's Office of Science. CINT giver gratis adgang til avanceret udstyr og verdensførende videnskabsmænd til nanovidenskabelige forskere i den akademiske verden og industrien, forudsat at de offentliggør resultaterne i videnskabelige tidsskrifter.

De magnetiske nanopartikler er belagt med kræftantistoffer, som klæber sig specifikt til kræftceller. En lille magnetisk puls - omkring styrken af ​​en køleskabsmagnet og hundredvis af gange svagere end en produceret af en MR-maskine - kan mærke forskellen mellem nanopartikler, der sidder fast på kræftceller, og dem, der flyder frit, muliggør påvisning af meget små metastaser.

Præcisionssyntese af magnetiske nanopartikler

Imidlertid, for at Imagion Biosystems' kræftdetektionsmetode virker, alle nanopartiklerne skal have næsten nøjagtig samme størrelse.

"En variation på 2 procent er forskellen mellem perfekt og næsten ubrugelig, sagde Huber. Han tilføjede grinende, "Det var øjenåbnende for mig, og hvis jeg havde vidst det i begyndelsen, Jeg havde måske ikke taget udfordringen op. "

Erika Vreeland, som arbejdede sammen med Huber under hendes doktorafhandling for at udvikle reproducerbar syntese og blev ansat af Imagion Biosystems til at være deres chef for nanopartikelforsker, efter hun var færdiguddannet, sagde:"Vi eliminerede al reaktionens hekseri."

Standardmetoden til fremstilling af jernnanopartikler er at kombinere ingredienserne og opvarme blandingen til omkring 650 grader Fahrenheit. Hvor hurtigt varmen stiger bestemmer nanopartikelstørrelsen, sagde Huber. Imidlertid, ligesom din ovn derhjemme, det vil overskride den kritiske temperatur og derefter køle ned, indtil det udjævnes. Hvor meget temperaturen overskrider denne kritiske temperatur, påvirker også størrelsen, producerer nanopartikler mere end 15 procent større eller mindre.

I stedet, Vreeland og Huber udviklede en metode, hvor de langsomt tilføjer ingredienserne til et smeltet metalbad, hvis temperatur varierer mindre end en halv grad. Dette producerer nanopartikler med mindre end 2 procent størrelsesvariation. Huber sagde, "Det er ikke den nemmeste måde at lave partikler på, men derfor er de så meget bedre. "

Ikke alene opdagede holdet en meget reproducerbar metode til at fremstille de små partikler, de overførte også processen to gange - én gang til Imagion og én gang til ChemConnection, en nanopartikelproducent i Holland, der kan fremstille nanopartiklerne i henhold til de strenge US Food and Drug Administration og EU-regler, der er nødvendige til brug i kliniske forsøg med patienter.

"Syntesen blev overført til laboratoriet i Holland, mens størrelseskontrol blev bevaret, " sagde Huber. "Dette er enormt. Alt ændrer sig, selv kogepunkterne, fordi Holland dybest set ligger på havoverfladen."

Klinisk forsøg for at påvise spredning af brystkræft i efteråret

Efter at ChemConnection har lavet flere batches, Imagion Biosystems vil udføre nogle prækliniske forsøg for at dobbelttjekke, at partiklerne ikke er giftige. Så vil ChemConnection lave et lille produktionsparti af nanopartikler - svarende til en halv teskefuld sukker - til Imagion Biosystems 'kliniske forsøg med brystkræft.

"Fordi nanopartiklerne er ensartede og har fremragende magnetiske egenskaber, vi har ikke brug for meget. Vi forventer, at en patient vil blive injiceret med højst 1 milligram partikler, sagde Vreeland.

Alle patienterne til det første kliniske forsøg vil blive udvalgt, fordi deres onkologers behandlingsregime omfatter fjernelse af lymfeknuder og biopsi. Før hver patient får fjernet flere lymfeknuder kirurgisk, de magnetiske nanopartikler, belagt med brystkræftspecifikke antistoffer, vil blive injiceret på stedet for de kendte tumorer. Efter fjernelsen, men før biopsien, Imagion Biosystems' detektionssystem vil undersøge fjernede lymfeknuder for at lede efter spredning af kræft.

Vreeland sagde, at hun håber, at Imagion Biosystems' metode vil være lige så præcis som en patolog, med det endelige mål at bruge denne metode først til at lede efter kræft og eliminere behovet for at fjerne kræftfri lymfeknuder.

"Vores nr. 1 -ambition er at se nanopartiklerne gøre det til regelmæssig klinisk brug med vores MagSense -kræftdetekteringsteknologi. Udover det mener vi, at nanopartiklerne kan være medvirkende til en lang række biomedicinske applikationer, herunder anvendelser til behandling af kræft eller andre sygdomme, " sagde Proulx.

Fortsat samarbejde om at karakterisere nanopartikler og løse problemer

CINT og Imagion Biosystems fortsatte samarbejdet ud over bestræbelserne på at producere magnetiske nanopartikler af identisk størrelse. Vreeland sagde, "Vi løber stadig ind i alle mulige problemer hele tiden, så det er virkelig uvurderligt at kunne tale med Dale eller andre videnskabsmænd om nogle af de udfordringer, vi står over for."

Sandia bioingeniør George Bachand assisterede med de tidlige toksikologi- og cellemålretningsundersøgelser. Sandia -forsker John Reno hjalp med at karakterisere størrelsen og formen af ​​nanopartiklerne, ved hjælp af lille vinkel røntgenspredning.

Lille vinkel røntgenspredning er en metode til at bestemme størrelsen og størrelsesfordelingen af ​​materialer i nanoskala. "Med CINTs røntgenspredningsinstrument kan vi finde ud af præcis, hvor store partiklerne er på 15 minutter. For syv eller otte år siden ville det tage en uge at finde ud af det samme ved hjælp af elektronmikroskopi, " sagde Huber.

Denne størrelsesmåling i næsten realtid gjorde det muligt for Vreeland at forudsige, hvordan reaktionen ville ende og validere, at de var på rette vej, hun sagde. Holdet brugte andre CINT-instrumenter til at karakterisere nanopartiklernes magnetiske styrke og belægninger.

Ud over at få adgang til CINT -eksperter og -udstyr gennem sit brugerprogram, partnerskabet med Imagion Biosystems blev støttet af adskillige bevillinger fra New Mexico Small Business Assistance Program, som kan understøtte proprietær forskning.

Holdet har udgivet flere artikler fra samarbejdet, herunder en i Kemi af materialer i 2015.