Gouden nanodeeltjes met DNA-tags kunnen een gepersonaliseerde kankerbehandeling mogelijk maken

Een team van onderzoekers van NUS heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de precisie van de kankerbehandeling te verbeteren met behulp van gouden nanodeeltjes die zijn getagd met DNA-barcodes.

Onder leiding van assistent-professor Andy Tay van de afdeling Biomedische Technologie van het College of Design and Engineering en het Institute of Health Innovation & Technology van NUS, laat het onderzoek zien hoe gouden nanodeeltjes met specifieke vormen, zoals driehoeken, uitblinken in het leveren van therapeutische nucleïnezuren en het verwarmen van tumorcellen tijdens fotothermische therapie.

Deze bevindingen brengen de verschillende voorkeuren van tumorcellen voor bepaalde nanodeeltjesconfiguraties aan het licht, wat de ontwikkeling van gepersonaliseerde kankerbehandelingen mogelijk zou kunnen maken die veiliger en effectiever zijn.

De nieuwe techniek van het team, beschreven in een artikel gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen op 24 november 2024 maakt screening met hoge doorvoer van de vormen, afmetingen en modificaties van nanodeeltjes mogelijk, waardoor de bijbehorende screeningkosten worden verlaagd.

Naast de behandeling van kanker heeft de methode bredere therapeutische toepassingen, waaronder de levering van RNA en het richten op ziekten op orgaanspecifiek niveau.

Grootte en vorm zijn belangrijk

Goud is meer dan alleen bling. Wanneer ze worden teruggebracht tot ongeveer een duizendste van de breedte van een mensenhaar, schitteren gouden nanodeeltjes als therapeutische middelen voor kankertherapie. Stippen van het edelmetaal worden bijvoorbeeld gebruikt bij fotothermische therapie, waarbij deeltjes die op de tumorplaats worden afgeleverd, specifieke golflengten van licht omzetten in warmte, waardoor omliggende kankercellen worden gedood. Gouden nanodeeltjes kunnen ook dienen als boodschappers om medicijnen rechtstreeks naar specifieke locaties in een tumor te brengen.

“Maar om deze gouden nanodeeltjes te laten werken, moeten ze eerst met succes de beoogde locaties bereiken”, zegt assistent-professor Tay. “Zie het als een bezorger met een speciale sleutel: als de sleutel niet in het slot past, komt het pakketje er niet doorheen.”

Om dit niveau van precisie te bereiken, is het vinden van het juiste ontwerp van nanodeeltjes nodig: de vorm, grootte en oppervlakte-eigenschappen moeten aansluiten bij de voorkeuren van doelcellen. De bestaande screeningmethoden om optimale ontwerpen te lokaliseren lijken echter op het zoeken naar spelden in een hooiberg. Bovendien gaan deze methoden vaak voorbij aan de voorkeuren van verschillende celtypen binnen een tumor, van immuun- tot endotheliale tot kankercellen.

Om deze uitdagingen aan te pakken, wendden de NUS-onderzoekers zich tot DNA-barcoding. Elk nanodeeltje is gelabeld met een unieke DNA-sequentie, waarmee de onderzoekers individuele ontwerpen kunnen taggen en volgen, net zoals het registreren van een pakket dat per post moet worden verzonden in een bezorgsysteem.

Belangrijk is dat deze barcodes het team in staat stelden om meerdere ontwerpen van nanodeeltjes tegelijkertijd in vivo te monitoren, omdat hun sequenties gemakkelijk konden worden geëxtraheerd en geanalyseerd om de verblijfplaats van de nanodeeltjes in het lichaam te lokaliseren.

“We hebben thiol-functionalisatie gebruikt om de DNA-barcodes veilig te verankeren aan het oppervlak van de gouden nanodeeltjes. Dit zorgt ervoor dat de barcodes stabiel blijven, bestand zijn tegen enzymatische afbraak en de cellulaire opname niet verstoren”, aldus assistent-professor Tay.

Om dit aan te tonen, maakten de onderzoekers nanodeeltjes in zes verschillende vormen en maten, waarbij hun verspreiding en opname over verschillende celtypen werd gevolgd. Ze ontdekten dat ronde nanodeeltjes, ondanks dat ze een slechte opname vertoonden in celcultuurstudies, uitstekend waren in het richten op tumoren in preklinische modellen, omdat de kans kleiner was dat ze door het immuunsysteem werden geëlimineerd.

Aan de andere kant blonken driehoekige nanodeeltjes uit in zowel in vitro als in vivo tests, wat resulteerde in een hoge cellulaire opname en sterke fotothermische eigenschappen.

Kankerbehandelingen veiliger maken

Het werk van het team werpt een licht op de interacties tussen nanodeeltjes in biologische systemen en de noodzaak om discrepanties tussen in vitro en in vivo bevindingen te overbruggen, zoals blijkt uit de bevindingen die worden onthuld door de ronde gouden nanodeeltjes. Deze inzichten zouden de ontwikkeling van vormveranderende nanodeeltjes of tussenontwerpen kunnen begeleiden die zijn afgestemd op het optimaliseren van verschillende stadia van medicijnafgifte.

Bovendien belicht het onderzoek ook het onaangeboorde potentieel van het onderzoeken van nanodeeltjesvormen buiten sferen, die de vormen domineren die zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration. De DNA-barcodemethode van de onderzoekers zou zich ook kunnen uitbreiden tot het in vivo screenen van andere anorganische nanodeeltjes zoals ijzer en silica, waardoor de mogelijkheden voor medicijnafgifte en precisiegeneeskunde worden vergroot.

Vooruitkijkend breiden de onderzoekers hun nanodeeltjesbibliotheek uit met 30 ontwerpen om kandidaten te identificeren die zich kunnen richten op subcellulaire organellen. Geschikte exemplaren zullen vervolgens worden getest op hun werkzaamheid bij genuitschakeling en fotothermische therapie voor borstkanker.

Asst Prof Tay deelde ook dat de bevindingen ons begrip van de RNA-biologie aanzienlijk zouden kunnen verbeteren en RNA-afleveringstechnieken zouden kunnen bevorderen, die steeds vaker worden toegepast in therapieën voor de behandeling van verschillende ziekten.

“We hebben een belangrijke uitdaging in de behandeling van kanker aangepakt: het leveren van medicijnen specifiek aan kankerweefsel met grotere efficiëntie”, aldus assistent-professor Tay.

“De achilleshiel van bestaande op nanodeeltjes gebaseerde medicijnen is hun aanname van uniforme afgifte in alle organen, maar de realiteit is dat verschillende organen anders reageren. Het ontwerpen van optimaal gevormde nanodeeltjes voor orgaanspecifieke targeting verbetert de veiligheid en werkzaamheid van nanotherapeutica voor kanker behandeling – en verder.”