Implanteerbare microdeeltjes kunnen twee kankertherapieën tegelijk opleveren

Patiënten met kanker in een vergevorderd stadium moeten vaak meerdere rondes van verschillende soorten behandelingen ondergaan, wat ongewenste bijwerkingen kan veroorzaken en niet altijd helpt.

In de hoop de behandelingsopties voor deze patiënten uit te breiden, hebben MIT-onderzoekers kleine deeltjes ontworpen die op een tumorplaats kunnen worden geïmplanteerd, waar ze twee soorten therapie kunnen leveren: warmte en chemotherapie.

Deze aanpak zou de bijwerkingen kunnen vermijden die vaak optreden wanneer chemotherapie intraveneus wordt gegeven, en het synergetische effect van de twee therapieën kan de levensduur van de patiënt langer verlengen dan het geven van één behandeling tegelijk. In een onderzoek bij muizen toonden de onderzoekers aan dat deze therapie bij de meeste dieren de tumoren volledig elimineerde en hun overleving aanzienlijk verlengde.

“Een van de voorbeelden waarbij deze specifieke technologie nuttig zou kunnen zijn, is het proberen de groei van echt snelgroeiende tumoren onder controle te houden”, zegt Ana Jaklenec, hoofdonderzoeker bij het Koch Institute for Integrative Cancer Research van MIT. “Het doel zou zijn om enige controle over deze tumoren te krijgen voor patiënten die niet echt veel opties hebben, en dit zou hun leven kunnen verlengen of op zijn minst een betere levenskwaliteit kunnen hebben gedurende deze periode.”

Jaklenec is een van de senior auteurs van de nieuwe studie, samen met Angela Belcher, de James Mason Crafts hoogleraar Biological Engineering and Materials Science and Engineering en lid van het Koch Institute, en Robert Langer, hoogleraar aan het MIT Institute en lid van de Koch Instituut. Maria Kanelli, een voormalig MIT-postdoc, is de hoofdauteur van het papierdat in het journaal verschijnt ACS Nano.

Dubbele therapie

Patiënten met gevorderde tumoren ondergaan gewoonlijk een combinatie van behandelingen, waaronder chemotherapie, chirurgie en bestraling. Fototherapie is een nieuwere behandeling waarbij deeltjes worden geïmplanteerd of geïnjecteerd die worden verwarmd met een externe laser, waardoor de temperatuur voldoende wordt verhoogd om nabijgelegen tumorcellen te doden zonder ander weefsel te beschadigen.

De huidige benaderingen van fototherapie in klinische onderzoeken maken gebruik van gouden nanodeeltjes, die warmte afgeven bij blootstelling aan nabij-infraroodlicht.

Het MIT-team wilde een manier bedenken om fototherapie en chemotherapie samen toe te passen, waarvan zij dachten dat deze het behandelingsproces voor de patiënt gemakkelijker zou kunnen maken en ook synergetische effecten zou kunnen hebben. Ze besloten een anorganisch materiaal, molybdeensulfide genaamd, als fototherapeutisch middel te gebruiken. Dit materiaal zet laserlicht zeer efficiënt om in warmte, waardoor lasers met een laag vermogen kunnen worden gebruikt.

Om een ​​microdeeltje te maken dat beide behandelingen zou kunnen bieden, combineerden de onderzoekers nanosheets van molybdeendisulfide met doxorubicine, een hydrofiel medicijn, of violaceïne, een hydrofoob medicijn. Om de deeltjes te maken, worden molybdeendisulfide en het chemotherapeutische middel gemengd met een polymeer genaamd polycaprolacton en vervolgens gedroogd tot een film die tot microdeeltjes van verschillende vormen en maten kan worden geperst.

Voor dit onderzoek creëerden de onderzoekers kubieke deeltjes met een breedte van 200 micrometer. Eenmaal geïnjecteerd in een tumorplaats, blijven de deeltjes daar gedurende de hele behandeling. Tijdens elke behandelingscyclus wordt een externe nabij-infraroodlaser gebruikt om de deeltjes op te warmen. Deze laser kan tot een diepte van enkele millimeters tot centimeters doordringen, met een lokaal effect op het weefsel.

“Het voordeel van dit platform is dat het op verzoek op een pulserende manier kan handelen”, zegt Kanelli. “Je dient het één keer toe via een intratumorale injectie, en vervolgens kun je met behulp van een externe laserbron het platform activeren, het medicijn vrijgeven en tegelijkertijd thermische ablatie van de tumorcellen bereiken.”

Om het behandelprotocol te optimaliseren, gebruikten de onderzoekers machine learning-algoritmen om het laservermogen, de bestralingstijd en de concentratie van het fototherapeutische middel te bepalen die tot de beste resultaten zouden leiden.

Dat bracht hen ertoe een laserbehandelingscyclus te ontwerpen die ongeveer drie minuten duurt. Gedurende die tijd worden de deeltjes verwarmd tot ongeveer 50 graden Celsius, wat heet genoeg is om tumorcellen te doden. Ook bij deze temperatuur begint de polymeermatrix in de deeltjes te smelten, waardoor een deel van het chemotherapiemedicijn dat zich in de matrix bevindt, vrijkomt.

“Dit voor machinaal leren geoptimaliseerde lasersysteem stelt ons in staat om lage dosis, gelokaliseerde chemotherapie in te zetten door gebruik te maken van de diepe weefselpenetratie van nabij-infrarood licht voor pulsatiele, on-demand fotothermische therapie. Dit synergetische effect resulteert in een lage systemische toxiciteit vergeleken met conventionele chemotherapieregimes”, zegt Neelkanth Bardhan, een Break Through Cancer-onderzoeker in het Belcher Lab, en tweede auteur van het artikel.

Het elimineren van tumoren

De onderzoekers testten de behandeling met microdeeltjes bij muizen die werden geïnjecteerd met een agressief type kankercellen uit triple-negatieve borsttumoren. Toen de tumoren zich eenmaal hadden gevormd, implanteerden de onderzoekers ongeveer 25 microdeeltjes per tumor en voerden vervolgens de laserbehandeling drie keer uit, met drie dagen tussen elke behandeling.

“Dit is een krachtige demonstratie van het nut van nabij-infrarood-responsieve materiaalsystemen”, zegt Belcher, die samen met Bardhan eerder heeft gewerkt aan nabij-infrarood beeldvormingssystemen voor diagnostische en behandelingstoepassingen bij eierstokkanker. “Het controleren van de medicijnafgifte met bepaalde tussenpozen met licht, na slechts één dosis deeltjesinjectie, is een gamechanger voor minder pijnlijke behandelingsopties en kan leiden tot een betere therapietrouw van de patiënt.”

Bij muizen die deze behandeling kregen, werden de tumoren volledig uitgeroeid en leefden de muizen veel langer dan degenen die alleen chemotherapie of fototherapie kregen, of geen behandeling. Muizen die alle drie de behandelingscycli ondergingen, deden het ook veel beter dan muizen die slechts één laserbehandeling kregen.

Het polymeer dat wordt gebruikt om de deeltjes te maken is biocompatibel en is al door de FDA goedgekeurd voor medische hulpmiddelen. De onderzoekers hopen nu de deeltjes in grotere diermodellen te testen, met als doel ze uiteindelijk in klinische onderzoeken te evalueren. Ze verwachten dat deze behandeling nuttig kan zijn voor elk type solide tumor, inclusief metastatische tumoren.