Nieuwe nanodeeltjes van vloeibaar metaal voor foto-immunotherapie bij kanker gesynthetiseerd

Vloeibare metalen (LM) zoals puur gallium (Ga) en legeringen op basis van Ga zijn een nieuwe klasse materialen met unieke fysisch-chemische eigenschappen. Een van de meest prominente toepassingen van LM’s is fotothermische therapie tegen kanker, waarbij functionele LM-nanodeeltjes lichtenergie omzetten in warmte-energie, waardoor kankercellen worden gedood. Op LM gebaseerde fototherapie is superieur aan traditionele kankertherapie vanwege de hoge specificiteit, herhaalbaarheid en lage bijwerkingen.

In een nieuwe baanbrekende studie synthetiseerden universitair hoofddocent Eijiro Miyako en zijn collega’s van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) multifunctionele Ga-gebaseerde nanodeeltjes die kankerfototherapie combineren met immunotherapie.

Het gesynthetiseerde nieuwe LM-nanodeeltje (PEG-IMIQ-LM) bevat een eutectische gallium-indium (EGaIn) LM-legering en een immunologische modulator imiquimod (IMIQ), beide ingebed in een biocompatibele oppervlakteactieve stof DSPE-PEG₂₀₀₀-NH₂. De bevindingen van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.

“Wij geloven dat de convergentie van nano-immuno-engineering en LM-technologie een veelbelovende modaliteit zou kunnen bieden om ideale immuunresponsen teweeg te brengen voor het bevorderen van kankerimmunotherapie. In deze studie rapporteren we door licht activeerbare multifunctionele LM-nanodeeltjes met immunostimulantia om fotothermische therapie te combineren met immunotherapie, ” zegt Dr. Miyako, terwijl hij de motivatie van het team bespreekt om deze studie uit te voeren.

Eerst bereidde het onderzoeksteam in water dispergeerbare LM-nanodeeltjes voor via een eenvoudig eenstaps sonicatieproces met behulp van DSPE-PEG₂₀₀₀-NH₂ om IMIQ te introduceren. Dit wordt als een enorme doorbraak beschouwd, aangezien EGaIn LM inherent een met water onmengbaar materiaal is.

Verder onderzoek bevestigde dat LM uiteenvalt om ervoor te zorgen dat IMIQ het doelwit bereikt. Bovendien vertoonde het bereide nanodeeltje een lineaire toename in absorptie in het nabij-infrarood (NIR) gebied bij 808 nm, wat de optisch activeerbare aard ervan bevestigde.

Toen de waterige oplossing van het LM-nanodeeltje werd bestraald door de NIR-laser (808 nm), nam het team een ​​opmerkelijke toename van de temperatuur van de oplossing waar, die evenredig was met de toename van de nanodeeltjesconcentratie. Deze bevindingen bevestigden dat PEG-IMIQ-LM-nanodeeltje een robuuste en stabiele fotothermische medicijndrager was, geschikt voor immunotherapie.

Verdere experimenten toonden aan dat LM-nanodeeltjes uiterst veilig waren en geen cytotoxiciteit veroorzaakten in menselijke fibroblastcellen (MRC5) en darmkankercellen van muizen (Colon26).

Om de mate van internalisatie en verdeling van de deeltjes te beoordelen, werd een fluorescerende kleurstof, bekend als indocyaninegroen (ICG), in het deeltje geïntroduceerd door middel van sonicatie, resulterend in PEG-ICG-IMIQ-LM-deeltjes. Fluorescerende (FL) microscopie uitgerust met een laserstraal toonde aan dat het LM-deeltje sterke fluorescentie vertoonde bij verschillende NIR-golflengten en onmiddellijk de Colon26-cellen vernietigde. LM-deeltjes kunnen dus niet alleen de immunomodulant efficiënt afleveren, maar kunnen ook real-time tracking mogelijk maken en specifieke kankercellen elimineren.

Ten slotte ontwikkelde het team een ​​veelzijdige LM-immuun-nanostimulator voor kankertherapie. Om dit te doen, voegden ze anti-geprogrammeerd dood ligand-1-antilichaam (Anti-PD-L1), een van de meest veelbelovende immuuncontrolepuntremmers, toe aan het bestaande fluorescerende LM-nanodeeltje. Het gemodificeerde deeltje, Anti-PD-L1‒PEG-ICG-IMIQ-LM, werd efficiënt verspreid met significante fluorescentie. Met toenemende tijd na bestraling nam de oppervlaktetemperatuur van de tumor lineair toe, wat wijst op het antitumoreffect van het nanodeeltje.

Toevoeging van Anti-PD-L1 aan het nanodeeltje maakte binding van het LM-deeltje aan PD-L1 op de kankercellen mogelijk, waardoor ze werden gemarkeerd voor fagocytose door macrofagen en dendritische cellen (DC). Door laser geïnduceerde anti-PD-L1-PEG-IMIQ-LM-deeltjes vertoonden de hoogste en volledige verwijdering van kanker, samen met snellere genezing en herstel.

Bovendien, toen de tumor terugkeerde, vertoonden muizen die werden behandeld met laser-geïnduceerde Anti-PD-L1-PEG-IMIQ-LM-deeltjes aanhoudende antitumoreffectiviteit en verlengde overleving.

Terwijl hij de toekomstige implicaties van de studie bespreekt, zegt Dr. Miyako: “Wij geloven dat deze synergetische immunologische effecten en optische nanofuncties van LM’s brede therapeutische toepassingen hebben en kunnen bijdragen aan innovatieve kankertheranostische technologieën. We hebben goede hoop dat deze technologie beschikbaar zal zijn voor klinische proeven in 10 jaar.”