Onderzoekers experimenteren met nieuwe manieren om behandelingen met nanodeeltjes voor kanker te ontwerpen

Als je het woord ‘nanomedicine’ hoort, denk je misschien aan scenario’s zoals die in de film uit 1966 “Fantastische reis.” De film beeldt een medisch team af dat is gekrompen om met een microscopisch robotschip door het lichaam van een man te rijden om een ​​bloedstolsel in zijn hersenen te verwijderen.

Nanogeneeskunde heeft dat niveau van verfijning nog niet bereikt. Hoewel wetenschappers nanomaterialen kunnen genereren die kleiner zijn dan enkele nanometers – de “nano” geeft een miljardste van een meter aan – is de huidige nanotechnologie niet in staat geweest om functionele elektronische robotica te genereren die klein genoeg is om veilig in de bloedbaan te injecteren. Maar sinds de concept van nanotechnologie werd voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 70 en heeft zijn sporen verdiend in veel alledaagse producten, waaronder elektronica, stoffen, voedsel-, water- en luchtbehandelingsprocessen, cosmetica en medicijnen. Gezien deze successen op verschillende gebieden, wilden veel medische onderzoekers nanotechnologie gebruiken om ziekten te diagnosticeren en te behandelen.

ik ben een farmaceutisch wetenschapper die zich liet inspireren door de belofte van nanogeneeskunde. mijn laboratorium heeft de afgelopen 20 jaar gewerkt aan de ontwikkeling van kankerbehandelingen met nanomaterialen. Hoewel nanogeneeskunde veel successen heeft geboekt, zijn sommige onderzoekers zoals ik teleurgesteld door zijn teleurstellende algehele prestaties bij kanker. Om succes in het laboratorium beter te vertalen naar behandelingen in de kliniek, hebben we een voorstel gedaan: nieuwe manier van ontwerpen kankermedicijnen met behulp van nanomaterialen. Met behulp van deze strategie hebben we een behandeling ontwikkeld die volledige remissie kon bereiken bij muizen met uitgezaaide borstkanker.

Wat is nanogeneeskunde?

nanogeneeskunde verwijst naar het gebruik van materialen op nanoschaal om ziekten te diagnosticeren en te behandelen. Sommige onderzoekers definiëren nanogeneeskunde als alle medische producten die nanomaterialen gebruiken die kleiner zijn dan 1.000 nanometer. Anderen gebruiken de term enger om te verwijzen naar injecteerbare geneesmiddelen die nanodeeltjes kleiner dan 200 nanometer gebruiken. Alles wat groter is, is mogelijk niet veilig om in de bloedbaan te injecteren.

Verschillende nanomaterialen zijn met succes gebruikt in vaccins. De meest bekende voorbeelden van vandaag zijn de Pfizer-BioNTech en Moderna COVID-19 mRNA-vaccins. Deze vaccins gebruikten een nanodeeltje gemaakt van lipiden, of vetzuren, dat helpt het mRNA te transporteren naar de plaats waar het in het lichaam moet gaan om een ​​immuunrespons op te wekken.

Onderzoekers hebben nanomaterialen ook met succes gebruikt in diagnostiek en medische beeldvorming. Snelle COVID-19-tests en zwangerschapstesten gebruik gouden nanodeeltjes om de gekleurde band te vormen die een positief resultaat aangeeft. Magnetische resonantie beeldvorming of MRIgebruikt vaak nanodeeltjes als contrastmiddelen die helpen een afbeelding beter zichtbaar te maken.

Verschillende op nanodeeltjes gebaseerde medicijnen zijn goedgekeurd voor de behandeling van kanker. Doxil (doxorubicine) en Abraxaan (paclitaxel) zijn chemotherapiemedicijnen die nanomaterialen gebruiken als afgiftemechanisme om de werkzaamheid van de behandeling te verbeteren en bijwerkingen te verminderen.

Kanker en nanogeneeskunde

Het potentieel van nanogeneeskunde om de effectiviteit van een medicijn te verbeteren en de toxiciteit ervan te verminderen, is aantrekkelijk voor kankeronderzoekers die werken met geneesmiddelen tegen kanker die vaak sterke bijwerkingen hebben. Inderdaad, 65% van de klinische onderzoeken met nanodeeltjes zijn gericht op kanker.

Het idee is dat kankermedicijnen met nanodeeltjes werken als biologische raketten die tumoren vernietigen terwijl de schade aan gezonde organen wordt geminimaliseerd. Omdat tumoren lekkende bloedvaten hebben, denken onderzoekers dat dit nanodeeltjes in staat zou stellen accumuleren in tumoren. Omgekeerd, omdat nanodeeltjes langer in de bloedbaan kunnen circuleren dan traditionele kankerbehandelingen, kunnen ze zich minder ophopen in gezonde organen en de toxiciteit verminderen.

Hoewel deze ontwerpstrategieën succesvol zijn geweest in muismodellen, hebben de meeste kankermedicijnen met nanodeeltjes dat wel niet getoond effectiever zijn dan andere kankermedicijnen. Bovendien, terwijl sommige op nanodeeltjes gebaseerde medicijnen de toxiciteit voor bepaalde organen kunnen verminderen, kunnen ze de toxiciteit in andere verhogen. Terwijl de op nanodeeltjes gebaseerde Doxil vermindert schade aan het hart in vergelijking met andere chemotherapie-opties, het kan het risico op het ontwikkelen verhogen hand-voet syndroom.

Verbetering van op nanodeeltjes gebaseerde kankermedicijnen

Om manieren te onderzoeken om te verbeteren hoe op nanodeeltjes gebaseerde kankermedicijnen worden ontworpen, hebben mijn onderzoeksteam en ik onderzocht hoe goed vijf goedgekeurde kankermedicijnen op basis van nanodeeltjes hopen zich op in tumoren en vermijden gezonde cellen in vergelijking met dezelfde kankermedicijnen zonder nanodeeltjes. Op basis van de bevindingen van onze laboratoriumstudie hebben we voorgesteld dat het ontwerpen van nanodeeltjes specifieker naar hun beoogde doelwit zou hun vertaling van diermodellen naar mensen kunnen verbeteren. Dit omvat het maken van nanodeeltjes die de tekortkomingen van een bepaald medicijn aanpakken – zoals veelvoorkomende bijwerkingen – en inzicht geven in de soorten cellen waarop ze zich moeten richten bij elk specifiek kankertype.

Met behulp van deze criteria ontwierpen we een op nanodeeltjes gebaseerde immunotherapie voor uitgezaaide borstkanker. We hebben eerst vastgesteld dat borstkanker een type immuuncel heeft die de immuunrespons onderdrukt, waardoor de kanker resistent wordt tegen behandelingen die het immuunsysteem stimuleren om tumoren aan te vallen. We veronderstelden dat medicijnen weliswaar deze weerstand zouden kunnen overwinnen, maar dat ze niet voldoende in deze cellen kunnen ophopen om succesvol te zijn. Daarom hebben we nanodeeltjes ontworpen die gemaakt zijn van een veelvoorkomend eiwit, albumine genaamd, dat kankermedicijnen rechtstreeks kan afleveren op de plaats waar deze immuunonderdrukkende cellen zich bevinden.

Toen we onze op nanodeeltjes gebaseerde behandeling testten op muizen die genetisch gemodificeerd waren om borstkanker te hebben, waren we in staat om de tumor te elimineren en volledige remissie te bereiken. Alle muizen leefden nog 200 dagen na de geboorte. We hopen dat het zich uiteindelijk zal vertalen van diermodellen naar kankerpatiënten.

De mooie maar realistische toekomst van nanogeneeskunde

Het succes van sommige medicijnen die nanodeeltjes gebruiken, zoals de COVID-19 mRNA-vaccinsheeft geleid tot opwinding bij onderzoekers en het publiek over het mogelijke gebruik ervan bij de behandeling van verschillende andere ziekten, waaronder gesprekken over een toekomst kanker vaccin. Een vaccin voor een infectieziekte is echter: niet hetzelfde als vaccin tegen kanker. Kankervaccins vereisen mogelijk verschillende strategieën om resistentie tegen behandeling te overwinnen. Het injecteren van een op nanodeeltjes gebaseerd vaccin in de bloedbaan heeft ook andere ontwerpuitdagingen dan het injecteren in spieren.

Hoewel het gebied van nanogeneeskunde goede vooruitgang heeft geboekt bij het verkrijgen van medicijnen of diagnostiek uit het laboratorium en in de kliniek, heeft het nog een lange weg te gaan. Leren van eerdere successen en mislukkingen kan onderzoekers helpen doorbraken te ontwikkelen waarmee nanogeneeskunde zijn belofte waar kan maken.