Onderzoekers ontwerpen behandeling om botten te beschermen tijdens kankertherapie

Grafisch abstract. Credit: Bioactieve materialen (2022). DOI: 10.1016/j.bioactmat.2022.09.011

De materiaalwetenschappen-ingenieurs Melanie Coathup en Sudipta Seal van de University of Central Florida hebben een ceriumoxide-nanodeeltje – een kunstmatig enzym – ontworpen dat botten beschermt tegen schade door straling. Het nanodeeltje heeft ook aangetoond dat het de botregeneratie kan verbeteren, het verlies van bloedcellen kan verminderen en kankercellen kan helpen doden.

Hun studie, een samenwerking met Oakland University, North Carolina A&T University, de University of Sheffield en University of Huddersfield in het VK, werd gepubliceerd in Bioactieve materialen.

Ongeveer 50% van alle kankerpatiënten krijgt bestralingstherapie – een behandeling waarbij elektrisch geladen deeltjes worden gebruikt om kankercellen te doden. Ongeveer 40% van de patiënten geneest met deze therapie. Botbeschadiging is echter een bijwerking en treft ongeveer 75% van de patiënten die straling ontvangen.

“Vanwege het hoge calciumgehalte absorbeert bot 30-40% meer straling dan andere weefsels en daarom is het een veel voorkomende plaats van verwonding”, zegt Coathup, directeur van het Biionix faculteitscluster van UCF. “Straling maakt het bot broos en gemakkelijk te breken. En door de schade veroorzaakt door straling kunnen veel mensen hun botbreuk niet herstellen. Bij sommige mensen leidt dit tot een amputatie om de complicatie op te lossen.”

Terwijl radiotherapiestralen direct op de tumor worden gericht, raakt het omliggende gezonde weefsel ook beschadigd en kan dit veel extra gezondheidsproblemen voor patiënten veroorzaken.

“Op dit moment is er geen echt medicijn of therapie om gezond weefsel te beschermen tegen de schade veroorzaakt door straling”, zegt Coathup. “Dit is niet alleen een probleem voor kankerpatiënten die radiotherapie ondergaan, maar vormt ook een probleem voor astronauten en toekomstige verkenning van de diepe ruimte.”

De natuurlijke afweer van het lichaam tegen straling is een groep enzymen die antioxidanten worden genoemd, maar dit afweersysteem wordt gemakkelijk overweldigd door straling en kan het lichaam op zichzelf niet tegen schade beschermen. Seal, een toonaangevende nanotechnoloog, ontwierp het ceriumoxide-nanodeeltje – of nanoceria – dat de activiteit van deze antioxidanten nabootst en een sterker afweermechanisme heeft bij het beschermen van cellen tegen DNA-schade.

“De nanoceria werkt met een speciaal ontworpen regeneratieve roosterstructuur die verantwoordelijk is voor het vernietigen van schadelijke reactieve zuurstofsoorten, een bijproduct van stralingsbehandeling”, zegt Seal.

Coathup werkte samen met postdoctoraal onderzoeker Fei Wei en testte het nanozym in levende modellen die bestralingstherapie kregen.

“Onze studie toonde aan dat het blootstellen van ratten aan straling die vergelijkbaar is met die van kankerpatiënten, leidde tot zwakke en beschadigde botten”, zegt Coathup. “Toen we de dieren echter met het nanozym behandelden, voor en tijdens drie doses straling gedurende drie dagen, ontdekten we dat het bot niet beschadigd was en een sterkte had die vergelijkbaar was met gezond bot.”

De studie toonde ook aan dat de behandeling met nanozyme hielp kankercellen te doden, mogelijk door een toename van de zuurgraad, en beschermde tegen het verlies van witte en rode bloedcellen dat gewoonlijk voorkomt bij kankerpatiënten. Een laag aantal witte en rode bloedcellen betekent dat de patiënt vatbaarder is voor opportunistische infecties, minder goed in staat is om kanker te bestrijden en meer vermoeid is. Een andere interessante vondst is dat het nanodeeltje ook het vermogen van gezonde cellen om meer antioxidanten te produceren verbeterde, ontstekingen verminderde (wat ook leidt tot botverlies) en botvorming bevorderde.

Toekomstig onderzoek zal trachten de juiste dosering en toediening van het nanozym te bepalen en verder te onderzoeken hoe nanozyme helpt om kankercellen te doden. De onderzoekers zullen hun studies ook richten op borstkanker, aangezien vrouwen vatbaarder zijn voor botbeschadiging dan mannen.

“Kankerpatiënten worstelen al met het bestrijden van één ziekte”, zegt Coathup. “Ze zouden zich geen zorgen hoeven te maken over botbreuken en weefselbeschadiging. Dus we hopen dat deze doorbraak overlevenden zal helpen een normaal en gezond leven te leiden.”