Onderzoekers ontwikkelen een nanodeeltje dat de bloed-hersenbarrière kan binnendringen

Onderzoekers van het Sylvester Comprehensive Cancer Center van de Miller School of Medicine van de Universiteit van Miami hebben een nanodeeltje ontwikkeld dat de bloed-hersenbarrière kan binnendringen. Hun doel is om primaire borstkankertumoren en hersenmetastasen in één behandeling te doden, en uit laboratoriumonderzoek blijkt uit hun onderzoek dat de methode borst- en hersentumoren kan verkleinen.

Hersenmetastasen, zoals deze secundaire tumoren worden genoemd, ontstaan ​​meestal uit solide tumoren zoals borst-, long- en darmkanker en gaan vaak gepaard met een slechte prognose. Wanneer kanker de hersenen binnendringt, kan de behandeling moeilijk te volgen zijn, deels vanwege de bloed-hersenbarrière, een vrijwel ondoordringbaar membraan dat de hersenen scheidt van de rest van het lichaam.

Het nanodeeltje van het Sylvester-team kan op een dag worden gebruikt om de uitzaaiingen te behandelen, met als bijkomend voordeel dat het tegelijkertijd de primaire tumor behandelt, aldus Shanta Dhar, Ph.D., universitair hoofddocent Biochemie en Moleculaire Biologie en adjunct-directeur Technologie. en Innovatie bij Sylvester, die het onderzoek leidde. Zij is de senior auteur van een artikel gepubliceerd 6 mei in het journaal Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Door het deeltje te laden met twee prodrugs die zich richten op de mitochondriën, het energieproductiecentrum van de cel, toonden de onderzoekers in preklinische studies aan dat hun methode borst- en hersentumoren kon verkleinen.

“Ik zeg altijd dat nanogeneeskunde de toekomst is, maar die toekomst hebben we natuurlijk al meegemaakt”, zegt Dhar, verwijzend naar commercieel verkrijgbare COVID-19-vaccins, die nanodeeltjes in hun formulering gebruiken. “Nanogeneeskunde is zeker ook de toekomst voor kankertherapieën.”

De nieuwe methode maakt gebruik van een nanodeeltje gemaakt van een biologisch afbreekbaar polymeer, eerder ontwikkeld door het team van Dhar, gekoppeld aan twee medicijnen die ook in haar laboratorium zijn ontwikkeld en die zich richten op de energiebronnen van kanker. Omdat kankercellen vaak een andere vorm van metabolisme hebben dan gezonde cellen, kan het onderdrukken van hun metabolisme een effectieve manier zijn om tumoren te doden zonder andere weefsels te beschadigen.

Eén van deze medicijnen is een aangepaste versie van een klassiek chemotherapiemedicijn, cisplatine, dat kankercellen doodt door DNA in snelgroeiende cellen te beschadigen, waardoor hun groei effectief wordt gestopt. Maar tumorcellen kunnen hun DNA repareren, wat soms leidt tot cisplatineresistentie.

Het team van Dhar heeft het medicijn aangepast om het doelwit te verschuiven van nucleair DNA, het DNA waaruit onze chromosomen en ons genoom bestaan, naar mitochondriaal DNA. Mitochondria zijn de energiebronnen van onze cellen en bevatten hun eigen, veel kleinere genomen – en, wat belangrijk is voor therapeutische doeleinden bij kanker, ze beschikken niet over dezelfde DNA-reparatiemachines als onze grotere genomen.

Omdat kankercellen kunnen schakelen tussen verschillende energiebronnen om hun groei en proliferatie in stand te houden, combineerden de onderzoekers hun gemodificeerde cisplatine, dat zij noemen Platin-M en valt het energiegenererende proces aan dat bekend staat als oxidatieve fosforylatie, met een ander medicijn dat ze ontwikkelden, Mito-DCAdat zich specifiek richt op een mitochondriaal eiwit dat bekend staat als kinase en de glycolyse remt, een ander soort energieopwekking.

Dhar zei dat het een lange weg is om een ​​nanodeeltje te ontwikkelen dat toegang heeft tot de hersenen. Ze heeft haar hele onafhankelijke carrière aan nanodeeltjes gewerkt, en in een eerder project waarin ze verschillende vormen van polymeren bestudeerde, merkten de onderzoekers dat een klein deel van sommige van deze nanodeeltjes in preklinische studies de hersenen bereikte. Door slijpen van deze polymeren verder ontwikkelde het team van Dhar een nanodeeltje dat zowel de bloed-hersenbarrière als het buitenmembraan van de mitochondriën kan passeren.

“Er zijn veel ups en downs geweest om dit uit te zoeken, en we werken nog steeds aan het begrijpen van het mechanisme waarmee deze deeltjes de bloed-hersenbarrière passeren,” zei Dhar.

Het team testte vervolgens het gespecialiseerde, met medicijnen gevulde nanodeeltje in preklinische onderzoeken en ontdekte dat ze zowel borsttumoren als borstkankercellen verkleinen die in de hersenen waren gezaaid om daar tumoren te vormen. De combinatie van nanodeeltjes en geneesmiddelen bleek ook niet-toxisch te zijn en verlengde de overleving aanzienlijk in laboratoriumstudies.

Vervolgens wil het team hun methode in het laboratorium testen om menselijke hersenmetastasen nauwkeuriger te repliceren, misschien zelfs met behulp van van de patiënt afkomstige kankercellen. Ze willen het medicijn ook testen in laboratoriummodellen van glioblastoom, een bijzonder agressieve hersenkanker.

“Ik ben erg geïnteresseerd in polymeerchemie, en het gebruik daarvan voor medische doeleinden fascineert me echt”, zegt Akash Ashokan, een promovendus aan de Universiteit van Miami die in het laboratorium van Dhar werkt en co-eerste auteur van het onderzoek, samen met promovendus Shrita Sarkar. “Het is geweldig om te zien dat dit wordt toegepast op kankertherapieën.”