Nanotechnologie biedt krachtige nieuwe mogelijkheden voor gerichte kankertherapieën, maar de ontwerpuitdagingen zijn talrijk. Wetenschappers van de Northwestern University zijn nu de eersten die een eenvoudig maar gespecialiseerd nanodeeltje hebben ontwikkeld dat een medicijn rechtstreeks in de kern van een kankercel kan afleveren - een belangrijk kenmerk voor een effectieve behandeling.

Ze zijn ook de eersten die direct op nanoschaal afbeelden hoe nanodeeltjes interageren met de kern van een kankercel.

"Onze met drugs beladen gouden nanosterren zijn kleine lifters, " zei Teri W. Odom, die de studie van menselijke baarmoederhals- en eierstokkankercellen leidde. "Ze worden aangetrokken door een eiwit op het oppervlak van de kankercel dat de nanosterren gemakkelijk naar de celkern brengt. op de drempel van de kern, de nanosterren geven het medicijn af, die doorgaat in de kern om zijn werk te doen."

Odom is de Board of Lady Managers van de Columbian Exposition Professor of Chemistry aan het Weinberg College of Arts and Sciences en een professor in materiaalkunde en engineering aan de McCormick School of Engineering and Applied Science.

Met behulp van elektronenmicroscopie, Odom en haar team ontdekten dat hun met medicijnen beladen nanodeeltjes de vorm van de kankercelkern drastisch veranderen. Wat begint als een leuk, gladde ellipsoïde wordt een ongelijke vorm met diepe plooien. Ze ontdekten ook dat deze vormverandering na het vrijkomen van het medicijn verband hield met het afsterven van cellen en het minder levensvatbaar worden van de celpopulatie - beide positieve resultaten bij het omgaan met kankercellen.

De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Sinds dit eerste onderzoek de onderzoekers zijn doorgegaan met het bestuderen van effecten van de met medicijnen beladen gouden nanosterren op 12 andere menselijke kankercellijnen. Het effect was ongeveer hetzelfde. "Alle kankercellen lijken op dezelfde manier te reageren, " zei Odom. "Dit suggereert dat de pendelcapaciteiten van het nucleoline-eiwit voor gefunctionaliseerde nanodeeltjes een algemene strategie zouden kunnen zijn voor nucleair gerichte medicijnafgifte."

Het nanodeeltje is eenvoudig en slim ontworpen. Het is gemaakt van goud en heeft de vorm van een ster, met vijf tot tien punten. (Een nanoster is ongeveer 25 nanometer breed.) Door het grote oppervlak kunnen de onderzoekers een hoge concentratie geneesmiddelmoleculen op de nanoster laden. Er zou minder medicijn nodig zijn dan de huidige therapeutische benaderingen met behulp van vrije moleculen, omdat het medicijn op het oppervlak van het nanodeeltje is gestabiliseerd.

Het medicijn dat in de studie werd gebruikt, is een enkelstrengs DNA-aptameer genaamd AS1411. ongeveer 1, 000 van deze strengen zijn bevestigd aan het oppervlak van elke nanoster.

Het DNA-aptameer heeft twee functies:het wordt aangetrokken door en bindt aan nucleoline, een eiwit dat tot overexpressie wordt gebracht in kankercellen en wordt aangetroffen op het celoppervlak (evenals in de cel). En wanneer vrijgelaten uit de nanoster, het DNA-aptameer fungeert ook als het medicijn zelf.

Gebonden aan de nucleoline, de met drugs beladen gouden nanosterren profiteren van de rol van het eiwit als een shuttle in de cel en liften hun weg naar de celkern. De onderzoekers richten vervolgens ultrasnelle lichtpulsen - vergelijkbaar met die gebruikt bij LASIK-chirurgie - op de cellen. Het gepulseerde licht splitst de bindingen tussen het gouden oppervlak en de gethioleerde DNA-aptameren, die vervolgens de kern kunnen binnendringen.

Behalve dat een grote hoeveelheid geneesmiddel kan worden geladen, de vorm van de nanoster helpt ook om het licht op de punten te concentreren, het vrijgeven van medicijnen in die gebieden te vergemakkelijken. Het vrijkomen van geneesmiddelen uit nanodeeltjes is een moeilijk probleem, Odom zei, maar met de gouden nanosterren vindt de afgifte gemakkelijk plaats.

Dat de gouden nanoster het medicijn kan afgeven zonder door het kernmembraan te hoeven, betekent dat het nanodeeltje geen bepaalde grootte hoeft te hebben, ontwerpflexibiliteit bieden. Ook, de nanosterren zijn gemaakt met behulp van een biocompatibele synthese, wat ongebruikelijk is voor nanodeeltjes.

Odom stelt zich de methode voor het toedienen van medicijnen voor, eenmaal geoptimaliseerd, kan met name nuttig zijn in gevallen waarin tumoren zich vrij dicht bij het huidoppervlak bevinden, zoals huid- en sommige borstkankers. (De lichtbron zou zich buiten het lichaam bevinden.) Chirurgen die kankertumoren verwijderen, kunnen de gouden nanosterren ook nuttig vinden voor het uitroeien van verdwaalde kankercellen in het omringende weefsel.