De hersenen zijn een notoir moeilijk te behandelen orgaan, maar Johns Hopkins-onderzoekers melden dat ze een stap dichter bij een medicijnafgiftesysteem zijn dat flexibel genoeg is om een ​​aantal belangrijke uitdagingen te overwinnen die worden veroorzaakt door hersenkanker en misschien andere ziekten die dat orgaan aantasten.

In een rapport dat op 29 augustus online is gepubliceerd in Wetenschap Translationele geneeskunde , het Johns Hopkins-team zegt dat zijn bio-ingenieurs nanodeeltjes hebben ontworpen die veilig en voorspelbaar diep in de hersenen kunnen infiltreren wanneer ze worden getest in knaagdieren en menselijk weefsel.

"We zijn blij dat we een manier hebben gevonden om te voorkomen dat in drugs ingebedde deeltjes aan hun omgeving blijven kleven, zodat ze zich kunnen verspreiden zodra ze in de hersenen zijn. " zegt Justin Hanes, doctoraat, Lewis J. Ort hoogleraar Oogheelkunde, met secundaire aanstellingen in chemische en biomoleculaire engineering, biomedische techniek, oncologie, neurologische chirurgie en milieugezondheidswetenschappen, en directeur van het Johns Hopkins Center for Nanomedicine.

Na een operatie om een ​​hersentumor te verwijderen, standaard behandelingsprotocollen omvatten de toepassing van chemotherapie rechtstreeks op de operatieplaats om achtergebleven cellen te doden die niet operatief konden worden verwijderd. Daten, deze methode om tumorherhaling te voorkomen is slechts matig succesvol, gedeeltelijk, omdat het moeilijk is om een ​​dosis chemotherapie toe te dienen die hoog genoeg is om voldoende in het weefsel te dringen om effectief te zijn en laag genoeg om veilig te zijn voor de patiënt en gezond weefsel.

Om deze doseringsuitdaging te overwinnen, ingenieurs ontwierpen nanodeeltjes - ongeveer een duizendste van de diameter van een mensenhaar - die het medicijn in kleine, constante hoeveelheden over een bepaalde periode. Conventionele nanodeeltjes voor medicijnafgifte worden gemaakt door medicijnmoleculen samen met microscopische, snaarachtige moleculen in een strakke bal, dat langzaam afbreekt als het in contact komt met water. Volgens Charles Eberhart, MD, een patholoog van Johns Hopkins en een bijdrage aan dit werk, deze nanodeeltjes hebben historisch gezien niet erg goed gewerkt omdat ze aan de cellen op de toedieningsplaats kleven en de neiging hebben om niet dieper in het weefsel te migreren.

Elisabeth Nance, een afgestudeerde student in chemische en biomoleculaire engineering aan Hopkins, en Hopkins neurochirurg Graeme Woodworth, MD, vermoedde dat de penetratie van geneesmiddelen zou kunnen worden verbeterd als de nanodeeltjes van de medicijnafgifte minimaal interageerden met hun omgeving. Nance bekleedde voor het eerst nano-sized plastic kralen van verschillende groottes met een klinisch getest molecuul genaamd PEG, of poly(ethyleenglycol), waarvan door anderen was aangetoond dat ze nanodeeltjes beschermen tegen de afweermechanismen van het lichaam. Het team redeneerde dat een dichte laag PEG de kralen ook gladder zou kunnen maken.

Het team injecteerde vervolgens de gecoate kralen in plakjes knaagdier- en menselijk hersenweefsel. Ze labelden de kralen eerst met gloeiende tags waardoor ze de kralen konden zien terwijl ze door het weefsel bewogen. In vergelijking met niet-PEG-gecoate kralen, of kralen met een minder dichte PEG-coating, ze ontdekten dat een dichte coating van PEG grotere kralen toestond om het weefsel binnen te dringen, zelfs die kralen die bijna twee keer zo groot waren als voorheen werd gedacht dat ze het maximaal mogelijke waren voor penetratie in de hersenen. Ze testten deze kralen vervolgens in levende knaagdierhersenen en vonden dezelfde resultaten.

De onderzoekers namen vervolgens biologisch afbreekbare nanodeeltjes met het chemotherapie-medicijn paclitaxel en bedekten ze met PEG. Zoals verwacht, in hersenweefsel van ratten, nanodeeltjes zonder de PEG-coating bewogen heel weinig, terwijl PEG-bedekte nanodeeltjes zichzelf vrij goed verdeelden.

"Het is echt opwindend dat we nu deeltjes hebben die vijf keer meer drugs kunnen vervoeren, laat het drie keer zo lang los en dringt verder door in de hersenen dan voorheen, ", zegt Nance. "De volgende stap is om te kijken of we tumorgroei of herhaling bij knaagdieren kunnen vertragen." Woodworth voegde eraan toe dat het team "de deeltjes ook wil optimaliseren en ze wil combineren met medicijnen om andere hersenziekten te behandelen, zoals multiple sclerose, hartinfarct, traumatische hersenschade, Alzheimer en Parkinson." Een ander doel voor het team is om hun nanodeeltjes intraveneus toe te kunnen dienen, dat is onderzoek dat ze al zijn begonnen.