Gepersonaliseerde kankerbehandelingen en betere botimplantaten zouden kunnen groeien met technieken die zijn gedemonstreerd door afgestudeerde studenten Stephen W. Morton en Nisarg J. Shah, die beiden werken in het laboratorium van professor Paula Hammond van chemische technologie aan het MIT.

Mortons werk richt zich op de ontwikkeling van nanodeeltjes die medicijnen bevatten om moeilijk te behandelen kankers aan te pakken, zoals triple-negatieve borstkanker (TNBC), terwijl Shah coatings ontwikkelt die een betere hechting van botimplantaten bevorderen.

Hun werk deelt een op materialen gebaseerde benadering die gebruik maakt van laag-voor-laag assemblage van nanodeeltjes en coatings. Deze benadering verschaft gecontroleerde afgifte van gewenste componenten van chemotherapiemedicijnen aan botgroeifactoren. Het gebruik van natuurlijke materialen belooft schadelijke bijwerkingen te verminderen.

"We hebben al deze verschillende gebieden waarop we verschillende problemen met betrekking tot de menselijke gezondheid proberen aan te pakken, zeker in de context van kankeronderzoek dat nu een heel groot deel van het lab uitmaakt, ", zegt Shah. "Daarnaast kijken we ook hoe we manieren kunnen verbeteren waarop verschillende ziekten en verwondingen van patiënten worden behandeld op een manier die de huidige klinische normen zal verbeteren."

Het kan echter vijf tot zeven jaar duren om van preklinisch succes bij proefdieren via klinische proeven bij mensen naar openbare beschikbaarheid over te gaan.

"Layer-by-layer stelt ons in staat om zeer specifieke materialen op het oppervlak van verschillende substraten te introduceren, of het nu een nanodeeltje is, of het nu een implantaat is, van nanoschaal tot macroschaal, Shah legt uit. "We hebben allerlei verschillende eigenschappen kunnen introduceren door heel specifieke materialen op substraten aan te brengen, hun oppervlakte-eigenschappen aan te passen en ze uiteindelijk heel specifieke dingen te laten doen in de context van toepassingen."

Gericht op moeilijk te behandelen kankers

Wanneer geleverd door in de tijd gespreide afgifte van een op liposomen gebaseerd nanodeeltje, de chemotherapiedrugs erlotinib en doxorubicine hebben tumoren bij muizen gekrompen, Morton en collega's meldden in een recent artikel. Een laag hyaluronzuur bevordert de doorgang van nanodeeltjes door het lichaam, terwijl foliumzuur dat aan hun schaal is bevestigd, de nanodeeltjes helpt zich te binden aan receptoren op kankercellen. De studie richtte zich op twee moeilijk te behandelen kankers:TNBC en niet-kleincellige longkanker. Morton was co-auteur met Michael J. Lee in de groep van biologieprofessor Michael B. Yaffe aan het MIT; Shah was een van de vele andere co-auteurs. Zowel Hammond, de David H. Koch Professor in Engineering, en Yaffe, de David H. Koch hoogleraar in de wetenschap, zijn lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research aan het MIT.

Voor een eerder onderzoek onder leiding van postdoc-medewerker Zhou J. "Jason" Deng in de groep van Hammond, Morton maakte deel uit van een team dat vooruitgang aantoonde bij het bestrijden van TNBC met een gelaagd nanodeeltje. Ze gebruikten biologisch afbreekbare biopolymeren en door de FDA goedgekeurde liposomen om nanodeeltjes te maken die zijn gemaakt van een medicijndragende kern en een buitenlaag die kort interfererend RNA (siRNA) bevat. Het siRNA bindt zich aan een gen op de kankercel en blokkeert het van het produceren van een eiwit dat chemotherapiemedicijnen uitschakelt. Shah maakte ook deel uit van dat team.

"We proberen deze systemen te ontwerpen die therapieën in combinatie vrijgeven die samenwerken op een manier die dit verbeterde voordeel heeft. We ontwerpen deze systemen met een focus op materialen om ze vrij te geven op manieren die een kankercel zullen aangrijpen en doden het op een meer doeltreffende manier, waar de medicijnen samenwerken en dat doen met een krachtiger effect, ' zegt Morton.

In verschillende onderzoeken die vanaf 2011 zijn gepubliceerd, Hammond en collega's lieten zien hoe coatings laag voor laag kunnen worden aangebracht om tumorcellen te targeten en de afgifte van geneesmiddelen uit de kern te beheersen. Deze benadering heeft het voordeel dat het de geneesmiddelsterkte tegen de tumorcel verhoogt en schadelijke bijwerkingen vermindert. In het siRNA-werk, deng, Morton, en collega's identificeerden poly-L-arginine (PLA) als een veelbelovende kandidaat omdat het de mogelijkheid bood om een ​​grote hoeveelheid siRNA te dragen, evenals het aanbieden van filmstabiliteit en lage toxiciteit voor normale cellen. In de studie, ze schatten dat hun nanodeeltjes ongeveer 3, 500 siRNA-moleculen per laag met ongeveer 95 procent oppervlaktecoating. Een extra laag hyaluronzuur gaf de nanodeeltjes het "heimelijke" vermogen om door het bloed naar de tumorplaats te reizen in levende dierstudies. "Het resultaat hier toont aan dat een doelgen in de tumor effectief tot zwijgen kan worden gebracht na een enkele, systemische toediening van siRNA LbL-nanodeeltjes, " Zij schreven.

Versterking van implantaten, het verbeteren van de medicijnafgifte

Shah was hoofdauteur van verschillende artikelen over onderzoeken naar botimplantaten, te zien in een 2013 Wetenschap Translationele geneeskunde rapporteren dat gelaagde coatings die botmorfogenetisch eiwit-2 (BMP-2) en hydroxyapatiet (HAP) bevatten, een sterkere binding van implantaten aan botten bij muizen veroorzaakten. Morton maakte ook deel uit van dat team.

"Bij een klein percentage van de mensen het implantaat hecht niet erg goed aan het bestaande botweefsel van de gastheer en het zorgt ervoor dat het implantaat faalt, " legt Shah uit. Aanzienlijk, de coatings bevorderden de groei van nieuw botweefsel direct op de implantaten, wat wijst op een potentieel om de cementnaad te vervangen die huidige implantaten aan natuurlijk bot bindt. Een andere stap die in de laag-voor-laagtechniek kan worden opgenomen, is het toevoegen van antibiotica of antimicrobiële polymeren die infectie kunnen voorkomen.

Morton zegt dat hij zich aansloot bij de Hammond-Yaffe-samenwerking nadat de groep van Yaffe had aangetoond dat het gespreid toedienen van erlotinib en doxorubicine het effect van elk chemotherapiemedicijn tegen kanker versterkte, maar wanneer het onafhankelijk werd toegediend, ze werkten niet zo goed. "In vrije vorm, wanneer je het toepast op een biologisch systeem zoals een muis of mens, de drugs worden snel geklaard en gaan niet waar ze heen moeten, " legt Morton uit. "We probeerden betere manieren te vinden om deze medicijnen af ​​te leveren op een manier die deze mooie synergie zou bevorderen die ze in cultuur hebben waargenomen."

Morton maakte de nanodeeltjes zelf, werkte samen met collega's om laboratoriumculturen te analyseren en voerde experimenten uit op muizen in het Koch Institute. De experimenten toonden tumorkrimp bij muizen na 32 dagen na ontvangst van de nanodeeltjes, waarbij zowel erlotinib als doxorubicine op een in de tijd gespreide manier vrijkwamen. In tegenstelling tot, tumorgroei ging door bij beide onbehandelde muizen, evenals muizen die slechts een enkel medicijn kregen, doxorubicine. De dierstudies betroffen het injecteren van menselijke kankercellen in muizen. Een vierdejaarsstudent, Morton heeft nog een jaar om zijn proefschrift te verdedigen en te promoveren.

Onderzoekers in het Hammond-lab ontwikkelden vorig jaar een op spray gebaseerde techniek voor het aanbrengen van lagen op nanodeeltjes die zijn gegenereerd door het PRINT-proces (Particle Replication In Non-wetting Templates), die werd ontwikkeld door Joseph DeSimone aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. Morton was de hoofdauteur van dat artikel, waaruit bleek dat het coaten van de nanodeeltjes met hyaluronzuur ze functioneel maakte om te hechten aan CD44-receptoren op TNBC-cellen (BT-20).

"Het samenbrengen van PRINT- en spray-LbL-technologieën maakt de fabricage van medicijnen mogelijk met uitstekende controle over de deeltjessamenstelling, geometrie, en oppervlakte-eigenschappen, een opwindend platform bieden voor grootschalige productie van sterk gecontroleerde multifunctionele deeltjes, ", melden ze. Zowel de spraycoat- als de PRINT-technologieën worden gecommercialiseerd.

Morton en Shah werkten vorig jaar ook samen aan een onderzoek naar gelaagde nanodeeltjes gericht tegen osteosarcoom, een vorm van botkanker met een laag behandelpercentage. Hun experimenten toonden tumorkrimp, en in sommige gevallen, eliminatie, bij muizen van behandeling met nanodeeltjes die een combinatie van chemotherapie (doxorubicine) en tumortargeting (alendronaat) bevatten. "Om dit te behalen, een polyelektrolyt, poly(acrylzuur) (PAA), werd gefunctionaliseerd met een bisfosfonaat, alendronaat, en vervolgens elektrostatisch geassembleerd in een nanodeeltjescoating, " meldden ze. Met behulp van klinisch veilige materialen, muizen die werden behandeld met nanodeeltjes gericht op osteosarcoomtumorcellen vertoonden een verminderd tumorvolume in vergelijking met de onbeklede doxorubicine-geladen liposoomcontrole-nanodeeltjes.

Botgroei herstellen

Sjah, die in mei met succes zijn proefschrift verdedigde, maakt gebruik van de laag-voor-laag-technologie voor het regenereren van weefsel dat is beschadigd door een verwonding of een aangeboren afwijking, evenals een betere hechting van implantaten, zoals in kunstmatige knie- of heupbotten, aan natuurlijke weefsels.

"We hebben ook gekeken naar het nemen van deze steigerconstructies die in het lichaam kunnen worden geplaatst op de plaats van een verwonding, Shah zegt. "We hebben de steigers gecoat met behulp van de laag-voor-laag benadering, het afzetten van één polymeerlaag, gevolgd door een laag biologisch medicijn dat de differentiatie van stamcellen die in het lichaam aanwezig zijn kan induceren om cellen te vormen die zeer specifieke soorten weefsel kunnen afscheiden." Eenmaal geactiveerd, stamcellen kunnen bloedvaten of botten aanmaken, en geneest defecten in het lichaam.

Hammond en Shah patenteerden een deel van hun werk en een startup, LaagBio, probeert sommige aspecten van het werk in botweefselengineering en het afleveren van medicijnen uit verbanden op de markt te brengen. Die verbanden kunnen diabetespatiënten of gewonde soldaten helpen. Shah treedt op als adviseur van het bedrijf. Ook gaat hij als postdoc in het Hammond Lab aan de slag om een ​​nieuw project te begeleiden.

In het labortorium, Shah verzamelde nanodeeltjes, botsteigers en gecoate steigers en implantaten gemaakt met behulp van laag-voor-laagtechnologie. Een belangrijk onderdeel is een polymeer dat uiteenvalt in aanwezigheid van water, een materiaaleigenschap genaamd hydrolytische afbreekbaarheid. Hierdoor kan de steiger op natuurlijke wijze oplossen terwijl nieuwe botvormen worden gevormd om deze te vervangen. De polymeren kunnen worden aangepast om sneller of langzamer af te breken.

De volgende stap vanuit een onderzoeksperspectief is het reproduceren van de resultaten die zijn gevonden in kleine dierstudies van muizen en konijnen en bij grotere dieren, zoals honden of geiten. "We hebben vertrouwen in de technologie, dus we weten wat we moeten doen om deze grote dierstudies te doen om te bewijzen dat we ze uiteindelijk bij patiënten kunnen gebruiken. Dit is een noodzakelijke stap voor elke therapeutisch gebaseerde benadering, ' legt Sjah uit.

Morton hoopt dat er misschien genoeg interesse is in de met foliumzuur versierde nanodeeltjes met de dual-drug-combinatie van erlotinib en doxorubicine om naar klinische proeven bij mensen te springen zonder grotere dierstudies. “Dat zou ook een mogelijkheid kunnen zijn, " hij zei.

Voortdurende samenwerkingen met Brigham and Women's Hospital en Massachusetts General Hospital testen het folaat-dual-drug-platform tegen tumoren bij muizen die worden veroorzaakt door TNBC-cellen die erin zijn geïmplanteerd. De primaire kankercellen werden geïsoleerd van vrouwen die de kanker hebben gehad.

"Er is niet echt een specifieke therapie voor triple-negatieve borstkanker (TNBC), " legt Shah uit. Een mogelijkheid zou een versneld goedkeuringsproces door de FDA kunnen zijn om de nieuwe benadering van de kliniek nog sneller (misschien twee jaar) te krijgen, omdat er een enorme behoefte is aan een specifieke therapeutische strategie voor TNBC. "Dit zou in die zin de eerste van de klas zijn, " hij voegt toe.

Morton heeft nog een jaar te gaan om zijn doctoraat af te ronden. Shah en Morton werken allebei veel met dieren:ze gebruiken fluorescerende etikettering van eiwitten, verdovende middelen, nanodeeltjes, en substraten om te volgen wat er gebeurt als ze eenmaal zijn geïmplanteerd in proefdieren, vooral hoe ze zijn verdeeld in de verschillende delen van het lichaam. “We hebben daar uitgebreid naar gekeken, "zegt Shah. Tumorvooruitgang, bijvoorbeeld, wordt gevolgd met behulp van micro-CT - in wezen een CAT-scan van het dier. Dezelfde beeldvorming kan worden gebruikt om botvorming te volgen.

Hoewel hun eerdere onderzoeken hun nanodeeltjes niet evalueerden op toxiciteit voor niet-kankercellen, een eerdere studie van kanker bij muizen toonde aan dat nanodeeltjes zich ophoopten in de lever, nieren, en hersenen. "We zullen de off-target toxiciteit evalueren, maar het heeft ons ook in staat gesteld om samen te werken voor de behandeling van andere soorten ziekten, " zegt Morton. Een nieuwe samenwerking met een klinische onderzoeker van het Koch Institute, Scott Floyd, kijkt naar glioblastoom, een hersenkanker. De onderzoekers gaan de toxiciteit bestuderen en zoeken naar genetische kankerdoelen in glioblastoomtumoren, om remmers af te geven die specifiek zijn voor die kanker. "Het mooie van siRNA is dat je het op vrijwel elk gen kunt richten. Je kunt de sequentie wijzigen die je in je siRNA opneemt, en dan kun je het richten op elk gen waarvan je de expressie wilt uitschakelen of controleren, " zegt Morton. "In combinatie met traditionele chemotherapeutica, bijvoorbeeld, je kunt echt een aantal verschillende combinaties ontwerpen die behoorlijk krachtig zijn."

Het leveren van een knock-out punch

Het is niet duidelijk hoe lang het remmende effect van siRNA actief blijft tegen een doelkankercel, legt Morton uit. "Daarom zijn deze combinatietherapieën fijn, "zegt hij. "Als je dit soort eiwitverlies op korte termijn kunt veroorzaken, of wat het ook is dat het probleem veroorzaakt, stel het dan bloot aan een tweede medicijn voor de knock-out punch, dat is misschien alles wat je nodig hebt. Maar ik denk dat er nog veel moet worden weggespoeld in de gemeenschap over hoe lang verschillende siRNA's en verschillende gendoelen kunnen worden onderdrukt."

Omdat geen twee kankerpatiënten hetzelfde genetische profiel hebben, ze kunnen dezelfde soort kanker hebben, maar met verschillende genen die de agressieve groei aansturen. Op basis van genetische screening om de specifieke drijfveren voor individuele patiënten te identificeren, siRNA kan worden gemanipuleerd om ze specifiek te targeten. "Onze technologie kan deze medicijnen heel goed afleveren en dat kan op een manier die onafhankelijk al deze verschillende soorten therapieën voor gepersonaliseerde geneeskunde zal omvatten, ' zegt Morton.

"Zeker als die bestuurder is geïdentificeerd, we kunnen teruggaan en specifieke soorten therapie voor die patiënten ontwerpen, "zegt Sjah.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.