Licht lang is gebruikt om kanker te behandelen. Maar fototherapie is alleen effectief waar licht gemakkelijk kan komen, het gebruik ervan beperken tot kankers van de huid en in gebieden die toegankelijk zijn met een endoscoop, zoals het maagdarmkanaal.

Met behulp van een muismodel van kanker, onderzoekers van de Washington University School of Medicine in St. Louis hebben een manier bedacht om op licht gebaseerde therapie toe te passen op diepe weefsels die nog nooit eerder toegankelijk waren. In plaats van een buitenlicht te laten schijnen, ze leverden licht rechtstreeks aan tumorcellen, samen met een lichtgevoelige bron van vrije radicalen die door het licht kunnen worden geactiveerd om kanker te vernietigen. En ze bereikten dit met behulp van materialen die al zijn goedgekeurd voor gebruik bij kankerpatiënten.

De studie verschijnt op 9 maart in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Fototherapie werkt heel goed en heeft weinig bijwerkingen, maar het kan niet worden gebruikt voor diep ingebedde of uitgezaaide tumoren, " zei senior auteur Samuel Achilefu, doctoraat, hoogleraar radiologie en biomedische technologie aan de Washington University. "In het algemeen, licht schijnen op lichtgevoelige materialen genereert vrije radicalen die zeer giftig zijn en celdood veroorzaken. Maar de techniek heeft alleen goed gewerkt als licht en zuurstof daar kunnen komen. De behoefte aan zuurstof en de ondiepe penetratie van licht in weefsel hebben de vooruitgang op dit gebied decennialang beperkt."

De lichtbron die de onderzoekers gebruikten, is gebaseerd op een fenomeen dat Cerenkov-straling wordt genoemd. geïdentificeerd in de jaren dertig door Pavel Cerenkov, die later de Nobelprijs voor de natuurkunde won voor de ontdekking. Cerenkov-straling is verantwoordelijk voor de karakteristieke blauwe gloed van kernreactoren onder water. Het wordt ook geproduceerd tijdens positronemissietomografie (PET)-scans die artsen gebruiken om kanker te diagnosticeren.

Achilefu en eerste auteur Nalinikanth Kotagiri, MD, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker, gericht op een veelgebruikte beeldvormingsstrategie genaamd FDG-PET. Met deze techniek, patiënten ondergaan een PET-scan na ontvangst van een intraveneuze dosis radioactief gelabelde suikermoleculen, fluorodeoxyglucose (FDG) genaamd. Veel tumoren nemen de suiker op om hun snelle groei te ondersteunen, en het aangehechte radioactieve fluor laat die tumoren oplichten op een PET-scan, ongeacht waar ze zich in het lichaam bevinden.

De onderzoekers veronderstelden dat het radioactieve fluor ook genoeg Cerenkov-straling zou produceren om een ​​fotosensibiliserend middel te activeren als het ook op dezelfde locatie zou kunnen worden afgeleverd.

Op deze manier, FDG kan twee doelen dienen, het voortzetten van zijn rol als beeldvormend middel en het toevoegen van de nieuwe taak om licht voor fototherapie te leveren, volgens Kotagiri.

"FDG is een van de meest gebruikte beeldvormende middelen ter wereld, " zei Achilefu. "Dat is het mooie van dit behandelingsparadigma. Het wordt tegenwoordig in ziekenhuizen gebruikt om primaire en uitgezaaide kanker te vinden. Dus met FDG als onze lichtbron, we moesten een materiaal vinden dat giftig wordt als het wordt blootgesteld aan het licht dat het produceert."

Na een aantal opties bekeken te hebben, de onderzoekers richtten zich op nanodeeltjes gemaakt van titaniumdioxide, een mineraal met brede toepassingen in de geneeskunde en de industrie, waaronder in heupimplantaten, zonnescherm, tandpasta en levensmiddelenadditieven. Bij blootstelling aan licht, titaandioxide produceert vrije radicalen zonder dat zuurstof nodig is voor de reactie. Om te zien of ze de potentie van de nanodeeltjes kunnen vergroten, de onderzoekers voegden ook een medicijn toe met de naam titanoceen aan het oppervlak van het nanomateriaal.

"Titanoceen is goedgekeurd voor gebruik in onderzoek bij mensen, " Zei Achilefu. "Het ging helemaal naar Fase 2 klinische proeven als een chemotherapeutisch middel. Het is veilig bevonden, maar het werkte niet zo goed in vergelijking met een placebo. Nog altijd, het is ook bekend dat het in wisselwerking staat met licht met een lage intensiteit en in vrije radicalen breekt. We besloten om te kijken of we het konden leren om zijn werk anders te doen - om te fungeren als een fototherapeutisch medicijn in plaats van een chemotherapeutisch medicijn."

Om de nanodeeltjes te helpen bij tumoren bij muizen, de onderzoekers bedekten de deeltjes ook met een eiwit genaamd transferrine dat zich bindt aan ijzer in het bloed. Zoals suiker, veel tumoren vertrouwen op ijzer om te groeien. Achilefu wees erop dat dit ijzerbindende eiwit slechts één voorbeeld is van een manier om de nanodeeltjes op kankercellen te richten.

De onderzoekers testten verschillende formuleringen van de nanodeeltjes en het kankermedicijn in combinatie met de FDG-lichtbron bij muizen met menselijke longtumoren en fibrosarcoom, een tumor van het bindweefsel. Door deze muizen te vergelijken met onbehandelde muizen, ze testten de volgende combinaties:FDG plus tumorzoekende nanodeeltjes alleen (geen kankermedicijn), FDG plus tumorzoekend kankermedicijn alleen (geen nanodeeltjes), en FDG plus tumorzoekende nanodeeltjes die het kankermedicijn dragen.

Bij injectie in de bloedbaan met FDG, de tumorzoekende nanodeeltjes die het kankermedicijn droegen, hadden het meest significante effect. Vijftien dagen na de behandeling tumoren in behandelde muizen waren acht keer kleiner dan die in onbehandelde muizen.

Muizen die alleen FDG plus tumorzoekende nanodeeltjes kregen, overleefden ongeveer 30 dagen vergeleken met een gemiddelde van 15 dagen voor onbehandelde muizen. Ze vonden ook ongeveer dezelfde overleving van 30 dagen voor muizen die FDG kregen plus alleen het tumorzoekende kankermedicijn - zonder de nanodeeltjes. De overleving nam toe tot 50 dagen voor muizen die alle drie de componenten kregen:FDG plus de tumorzoekende nanodeeltjes die het kankermedicijn bevatten.

"Blootgesteld aan de lichtbron, de titaniumdioxide-nanodeeltjes alleen kunnen kanker doden, " zei Achilefu. "Maar het toevoegen van het medicijn lijkt de therapeutische uitkomst te verbeteren. De twee produceren samen verschillende soorten vrije radicalen die tumorcellen overweldigen. Onze formulering gebruikt ook doses van het medicijn die veel lager zijn dan die voor chemotherapie zouden worden toegediend."

Kotagiri voegde eraan toe dat toxische bijwerkingen minimaal zouden moeten zijn. Zowel het licht als het lichtgevoelige materiaal zijn gericht op de tumor, en het materiaal is niet giftig tenzij geactiveerd door de lichtbron, die alleen op de tumorplaats zou moeten voorkomen.

Achilefu en Kotagiri plannen een kleine klinische proef bij mensen om de direct beschikbare componenten van deze strategie te evalueren, beginnend met FDG gecombineerd met het onderzoeksgeneesmiddel tegen kanker.