Glioblastoom multiforme, een kanker van de hersenen, ook bekend als "octopustumoren" vanwege de manier waarop de kankercellen hun ranken uitbreiden naar het omliggende weefsel, is vrijwel onbruikbaar, resistent tegen therapieën, en altijd dodelijk, meestal binnen 15 maanden na aanvang. Elk jaar, glioblastoma multiforme (GBM) doodt ongeveer 15, 000 mensen in de Verenigde Staten. Een van de belangrijkste obstakels voor behandeling is de bloed-hersenbarrière, het netwerk van bloedvaten waardoor essentiële voedingsstoffen de hersenen kunnen binnendringen, maar de doorgang van andere stoffen blokkeert. Wat hard nodig is, is een middel om therapeutische medicijnen effectief door deze barrière te transporteren. Een nanowetenschapsexpert van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft misschien de oplossing.

Ting Xu, een polymeerwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die gespecialiseerd is in het zelf assembleren van bio/nano hybride materialen, heeft een nieuwe familie van nanodragers ontwikkeld die zijn gevormd uit de zelfassemblage van amfifiele peptiden en polymeren. Genaamd "3HM" voor coiled-coil 3-helix micellen, deze nieuwe nanodragers voldoen aan alle vereisten voor grootte en stabiliteit voor het effectief afleveren van een therapeutisch medicijn aan GBM-tumoren. Amfifielen zijn chemische verbindingen die zowel hydrofiele (waterminnende) als lipofiele (vetminnende) eigenschappen hebben. Micellen zijn bolvormige aggregaten van amfifielen.

In een recente samenwerking tussen Xu, Katherine Ferrara aan de Universiteit van Californië (UC) Davis, en John Forsayeth en Krystof Bankiewicz van UC San Francisco, 3HM-nanodragers werden getest op GBM-tumoren bij ratten. Met behulp van de radioactieve vorm van koper (koper-64) in combinatie met positronemissietomografie (PET) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), de samenwerking toonde aan dat 3HM de bloed-hersenbarrière kan passeren en zich kan ophopen in GBM-tumoren met bijna het dubbele van de concentratiesnelheid van de huidige door de FDA goedgekeurde nanodragers.

"Onze 3HM-nanodragers vertonen zeer goede eigenschappen voor de behandeling van hersenkanker in termen van lange bloedsomloop, diepe tumorpenetratie en lage accumulatie in off-target organen zoals de lever en milt, " zegt Xu, die ook een gezamenlijke afspraak heeft met de UC Berkeley's Departments of Materials Sciences and Engineering, en Chemie. "Het feit dat 3HM in staat is de bloed-hersenbarrière van GBM-dragende ratten te passeren en zich selectief op te hopen in tumorweefsel, opent de mogelijkheid om GBM te behandelen via intraveneuze toediening van geneesmiddelen in plaats van invasieve maatregelen. Hoewel er nog veel te leren valt over waarom 3HM kan doen wat het doet, tot nu toe zijn alle resultaten zeer positief."

Gliacellen bieden fysieke en chemische ondersteuning voor neuronen. Ongeveer 90 procent van alle cellen in de hersenen zijn gliacellen die, in tegenstelling tot neuronen, een geboortecyclus ondergaan, differentiatie, en mitose. Het ondergaan van deze cyclus maakt gliacellen kwetsbaar om kanker te worden. Wanneer ze dat doen, zoals de naam "multiforme" suggereert, ze kunnen verschillende vormen aannemen, wat detectie vaak moeilijk maakt totdat de tumoren gevaarlijk groot zijn. De meerdere vormen van een kankerachtige gliacel maken het ook moeilijk om alle ranken van de cel te identificeren en te lokaliseren. Verwijdering of vernietiging van de belangrijkste tumormassa terwijl deze ranken intact blijven, is ineffectieve therapie:zoals de mythische Hydra, de ranken zullen nieuwe tumoren ontkiemen.

Hoewel er door de FDA goedgekeurde therapeutische geneesmiddelen zijn voor de behandeling van GBM, deze behandelingen hebben weinig invloed gehad op de overlevingskans van de patiënt, omdat de bloed-hersenbarrière de accumulatie van geneesmiddelen in de hersenen heeft beperkt. Typisch, GBM-therapieën worden over de bloed-hersenbarrière vervoerd in speciale liposomen van ongeveer 110 nanometer groot. De door Xu en haar groep ontwikkelde 3HM-nanodragers zijn slechts ongeveer 20 nanometer groot. Hun kleinere omvang en unieke hiërarchische structuur gaven de 3HM-nanodragers veel meer toegang tot GBM-tumoren van ratten dan 110 nanometer-liposomen in de tests uitgevoerd door Xu en haar collega's.

"3HM is een product van fundamenteel onderzoek op het snijvlak van materiaalwetenschap en biologie, " zegt Xu. "Toen ik begon bij Berkeley, Ik verkende hybride nanomaterialen op basis van eiwitten, peptiden en polymeren als een nieuwe familie van biomaterialen. Tijdens het proces van het begrijpen van de hiërarchische assemblage van amfifiele peptide-polymeerconjugaten, mijn groep en ik merkten een ongewoon gedrag van deze micellen op, vooral hun ongebruikelijke kinetische stabiliteit in het bereik van 20 nanometer. We hebben gekeken naar de kritieke behoeften aan nanodragers met deze eigenschappen en hebben de behandeling van GBM-kanker als een mogelijke toepassing geïdentificeerd."

Copper-64 werd gebruikt om zowel 3HM- als liposoom-nanodragers te labelen voor systematische PET- en MRI-onderzoeken om erachter te komen hoe de grootte van een nanodrager de farmacokinetiek en biodistributie bij ratten met GBM-tumoren zou kunnen beïnvloeden. De resultaten bevestigden niet alleen de effectiviteit van 3HM als GBM-bezorgingsvaten, ze suggereren ook dat PET- en MRI-beeldvorming van nanodeeltjesdistributie en tumorkinetiek kan worden gebruikt om het toekomstige ontwerp van nanodeeltjes voor GBM-behandeling te verbeteren.

"Ik dacht dat onze hybride 3HM-materialen nieuwe therapeutische mogelijkheden voor GBM zouden kunnen bieden, maar ik had niet verwacht dat het zo snel zou gebeuren, " zegt Xu, die een patent heeft gekregen voor de 3HM-technologie.