Het donkere huidpigment melanine beschermt tegen de schadelijke stralen van de zon door lichtenergie te absorberen en om te zetten in warmte. Dit zou het een zeer effectief hulpmiddel kunnen maken bij de diagnose en behandeling van tumoren, zoals aangetoond door een team van de Technische Universiteit van München (TUM) en Helmholtz Zentrum München. De wetenschappers creëerden melanine-geladen celmembraan afgeleide nanodeeltjes, die de tumorbeeldvorming in een diermodel verbeterde terwijl ook de groei van de tumor werd vertraagd.

Nanodeeltjes worden beschouwd als een veelbelovend wapen in de strijd tegen tumoren vanwege het feit dat tumorweefsel ze gemakkelijker opneemt dan gezonde cellen omdat hun vasculaire systeem beter doorlaatbaar is. Een goed voorbeeld zijn de buitenste membraanblaasjes (OMV's), die in feite kleine belletjes zijn omgeven door een bacterieel membraan. Deze deeltjes van 20 tot 200 nanometer zijn interessant omdat ze biocompatibel zijn, biologisch afbreekbaar en kan gemakkelijk en goedkoop worden geproduceerd in bacteriën, ook in grote volumes. Eenmaal geladen met medicinale actieve stoffen, ze zijn gemakkelijk te beheren.

Nanodeeltjes die een zwarte lading vervoeren

Het enorme potentieel van OMV's bij de diagnose en behandeling van tumoren is aangetoond door Prof. Vasilis Ntziachristos, Hoogleraar Biologische Beeldvorming aan de TUM, en zijn team. Hun werk bouwt voort op de karakteristieke eigenschappen van OMV's en melanine.

Dr. Vipul Gujrati, eerste auteur van de studie, legt het principe uit:"Melanine absorbeert licht heel gemakkelijk, zelfs in het infraroodspectrum. We gebruiken dit licht in onze opto-akoestische beeldvormingstechniek voor tumordiagnose. Tegelijkertijd zet het deze geabsorbeerde energie om in warmte, die dan wordt uitgestoten. Warmte is ook een manier om tumoren te bestrijden - andere onderzoekers onderzoeken deze methode momenteel in klinische onderzoeken."

Opto-akoestiek, een methode die aanzienlijk is verbeterd door Ntziachristos, combineert de voordelen van optische beeldvorming en ultrasone technologie. Zwakke laserpulsen verwarmen het weefsel zachtjes, waardoor het heel kort iets uitzet. Ultrageluidsignalen worden geproduceerd wanneer het weefsel weer samentrekt als het afkoelt. De gemeten signalen variëren afhankelijk van het weefseltype. De wetenschappers leggen ze vast met speciale detectoren en 'vertalen' ze naar driedimensionale beelden. Sensormoleculen of probes (zoals OMV's) kunnen de specificiteit en nauwkeurigheid van de techniek nog verder verbeteren.

Warmteophoping vermindert tumorgroei

De wetenschappers moesten aanvankelijk een probleem overwinnen dat specifiek is voor melanine:het is niet erg oplosbaar in water en daarom moeilijk toe te dienen. Dit is waar de OMV's in het spel kwamen. De onderzoekers construeerden bacteriën op zo'n manier dat ze melanine produceren en opslaan in hun membraan afgeleide nanodeeltjes. Vervolgens testten ze de zwarte nanodeeltjes bij muizen met tumoren in hun onderrug. De deeltjes werden rechtstreeks in de tumor geïnjecteerd, die werd geëxciteerd met infrarood laserpulsen als onderdeel van de opto-akoestische procedure.

OMV's bleken geschikte sensorsondes voor deze diagnosetechniek omdat ze scherpe, contrastrijke beelden van de tumor. Ze zijn ook zeer geschikt voor benaderingen van fotothermische therapie, waar het tumorweefsel wordt verwarmd met sterkere laserpulsen om de kankercellen te doden. Door de melanine in de nanodeeltjes steeg de temperatuur van het tumorweefsel van 37 °C tot wel 56 °C. Controletumoren zonder melanine bereikten slechts een maximale temperatuur van 39 °C. In de tien dagen na de behandeling de tumoren groeiden significant langzamer dan die in de controlegroep die geen melanine-OMV's hadden gekregen. Dit warmte-effect werd versterkt door een ander positief effect van de deeltjes:door een lichte niet-specifieke ontsteking in het tumorweefsel te veroorzaken, het immuunsysteem werd geactiveerd om de tumor aan te vallen.

"Onze melanine-nanodeeltjes passen in het nieuwe medische veld van theranostica - waar therapie en diagnostiek worden gecombineerd. Dit maakt ze een zeer interessante optie voor gebruik in de klinische praktijk, ", zegt Ntziachristos. De wetenschappers zullen hun OMV's nu verder ontwikkelen om ze in de toekomst klinisch te kunnen gebruiken.