Hersentumorcellen doordrongen door afbreekbare nanodeeltjes met genetische instructies

Hersentumorcellen doordrongen door afbreekbare nanodeeltjes met genetische instructies

Anonim

door Johns Hopkins University School of Medicine

Door samen te werken, melden biomedische ingenieurs en neurochirurgen van Johns Hopkins dat ze kleine, biologisch afbreekbare "nanodeeltjes" hebben gemaakt die in muizen DNA naar hersenkankercellen kunnen vervoeren.

Het team zegt dat de resultaten van hun proof-of-principe-experiment suggereren dat dergelijke deeltjes geladen met "doodsgenen" op een dag aan hersenkankerpatiënten kunnen worden gegeven tijdens neurochirurgie om selectief resterende tumorcellen te doden zonder normaal hersenweefsel te beschadigen.

Een samenvatting van de onderzoeksresultaten verscheen online op 26 april in het tijdschrift ACS Nano .

"In onze experimenten leverden onze nanodeeltjes met succes een testgen af ​​aan hersenkankercellen bij muizen, waar het vervolgens werd ingeschakeld", zegt Jordan Green, Ph.D., een universitair docent biomedische technologie en neurochirurgie aan de Johns Hopkins University School of Medicine. "We hebben nu bewijs dat deze kleine Trojaanse paarden ook genen kunnen dragen die selectief de dood in kankercellen veroorzaken, terwijl gezonde cellen gezond blijven."

Green en zijn collega's concentreerden zich op glioblastomen, de meest dodelijke en agressieve vorm van hersenkanker. Met standaardbehandelingen van chirurgie, chemotherapie en bestraling is de mediane overlevingstijd slechts 14, 6 maanden, en verbetering zal alleen komen met het vermogen om tumorcellen te doden die resistent zijn tegen standaardbehandelingen, volgens Alfredo Quiñones-Hinojosa, MD, een professor in neurochirurgie bij de Johns Hopkins University School of Medicine en een lid van het onderzoeksteam.

Omdat de natuur de hersenen beschermt door het moeilijk te maken om haar cellen via het bloed te bereiken, richtten de inspanningen zich op het gebruik van deeltjes die tumor-vernietigende DNA-instructies tijdens operaties rechtstreeks naar kankercellen konden transporteren.

De eerste experimenten maakten gebruik van kankercellen die Quiñones-Hinojosa en zijn team verwijderden van gewillige patiënten en groeiden in het laboratorium totdat ze kleine bollen cellen vormden, oncosferen genoemd, die waarschijnlijk het meest resistent zijn tegen chemotherapie en straling en in staat zijn om te creëren nieuwe tumoren.

Quiñones-Hinojosa werkte vervolgens samen met Green om een ​​voertuig voor genen te vinden die de dood in de onosferen zouden veroorzaken. Het laboratorium van Green is gespecialiseerd in het produceren van kleine, ronde deeltjes van biologisch afbreekbaar plastic waarvan de eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd voor het voltooien van verschillende medische missies. Door de atomen in het plastic te variëren, kan het team deeltjes maken met verschillende afmetingen, stabiliteit en affiniteiten voor water of olie. Voor dit onderzoek creëerde het Green-team tientallen verschillende soorten deeltjes en testte het hun vermogen om een ​​testsequentie van DNA - met name een gen voor een rood of groen gloeiend eiwit - te dragen en af ​​te geven aan de atmosfeer.

Door de overleving van de cellen die de deeltjes overspoelen te beoordelen en de niveaus van rood of groen licht te meten die ze uitzonden, bepaalden de onderzoekers welke formulering van deeltjes het beste presteerde, en testten die formulering vervolgens bij muizen met menselijke hersenkanker die was afgeleid van hun patiënten.

Ze injecteerden de deeltjes rechtstreeks in muizen met een experimentele menselijke hersenkanker en in de hersenen van gezonde muizen voor gebruik ter vergelijking. Verrassend genoeg produceerden gezonde cellen zelden de gloeiende eiwitten, hoewel de DNA-dragende deeltjes tumorcellen en niet-tumorcellen in vergelijkbare aantallen binnengingen. "Dit is precies wat men zou willen zien, kankerspecificiteit, maar we onderzoeken nog steeds het mechanisme dat dit mogelijk maakt", zegt Green. "We hopen dat onze voortdurende experimenten hierop licht zullen werpen, zodat we wat we leren kunnen toepassen op andere scenario's."

"Het is opwindend om een ​​manier te vinden om selectief genafgifte aan kankercellen te richten", zegt Quiñones-Hinojosa. "Het is een methode die veel haalbaarder en veiliger is voor patiënten dan traditionele gentherapie, die gemodificeerde virussen gebruikt om de behandeling uit te voeren."

Hij voegt eraan toe dat de deeltjes kunnen worden gevriesdroogd en bewaard gedurende ten minste twee jaar zonder hun effectiviteit te verliezen. "Nanodeeltjes die zo lang stabiel blijven, stellen ons in staat om formules ruim van tevoren en in grote hoeveelheden samen te stellen", zegt Stephany Tzeng, Ph.D., een lid van Green's team. "Dit maakt ze gemakkelijk consistent te gebruiken in experimenten en operaties; we voegen water toe aan de deeltjes, en ze zijn goed om te gaan."

In een gerelateerde studie, online gepubliceerd op 27 maart in hetzelfde tijdschrift, toonde de groep van Green ook aan dat een andere deeltjesformulering effectief siRNA's naar hersenkankercellen kon vervoeren en afleveren. siRNA's zijn zeer kleine moleculen die genetische informatie naar cellen overbrengen, maar in tegenstelling tot DNA dat genen kan inschakelen, interfereert siRNA met de productie van bepaalde eiwitten en kan het kankergenen uitschakelen.

Green legt uit dat siRNA's moeten worden ingekapseld in deeltjes die verschillen van die welke worden gebruikt om DNA te dragen, omdat siRNA's ongeveer 250 keer kleiner zijn dan de DNA-moleculen die gewoonlijk worden gebruikt voor gentherapie. "siRNA's zijn ook veel stijver dan DNA, en ze hoeven de celkern niet binnen te gaan omdat ze hun werk daarbuiten doen, in het cytoplasma, " zegt hij.

Een initiële bibliotheek van 15 biologisch afbreekbare deeltjesformuleringen werd getest op hun vermogen om siRNA's in menselijke glioblastomacellen te dragen die genetisch waren gemodificeerd om groen fluorescerend eiwit (GFP) te maken. De siRNA's die aan de deeltjes werden toegevoegd, bevatten de GFP-code, zodat cellen met succes gericht zouden stoppen met gloeien groen.

Door de chemische eigenschappen van de deeltjes aan te passen, kon het team een ​​samenstelling vinden die de gloed van GFP in de menselijke hersenkankercellen met 91 procent verminderde. Om het vermogen van de deeltjes om dood-inducerende siRNA's af te leveren, testte het team de deeltjes met een mengsel van siRNA-codes die zijn ontworpen om te voorkomen dat belangrijke eiwitten worden gemaakt. Ze voegden deze deeltjes vervolgens toe aan hersenkankercellen en aan niet-kankerachtige hersencellen die in het laboratorium groeien.

Net als in hun muizenonderzoek was het siRNA effectiever - in dit geval bij het veroorzaken van celdood - in de hersenkankercellen (tot 97 procent effectief) dan in de niet-kankercellen (0 tot 27 procent, afhankelijk van het type nanodeeltjes) .

Green benadrukt dat voor op nanodeeltjes gebaseerde genetische therapieën die veilig zijn voor patiënten, het specifieke siRNA of DNA dat wordt afgeleverd in een klinische behandeling zorgvuldig zou worden gekozen, zodat het, zelfs als er off-target levering aan gezonde cellen zou zijn, alleen schadelijk zou zijn naar kankercellen. Groen wordt aangemoedigd door de resultaten tot nu toe. "Door de combinatie van wat we in deze twee studies hebben geleerd, kunnen we misschien zelfs deeltjes ontwerpen die tegelijkertijd DNA en siRNA kunnen leveren", zegt hij. "Dat zou ons toelaten om de genetische zelfvernietigingscode die onze deeltjes leveren af ​​te stemmen, zodat kankercellen afsterven en gezonde cellen niet."

"Dr. Green en zijn collega's hebben belangrijke stappen gezet in de ontwikkeling van polymere nanodeeltjes voor DNA- en siRNA-afgifte, met veelbelovende specificiteit voor tumorcellen en verbeterde stabiliteit, " zei Jessica Tucker, Ph.D., programmadirecteur voor geneesmiddelen- en genafgiftesystemen en apparaten bij het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, die gedeeltelijke financiering voor deze studies hebben verstrekt. "Hoewel er nog veel uitdagingen zijn, kan dergelijk werk mogelijk de behandelresultaten voor patiënten met glioblastoom en gerelateerde hersentumoren veranderen, waarvoor de huidige therapieën beperkte voordelen bieden."