Under de senaste 40 åren, forskare har lärt sig mycket om hur celler blir cancerösa. En del av den kunskapen har översatts till nya behandlingar, men oftast tvingas läkare förlita sig på standardkemoterapi och strålning, som kan göra nästan lika mycket skada på patienterna som de gör på tumörerna. Denna serie tittar på riktade behandlingar som är vid horisonten, och vad som behöver göras för att de ska bli verklighet.

Doxorubicin, ett läkemedel som vanligtvis används för att behandla leukemi och andra cancerformer, dödar tumörceller genom att skada deras DNA. Även om läkemedlet är effektivt, det kan också vara giftigt för hjärtceller. Under 2005, FDA godkände en ny typ av doxorubicin, känd som Doxil. I denna nya formulering, läkemedlet är insvept i en fet beläggning som kallas en liposom, vilket hindrar dess förmåga att komma in i hjärtceller (och andra friska celler).

Doxil, ordineras vanligtvis för äggstockscancer i sent skede, representerar den första generationen av cancerbehandlingar som levereras av små partiklar. Doxil-partiklar är på en skala av miljondelar av en meter, men forskare arbetar nu med partiklar i nanostorlek, som mäts i miljarddelar av meter. Sådana partiklar kan tillåta läkare att ge större doser av kemoterapi samtidigt som frisk vävnad besparas från farliga biverkningar.

Flera nanopartikelläkemedel är nu i kliniska prövningar, och många fler utvecklas i forskningslabb. Dessa partiklar har stor potential att förbättra prestandan hos befintliga cancerläkemedel, säger läkaren och ingenjören Sangeeta Bhatia, Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap vid MIT. "Kemoterapi och strålning och kirurgi är vad vi har nu, men nanoteknik växer fram som ett tillvägagångssätt som kompletterar det befintliga armamentarium av kliniska verktyg för att få en betydande inverkan, " säger hon.

Liposomer upptäcktes först för cirka 50 år sedan, men på senare tid, forskare har insett att stora syntetiska molekyler (polymerer) som polyetylenglykol (PEG) kan vara icke-toxiska och inte inducera ett immunsvar. PINNE, som består av en lång kedja av upprepade enheter som kallas etrar, kan fästas på nedbrytbara polymerer för att bilda små, drogavgivande partiklar. Dessa partiklar är anmärkningsvärt stabila och kan skydda läkemedel från kroppens eget immunsystem, som annars skulle kunna förstöra dem innan de når sin destination. För cirka 15 år sedan, forskare ledda av MIT:s institut professor Robert Langer upptäckte att PEG också lämpar sig för kemisk manipulation, gör det möjligt för forskare att skapa skräddarsydda läkemedelsleveranspartiklar.

"När nanovetenskapen började utvecklas och vi blev skickliga på att skapa våra egna nanopartiklar, vi hittade sätt att specifikt designa nanopartiklar så att de hade egenskaper vi ville ha, säger Paula Hammond, Bayer-professorn i kemiteknik och medlem av David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research vid MIT. Till exempel, forskare kan designa partiklar för att tömma sin läkemedelsnyttolast när de stöter på sura fickor inuti en tumörcell.

Forskare kan också rikta in sig på nanopartiklar specifikt för att attackera tumörceller. Det finns två sätt att göra det - ett passivt och ett aktivt. På 1980-talet forskare insåg att blodkärlen som omger tumörer har små hål, upp till 500 nanometer i diameter, som tillåter små partiklar att flöda från blodomloppet in i vätskan som omger tumören.

Även om den passiva inriktningen får nanopartiklar till rätt plats, partiklarna tvättas bort efter cirka 12 till 24 timmar, säger Hammond. "Om du vill att kemoterapin ska komma närmare sitt mål, då måste du göra något för att få cancercellen att ta upp den, " säger hon.

För detta ändamål, hon och Bhatia arbetar på nya sätt att aktivt rikta in sig på nanopartiklar genom att dekorera dem med molekyler som binder till proteiner som finns i stora mängder på tumörceller. Till exempel, de kan fästa proteiner som binder till folatreceptorer, som ligger i hög densitet på cancerceller eftersom cellerna behöver stora mängder folat för att producera nytt DNA när de delar sig. Dock, folatreceptorer finns också på friska celler, i mindre antal, så det finns fortfarande risk för oönskade biverkningar.

För att hjälpa till att övervinna det hindret, en samarbetspartner till Bhatia, Erkki Ruoslahti vid University of California i Santa Barbara, har banat väg för ett nytt sätt att screena bibliotek av proteiner för att identifiera sådana som kommer att binda exklusivt till tumörceller. Detta tillvägagångssätt har visat upp hundratals nya kandidater, säger Bhatia, som också är medlem av Koch Institute och Howard Hughes Medical Institute.

Många användningsområden för nanopartiklar

Andra nanoteknologiska metoder för cancer drar fördel av de unika fysikaliska egenskaperna hos vissa nanopartiklar. Till exempel, guld nanopartiklar absorberar olika frekvenser av ljus beroende på deras form. Stavformade partiklar absorberar nära-infrarött ljus, som kan passera genom huden. Förra året, Bhatia och en av hennes elever, Geoffrey von Maltzahn, visade att de kunde injicera guld nanorods i möss, och att sådana nanorods skulle ackumuleras vid tumörställen. När nanoroderna väl var i tumörerna, forskarna värmde dem med nära-infrarött ljus, höja temperaturen till 70 grader C, tillräckligt varmt för att döda tumörcellerna utan att skada närliggande frisk vävnad. Tekniken kan också användas för att avbilda tumörceller.

En annan lovande applikation för nanopartiklar är att leverera RNA-interferens - små RNA-strängar som kan blockera celler från att producera de proteiner som kodas av cancergener. Bygger på den idén, Hammond arbetar nu på nanopartiklar som skulle ge ett en-två slag, alternerande lager av RNA och kemoterapiläkemedel.

Än så länge, Doxil är ett av endast två liposomal cancerläkemedel som nu godkänts i USA, men andra nanopartikellevererade läkemedel är nu i kliniska prövningar. Kliniska prövningar förväntas påbörjas snart för nanopartiklar konstruerade av Langer, en medlem av Koch Institute, Harvard Medical School docent Omid Farokhzad och andra. Dessa nanopartiklar kommer att leverera kemoterapiläkemedlet docetaxel till prostatacancerpatienter. I djurstudier, partiklarna visade en 20-faldig ökning av koncentrationen vid tumörstället med minimala biverkningar.

Som med alla nya typer av medicinsk behandling, forskare bedömer också säkerhetsrisker. Under de senaste åren, ett nytt fält inom nanotoxikologi har vuxit fram för att undersöka eventuella risker som nanopartiklar kan utgöra för människor. På nanoskala, material får ofta nya egenskaper - t.ex. nanopartiklar har ett mycket högre yta-till-volymförhållande än större partiklar, vilket är viktigt eftersom det mesta av deras aktivitet sker på ytan, säger Vladimir Torchilin, chef för Center for Pharmaceutical Biotechnology and Nanomedicine vid Northeastern University.

Dock, han säger, kliniska prövningar bör avslöja om någon given nanopartikel är säker eller farlig, precis som de gör för traditionella droger. "Än så länge, det är ganska svårt att säga, uppriktig, det kan vara farligt på grund av det, det eller det, säger Torchilin, som utvecklar nanopartiklar för cancerbehandling.

Under 2007, en FDA-arbetsgrupp för nanoteknik rekommenderade att byrån utarbetar nya riktlinjer för att fastställa hur man reglerar nanoteknologiprodukter. Sålänge, kliniska prövningar som involverar nanopartiklar fortskrider precis som vilken klinisk prövning som helst. PINNE, som är huvudkomponenten i många läkemedelslevererande nanopartiklar, tillhör FDA-kategorin av ämnen "allmänt erkända som säkra."

Hammond är optimistisk att nanoteknik kommer att sluta hjälpa cancerpatienter, möjligen inom de närmaste tre till fem åren. "Jag tror att det ger alldeles för många fördelar för att vi ska kunna dra oss ifrån det, " säger hon.