Personliga cancerbehandlingar och bättre benimplantat skulle kunna växa från tekniker som demonstrerats av doktoranderna Stephen W. Morton och Nisarg J. Shah, som båda arbetar i kemiteknikprofessorn Paula Hammonds labb vid MIT.

Mortons arbete fokuserar på att utveckla läkemedelsbärande nanopartiklar för att inrikta sig på svårbehandlade cancerformer – som trippelnegativ bröstcancer (TNBC) – medan Shah utvecklar beläggningar som främjar bättre vidhäftning för benimplantat.

Deras arbete delar ett materialbaserat tillvägagångssätt som använder lager-för-lager montering av nanopartiklar och beläggningar. Detta tillvägagångssätt ger kontrollerad frisättning av önskvärda komponenter från kemoterapiläkemedel till bentillväxtfaktorer. Användning av naturliga material lovar att minska skadliga biverkningar.

"Vi har alla dessa olika områden där vi försöker ta itu med olika problem relaterade till människors hälsa, säkerligen i samband med cancerforskning som är en mycket stor del av labbet nu, "Säger Shah. "Utöver det tittar vi också på hur vi kan förbättra sätten att hantera olika patientsjukdomar och skador på ett sätt som kommer att förbättra nuvarande kliniska standarder."

Det kan dock ta från fem till sju år att gå från preklinisk framgång i försöksdjur genom kliniska prövningar på människor till allmän tillgänglighet.

"Lager-för-lager tillåter oss att introducera mycket specifika material på ytan av olika substrat, vare sig det är en nanopartikel, vare sig det är ett implantat, från nanoskalan till makroskalan, " Shah förklarar. "Vi kunde introducera alla möjliga olika egenskaper genom att deponera mycket specifika material på substrat, modifiera deras ytegenskaper och så småningom få dem att göra mycket specifika saker i samband med applikationer."

Inriktning på svårbehandlade cancerformer

När den levereras genom tidsförskjuten frisättning från en liposombaserad nanopartikel, kemoterapiläkemedlen erlotinib och doxorubicin krympte tumörer hos möss, Morton och kollegor rapporterade i en ny tidning. Ett lager av hyaluronsyra främjar nanopartikelpassage genom kroppen, medan folat fäst vid deras skal hjälper nanopartiklarna att binda till receptorer på cancerceller. Studien riktade sig mot två svårbehandlade cancerformer:TNBC och icke-småcellig lungcancer. Morton var huvudförfattare tillsammans med Michael J. Lee i biologiprofessorn Michael B. Yaffes grupp vid MIT; Shah var en av flera andra medförfattare. Både Hammond, David H. Koch professor i teknik, och Yaffe, David H. Koch professor i vetenskap, är medlemmar i Koch Institute for Integrative Cancer Research vid MIT.

För en tidigare studie, ledd av postdoc-assistent Zhou J. "Jason" Deng i Hammonds grupp, Morton var en del av ett team som visade framsteg i kampen mot TNBC med en skiktad nanopartikel. De använde biologiskt nedbrytbara biopolymerer och FDA-godkända liposomer för att skapa nanopartiklar gjorda av en läkemedelsbärande kärna och ett yttre lager innehållande kort interfererande RNA (siRNA). SiRNA binder till en gen på cancercellen och blockerar den från att producera ett protein som sparkar ut kemoterapiläkemedel. Shah var också en del av det laget.

"Vi försöker designa dessa system som frigör terapier i kombination som fungerar tillsammans på ett sätt som har denna förbättrade fördel. Vi designar dessa system med fokus på material för att frigöra dem på ett sätt som kommer att engagera en cancercell och döda det på ett mer effektivt sätt, där läkemedlen samverkar och gör det med en mer potent effekt, " säger Morton.

I flera studier publicerade med början 2011, Hammond och kollegor visade hur beläggningar kunde läggas ned lager för lager för att rikta in sig på tumörceller och kontrollera läkemedelsfrisättning från kärnan. Detta tillvägagångssätt har fördelen av att öka läkemedelsstyrkan mot tumörcellen och minska skadliga biverkningar. I siRNA-arbetet, Deng, Morton, och kollegor identifierade poly-L-arginin (PLA) som en lovande kandidat eftersom det erbjöd förmågan att bära en stor mängd siRNA, samt erbjuder filmstabilitet och låg toxicitet för normala celler. I studien, de uppskattade att deras nanopartiklar innehöll cirka 3, 500 siRNA-molekyler per lager med cirka 95 procent ytbeläggning. Ett ytterligare lager av hyaluronsyra gav nanopartiklarna "smygande" förmåga att resa genom blod till tumörstället i studier på levande djur. "Resultatet här visar att en målgen i tumören effektivt kan tystas efter en enda, systemisk administrering av siRNA LbL nanopartiklar, " de skrev.

Förstärkande implantat, förbättra läkemedelstillförseln

Shah var huvudförfattare till flera artiklar om benimplantatstudier, visas i en 2013 Vetenskap translationell medicin rapportera att skiktade beläggningar innehållande benmorfogenetiskt protein-2 (BMP-2) och hydroxiapatit (HAP) producerade starkare bindning av implantat till ben hos möss. Morton var också en del av det laget.

"Hos en liten andel av människor, implantatet binder inte särskilt bra till den befintliga värdbenvävnaden och det gör att implantatet misslyckas, " förklarar Shah. Betydligt nog, beläggningarna främjade tillväxten av ny benvävnad direkt på implantaten, indikerar en potential att ersätta cementsömmen som binder nuvarande implantat till naturligt ben. Ett annat steg som kan inkluderas i lager-för-lager-tekniken är att lägga till antibiotika eller antimikrobiella polymerer som kan förhindra infektion.

Morton säger att han gick med i Hammond-Yaffe-samarbetet efter att Yaffes grupp hade visat att administrering av erlotinib och doxorubicin på ett förskjutet sätt ökade effekten av varje kemoterapiläkemedel mot cancer - men när de administrerades oberoende, de fungerade inte lika bra. "I fri form, närhelst du applicerar det på ett biologiskt system som en mus eller människa, drogerna försvinner snabbt och går inte dit de behöver gå, " Morton förklarar. "Vi försökte hitta bättre sätt att leverera dessa läkemedel på ett sätt som skulle främja denna fina synergi som de observerade i kulturen."

Morton gjorde nanopartiklarna själv, arbetade med kollegor för att analysera labbkulturer och genomförde experiment på möss i Koch-institutet. Experimenten visade tumörkrympning hos möss efter 32 dagar efter att ha fått nanopartiklarna som frisätter både erlotinib och doxorubicin på ett tidsförskjutet sätt. I kontrast, tumörtillväxten fortsatte hos båda obehandlade mössen, såväl som möss som bara fått ett enda läkemedel, doxorubicin. Djurstudierna involverade injicering av mänskliga cancerceller i möss. En fjärdeårs doktorand, Morton har ytterligare ett år på sig att försvara sin avhandling och avsluta sin doktorsexamen.

Forskare i Hammond-labbet utvecklade förra året en spraybaserad teknik för att applicera lager ovanpå nanopartiklar som genereras av PRINT-processen (Particle Replication In Non-wetting Templates), som var pionjär av Joseph DeSimone vid University of North Carolina i Chapel Hill. Morton var huvudförfattaren till den tidningen, som visade att beläggning av nanopartiklarna med hyaluronsyra funktionaliserade dem att fästa vid CD44-receptorer på TNBC-celler (BT-20).

"Att föra PRINT- och spray-LbL-teknologier tillsammans möjliggör tillverkning av medicin med utsökt kontroll över partikelsammansättningen, geometri, och ytegenskaper, tillhandahålla en spännande plattform för storskalig tillverkning av högt kontrollerade multifunktionella partiklar, " rapporterar de. Både spraybeläggningen och PRINT-tekniken kommersialiseras.

Morton och Shah samarbetade också förra året i en studie av skiktade nanopartiklar riktade mot osteosarkom, en form av skelettcancer som har en låg behandlingsfrekvens. Deras experiment visade på tumörkrympning, och i vissa fall, eliminering, i möss från behandling med nanopartiklar som bär en kombination av kemoterapi (doxorubicin) och tumörinriktning (alendronat). "För att uppnå detta, en polyelektrolyt, poly(akrylsyra) (PAA), funktionaliserades med ett bisfosfonat, alendronat, och därefter elektrostatiskt sammansatt i en nanopartikelbeläggning, " rapporterade de. Använda kliniskt säkra material, möss behandlade med nanopartiklar riktade mot osteosarkomtumörceller uppvisade minskad tumörvolym jämfört med de obelagda doxorubicin-laddade liposomkontrollnanopartiklarna.

Återställande av bentillväxt

Schah, som framgångsrikt försvarade sin doktorsavhandling i maj, använder lager-för-lager-tekniken för att regenerera vävnad som skadats av skada eller medfödd defekt, samt bättre bindning av implantat – som i konstgjorda knä- eller höftben – till naturliga vävnader.

"Vi har också tittat på att ta dessa ställningskonstruktioner som kan sättas in i kroppen på platsen för en skada, " säger Shah. "Vi har belagt byggnadsställningarna med hjälp av lager-för-lager-metoden, avsättning av ett polymerskikt, följt av ett lager av biologiskt läkemedel som kan inducera differentieringen av stamceller som finns i kroppen för att bilda celler som kan börja utsöndra mycket specifika typer av vävnad." När den väl har aktiverats, stamceller kan generera blodkärl eller ben, och läka defekter i kroppen.

Hammond och Shah patenterade en del av sitt arbete och en startup, LayerBio, försöker kommersialisera vissa aspekter av arbetet med benvävnadsteknik och leverans av läkemedel från bandage. Dessa bandage kunde hjälpa diabetespatienter eller sårade soldater. Shah agerar som konsult till företaget. Han kommer också att fortsätta i Hammond Lab som postdoc för att övervaka ett nytt projekt.

I labbet, Shah satte ihop nanopartiklar, tillverkade benställningar och belagda ställningar och implantat med hjälp av lager-för-lager-teknik. En viktig komponent är en polymer som går sönder i närvaro av vatten, en materialegenskap som kallas hydrolytisk nedbrytbarhet. Det gör att ställningen kan lösas upp naturligt när nya ben bildas för att ersätta den. Polymererna kan modifieras för att bryta ner snabbare eller långsammare.

Nästa steg ur ett forskningsperspektiv är att återskapa resultaten som finns i smådjursstudier på möss och kaniner och på större djur, som hundar eller getter. "Vi är säkra på tekniken, så vi vet vad vi behöver göra för att göra dessa stora djurstudier för att bevisa att vi i slutändan kan använda dem på patienter. Detta är ett nödvändigt steg för alla terapeutiska metoder, " förklarar Shah.

Morton hoppas att det kan finnas tillräckligt med intresse för de folatdekorerade nanopartiklarna med kombinationen av dubbla läkemedel av erlotinib och doxorubicin för att hoppa till kliniska prövningar på människor utan större djurstudier. "Det kan också vara en möjlighet, " han sa.

Fortsatta samarbeten med Brigham and Women's Hospital och Massachusetts General Hospital testar folat-dual-drug-plattformen mot tumörer i möss orsakade av TNBC-celler implanterade i dem. De primära cancercellerna isolerades från kvinnor som har haft cancern.

"Det finns verkligen ingen specifik behandling för trippelnegativ bröstcancer (TNBC), " Shah förklarar. En möjlighet kan vara en påskyndad godkännandeprocess genom FDA för att få det nya tillvägagångssättet till kliniken ännu snabbare (kanske två år), eftersom det finns ett enormt behov av en specifik terapeutisk strategi för TNBC. "Det här skulle vara först i klassen i den meningen, " han lägger till.

Morton har ytterligare ett år på sig för att avsluta sin doktorsexamen. Shah och Morton arbetar båda mycket med djur:De använder fluorescerande märkning av proteiner, läkemedel, nanopartiklar, och substrat för att spåra vad som händer när de implanteras i testdjur, särskilt hur de är fördelade i de olika delarna av kroppen. "Vi har tittat på det mycket, " säger Shah. Tumörframsteg, till exempel, spåras med hjälp av mikro-CT – i huvudsak en CAT-skanning av djuret. Samma avbildning kan användas för att spåra benbildning.

Även om deras tidigare studier inte utvärderade deras nanopartiklar för toxicitet för icke-cancerceller, en tidigare studie av cancer hos möss visade att nanopartiklar ackumulerades i levern, njurar, och hjärna. "Vi kommer att utvärdera toxiciteten utanför målet, men det har också tillåtit oss att engagera oss i samarbeten för att behandla andra typer av sjukdomar, " säger Morton. Ett nytt samarbete med en klinisk utredare från Koch Institute, Scott Floyd, tittar på glioblastom, en hjärncancer. Forskarna kommer att studera toxicitet och leta efter genetiska cancermål i glioblastomtumörer, för att leverera inhibitorer som är specifika för den cancern. "Det fina med siRNA är att du kan rikta det mot i princip vilken gen som helst. Du kan modifiera sekvensen som du införlivar i ditt siRNA, och sedan kan du rikta den mot vilken gen du vill stänga av eller kontrollera uttrycket av, " säger Morton. "I kombination med traditionell kemoterapi, till exempel, du kan verkligen designa ett antal olika kombinationer som är ganska kraftfulla."

Levererar en knock-out punch

Det är inte klart hur länge den hämmande effekten av siRNA förblir aktiv mot en målcancercell, Morton förklarar. "Det är därför dessa kombinationsterapier är trevliga, " säger han. "Om du kan framkalla den här typen av kortsiktig förlust av protein, eller vad det nu är som orsakar problemet, exponera den sedan för en andra drog för knock-out-stöten, det kan vara allt du behöver. Men jag tror att det fortfarande finns mycket att spola ut i samhället om hur länge olika siRNA och olika genmål kan undertryckas."

Eftersom inga två cancerpatienter har samma genetiska profil, de kan ha samma typ av cancer, men med olika gener som driver den aggressiva tillväxten. Baserat på genetisk screening för att identifiera de specifika drivkrafterna för enskilda patienter, siRNA kan konstrueras för att rikta in dem specifikt. "Vår teknik kan leverera dessa läkemedel mycket bra och den kan göra det på ett sätt som oberoende av varandra kommer att integrera alla dessa olika typer av terapier för personlig medicin, " säger Morton.

"Visst när den föraren är identifierad, vi kan gå tillbaka och designa specifika typer av terapi för dessa patienter, " säger Shah.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.