Läkemedelstillförsel är en återkommande gåta inom cancerbehandling. Forskare har utvecklat många läkemedel mot cancer. Men dessa droger skadar ofta friska vävnader, och läkemedel kan till och med bryta ner i blodomloppet innan de når tumörstället. Anticancerläkemedel kan hålla längre om de löses upp i vissa kemiska lösningar, men många kommer med potentiellt giftiga biverkningar.

Nanopartiklar är en lovande typ av läkemedelsleveranssystem. Även känd som nanobärare, dessa små partiklar kan binda till läkemedel och skydda dem från nedbrytning tills de kommer in i tumörceller. Men deras effektivitet som drogbärare och drogskyddare, såväl som potentiell toxicitet hos patienter, beror mycket på deras storlek, sammansättning och kemiska egenskaper. Att balansera dessa konkurrerande faktorer är en känslig process. Även om forskare har gjort betydande framsteg inom nanomedicin under det senaste decenniet, det förblev en formidabel utmaning att designa och syntetisera små, stabila nanopartiklar som kan leverera tillräckligt med läkemedel för att behandla fasta tumörer.

Tidigare i år meddelade forskare vid University of Washington att de har uppnått en sådan balansgång med ett nanopartikelbaserat läkemedelsleveranssystem som säkert kan färja ett kraftfullt cancerläkemedel genom blodomloppet. Som de rapporterar i en artikel publicerad i maj Material idag , deras nanopartikel härrör från kitin, en naturlig och organisk polymer som, bland annat, utgör de yttre skalen av räkor.

Laget, ledd av Miqin Zhang, en UW-professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i neurologisk kirurgi, visat att deras kitin-härledda system framgångsrikt kan färja Taxol, ett potent läkemedel mot cancer som också är känt som paklitaxel, genom blodomloppet och hämmar tumörtillväxt och spridning, även känd som metastaser, hos möss. Nanopartiklarna visade inga negativa biverkningar, sannolikt eftersom de delvis härrör från naturligt förekommande polymer.

"Detta kan utgöra grunden för en ny klass av tillförselsystem för nanopartiklar som kan transportera läkemedel mot cancer genom kroppen på ett säkert sätt, utan toxiska biverkningar från nanopartikelmaterialet, sa Zhang, som också är en fakultetsforskare vid UW Institute for Nano-Engineered Systems och Molecular Engineering and Sciences Institute.

Nanopartiklarna, en gång laddad med Taxol, är cirka 20,6 nanometer i diameter. Det är ungefär 1/4000 av bredden på ett människohår, enligt U.S. National Nanotechnology Initiative. Partiklarna är tillräckligt små för att resa genom blodkärl och komma till potentiellt kompakta tumörplatser.

Zhangs team började med att ladda Taxol-partiklar på mycket längre strängar av kitosan, ett material som härrör från kitin. Nanofibrerna bryts ner för att bilda nanopartiklar när de utsätts för serum, ett blodprotein, antingen i laboratoriet eller i kroppen. Forskare visade att drogladdade nanofibrer, när de injiceras i möss, bröts snabbt ner i de små nanopartiklarna – tack vare serumproteiner i blodet – och kunde cirkulera fritt i blodomloppet, komma in i organ och nå tumörställen.

Teamet utsatte Taxol-laddade nanopartiklar för en störtflod av experiment för att se vad de kunde göra med tumörer. I cellkulturer av musceller i bröstcancer, en majoritet av cancercellerna visade tecken på celldöd 48 timmar efter behandlingen, vilket tyder på att nanopartikelassocierad Taxol kan komma in i cancerceller och försämra celltillväxten minst lika bra som fritt flytande Taxol. Hos möss, Taxol-laddade nanofibrer, som bröts ner till nanopartiklar, visade 90 % hämning av brösttumörtillväxt jämfört med cirka 66 % hämning för Taxol injicerat i den kliniska lösning som används allmänt idag. Nanopartiklarna hämmade också melanomtumörtillväxt hos möss med upp till 75 %. I separata experiment på möss, Taxolladdade nanopartiklar förhindrade också spridning av bröstcancer till andra delar av kroppen, till skillnad från Taxol i en klinisk lösning.

Förutom dessa lovande fynd med tumörer, teamet fann att nanopartiklarna höll Taxol att cirkulera i blodomloppet längre, ge läkemedlet mer tid att nå tumörstället. I mössens blodomlopp, halveringstiden för Taxol-associerade nanopartiklar var nästan 25 timmar, jämfört med mindre än 2 timmar för Taxol injicerat i den kliniska lösningen. Möss injicerade med nanofibrerna visade inga tecken på toxiska biverkningar, vilket indikerar att själva nanopartiklarna inte orsakade skada på vävnader. I kontrast, den kliniska lösningen som används allmänt idag för Taxol kan orsaka levertoxicitet hos möss, bland andra biverkningar.

Zhang tror att de kitosan-härledda nanopartiklarna kan utgöra grunden för ett icke-toxiskt läkemedelstillförselsystem för cancer som håller terapeutika i kroppen längre för att hämma tumörtillväxt och metastaser.

"Detta är ett mycket lovande fynd. Många läkemedelstillförselsystem som används idag för läkemedel mot cancer kommer med giftiga biverkningar, och skydda inte läkemedlet särskilt länge i patientens kropp, ", sade Zhang. "Nanopartiklarna har alla egenskaper som du kan hoppas på för att få läkemedlet till tumörceller. Den lilla kitosanbaserade nanobäraren, tillverkad på plats, med unik biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet, erbjuder en ny strategi för läkemedel mot cancer och har stor potential för snabb översättning till kliniken."