Mycket liten, melanin-täckta nanopartiklar kan skydda benmärgen från de skadliga effekterna av strålbehandling, enligt forskare vid Albert Einstein College of Medicine vid Yeshiva University som framgångsrikt testade strategin i musmodeller. Att ingjuta dessa partiklar i mänskliga patienter kan lova i framtiden. Forskningen beskrivs i det aktuella numret av International Journal of Radiation Oncology, Biologi och fysik .
Strålbehandling används för att döda cancerceller och krympa tumörer. Men eftersom strålning också skadar normala celler, läkare måste begränsa dosen. Melanin, det naturligt förekommande pigmentet som ger hud och hår dess färg, hjälper till att skydda huden från de skadliga effekterna av solljus och har visat sig skydda mot strålning.
"En teknik för att skydda normala celler från strålningsskador skulle tillåta läkare att administrera högre doser av strålning till tumörer, göra behandlingen mer effektiv, sa Ekaterina Dadachova, Ph.D., docent i nuklearmedicin och i mikrobiologi och immunologi och Sylvia och Robert S. Olnicks fakultetsforskare i cancerforskning vid Einstein, samt senior författare till studien.
I tidigare publicerad forskning, Dr Dadachova och kollegor visade att melanin skyddar mot strålning genom att hjälpa till att förhindra bildandet av fria radikaler, som orsakar DNA-skador, och genom att rensa bort de fria radikaler som bildas.
"Vi ville ta fram ett sätt att ge skyddande melanin till benmärgen, " sade Dr Dadachova. "Det är där blod bildas, och benmärgsstamcellerna som producerar blodkroppar är extremt mottagliga för de skadliga effekterna av strålning."
Dr Dadachova och hennes kollegor fokuserade på att förpacka melanin i partiklar så små att de inte skulle fångas av lungorna, lever eller mjälte. De skapade "melanin-nanopartiklar" genom att belägga små (20 nanometer i diameter) kiseldioxid (sand) partiklar med flera lager av melaninpigment som de syntetiserade i sitt laboratorium.
Forskarna fann att dessa partiklar framgångsrikt fastnat i benmärgen efter att ha injicerats i möss. Sedan, i en serie experiment, de undersökte om deras nanopartiklar skulle skydda benmärgen hos möss som behandlats med två typer av strålning.
I det första experimentet, en grupp möss injicerades med nanopartiklar och en andra grupp inte. Tre timmar senare, båda grupperna exponerades för strålning från hela kroppen. Under de kommande 30 dagarna, forskarna övervakade blodet från mössen, letar efter tecken på benmärgsskada såsom minskat antal vita blodkroppar och blodplättar.
Jämfört med kontrollgruppen, de som fick melanin-nanopartiklar före strålningsexponering klarade sig mycket bättre; deras nivåer av vita blodkroppar och blodplättar sjönk mycket mindre hastigt. Tio dagar efter bestrålning, till exempel, Blodplättsnivåerna hade bara sjunkit med 10 procent hos möss som hade fått nanopartiklar jämfört med en minskning med 60 procent hos obehandlade möss. Vidare, nivåerna av vita blodkroppar och blodplättar återgick till det normala mycket snabbare än hos kontrollmössen.
Ett andra experiment bedömde inte bara benmärgsskydd utan om nanopartiklarna kan ha den oönskade effekten att infiltrera och skydda tumörer som riktas mot strålning. Två grupper av möss injicerades med melanomceller som bildade melanomtumörer. Efter att en grupp möss injicerades med melanin-nanopartiklar, båda grupperna fick en experimentell strålbehandling designad av Dr Dadachova och hennes kollegor specifikt för behandling av melanom.
Denna behandling använder en strålningsutsändande isotop som är "piggybacked" på en antikropp som binder till melanin. När det injiceras i blodomloppet, antikropparna låser sig på de fria melaninpartiklarna som frisätts av celler i melanomtumörer. Deras isotoper avger sedan strålning som dödar närliggande melanomtumörceller.
Efter det andra experimentet, melanomtumörerna krympte signifikant och i samma utsträckning i båda grupperna av möss - vilket tyder på att de melaniserade nanopartiklarna inte stör strålbehandlingens effektivitet. Och åter igen, de melaniserade nanopartiklarna förhindrade strålningsinducerad benmärgsskada:mellan den tredje och sjunde dagen efter att antikropp-isotopstrålbehandlingen administrerades, möss injicerade med nanopartiklar upplevde en minskning av vita blodkroppar som var betydligt mindre än vad som inträffade hos möss som inte förbehandlats med nanopartiklar.
"Förmågan att skydda benmärgen kommer att tillåta läkare att använda mer omfattande cancerdödande strålbehandlingar och detta kommer förhoppningsvis att översättas till högre tumörsvarsfrekvens, sa Arturo Casadevall, M.D., Ph.D., professor i medicin och i mikrobiologi &immunologi, Leo och Julia Forchheimer ordförande i mikrobiologi och immunologi, och en medförfattare till studien.
Vissa nanopartiklar kunde fortfarande hittas i benmärgen 24 timmar efter deras injektion, vilket inte borde vara något problem. "Eftersom nanopartiklarna snabbt avlägsnas av fagocytiska celler, de kommer sannolikt inte att skada benmärgen, " sa Dr Dadachova. "Vi upptäckte inga biverkningar i samband med administrering av partiklarna."
"Dessa resultat är uppmuntrande för andra potentiella tillämpningar av melanin, inklusive strålskydd av andra strålningskänsliga vävnader, såsom mag-tarmkanalen, " noterade Andrew Schweitzer, M.D., tidigare Howard Hughes Medical Institute-stipendiat vid Einstein och huvudförfattare till studien.
Kliniska prövningar som testar om melaniserade nanopartiklar kan skydda cancerpatienter som genomgår strålbehandling kan börja om två till tre år, Dr Dadachova förutspådde. Hon noterade också att melaniserade nanopartiklar också kan ha andra tillämpningar, till exempel att skydda arbetare som ansvarar för att sanera kärnkraftsolyckor, skydda astronauter mot strålningsexponering i rymden, eller till och med skydda människor efter en kärnvapenattack.
