(PhysOrg.com) -- Blandande nanoteknik och medicinsk forskning, Sandia National Laboratories, University of New Mexico, och UNM Cancer Research and Treatment Center har tagit fram en effektiv strategi som använder nanopartiklar för att spränga cancerceller med en blandning av mördarläkemedel.

I omslagsartikeln till majnumret av Naturmaterial , tillgänglig online 17 april forskarna beskriver nanopartiklar av kiseldioxid cirka 150 nanometer i diameter som bikakeformade med håligheter som kan lagra stora mängder och olika läkemedel.

"Den enorma kapaciteten hos den nanoporösa kärnan, med sin höga yta, kombinerat med den förbättrade inriktningen av ett inkapslande lipiddubbelskikt [kallad liposom], tillåta en enda "protocell" laddad med en drogcocktail att döda en läkemedelsresistent cancercell, " säger Sandia-forskaren och UNM-professorn Jeff Brinker, huvudutredaren. "Det är en miljonfaldig ökning i effektivitet jämfört med jämförbara metoder som använder enbart liposomer - utan nanopartiklar - som läkemedelsbärare."

Nanopartiklarna och de omgivande cellliknande membranen som bildas av liposomer blir tillsammans den kombination som kallas en protocell:membranet tätar i den dödliga lasten och modifieras med molekyler (peptider) som binder specifikt till receptorer som överuttrycks på cancercellens yta. (För många receptorer är en signal om att cellen är cancerframkallande.) Nanopartiklarna ger stabilitet till det understödda membranet och innehåller och frigör den terapeutiska lasten i cellen.

En nuvarande Food and Drug Administration-godkänd nanopartikelleveransstrategi är att använda liposomer själva för att innehålla och leverera lasten. I en head-to-head-jämförelse av riktade liposomer och protoceller med identiska membran- och peptidkompositioner, Brinker och kollegor rapporterar att ju större lastkapacitet, stabilitet och inriktningseffektivitet hos protoceller leder till många gånger större cytotoxicitet [förstörelse] riktad specifikt mot mänskliga levercancerceller.

En annan fördel med protoceller jämfört med enbart lipsomer, säger huvudförfattaren Carlee Ashley, en Harry S. Truman postdoktor vid Sandias anläggning i Kalifornien i Livermore, är att liposomer som används som bärare behöver specialiserade laddningsstrategier som gör processen svårare. "Vi har visat att vi bara kan blötlägga nanopartiklar för att ladda dem med unika läkemedelskombinationer som behövs för personlig medicin. De kapslar effektivt in toxiner såväl som siRNA [ribonukleinsyra] som tystar uttryck av proteiner."

RNA, den biologiska budbäraren som talar om för cellerna vilka proteiner de ska tillverka, i detta fall används för att tysta den cellulära fabriken, ett sätt att orsaka apoptos eller celldöd. "Si" är en förkortning för "tystnad".

Lipiderna fungerar också som en sköld som begränsar giftiga kemoterapiläkemedel från att läcka från nanopartikeln tills protocellen binder till och tar fäste i cancercellen. Detta innebär att få gifter läcker in i den mänskliga värdens system, om protocellerna inte hittar några cancerceller. Denna cloaking mildrar toxiska biverkningar som förväntas av konventionell kemoterapi.

Istället, partiklarna – tillverkade tillräckligt små för att flyta under leverns och andra reningsorgans radar – kan cirkulera ofarligt i dagar eller veckor, beroende på deras konstruerade storlek, söker sitt byte.

Ett bibliotek av fager - virus som attackerar bakterier - skapades vid UNM:s nationellt ackrediterade cancercenter av samarbetspartnern David Peabody. Detta gjorde det möjligt för forskare att exponera fagerna för en grupp cancerceller och normala celler, möjliggör identifiering av peptider som binder specifikt till cancerceller men inte normala celler.

"Proteiner modifierade med en målpeptid som binder till ett visst karcinom uppvisar en 10, 000 gånger större affinitet för den cancern än för andra orelaterade celler, " sa Ashley.

Brinker tillägger, "En nyckelfunktion hos vår protocell är att dess vätskedubbelskikt tillåter högaffinitetsbindning med bara ett fåtal av dessa peptider totalt sett. Detta minskar ospecifik bindning och immunsvar."

Metoden testas på mänskliga cancerceller in vivo, och kommer inom kort att testas på mustumörer på UNM:s cancercentrum.

Forskarna fortsätter att optimera storleken på den porösa kiseldioxidpartikeln, som bildas genom aerosolisering av en prekursorlösning. Den porösa nanopartikeltillverkningsprocessen - kallad avdunstningsinducerad självmontering, och banbrytande i Brinker-labbet — producerar partiklar från 50 nm till flera mikrometer i diameter. Partikelstorlekar mellan 50 och 150 nanometer i diameter är idealiska för att maximera cirkulationen och upptaget i cancerceller, så partiklarna är förvalda efter storlek innan de bildas till protoceller.

"Deras övergripande dimensioner avgör hur brett de kommer att distribueras i blodomloppet, ", sa Brinker. "Vi ändrar vår syntes för att gynna de mindre storlekarna."

Också av betydelse för partikelns cirkulationstid är dess elektriska laddning och hydrofobicitet [att undvika vatten], som kan förbättra eller förringa dess förmåga att förbli fri från oönskade molekylära eller energiska förvecklingar.

Metoden kan vara kommersiellt tillgänglig om fem år, forskare uppskattar.