En klass av konstruerade nanopartiklar-guldcentrerade sfärer mindre än virus-har visat sig vara säkra när de administreras av två alternativa vägar i en musstudie som leds av utredare vid Stanford University School of Medicine. Detta markerar det första steget uppför stegen av toxikologiska studier som, inom ett och ett halvt år, skulle kunna ge efter för mänskliga försök av de små medlen för upptäckt av kolorektal och möjligen andra cancerformer.
"Dessa nanopartiklar saknar toxicitet hos möss är ett gott tecken på att de kommer att bete sig bra hos människor, "sa Sanjiv Sam Gambhir, MD, Doktorsexamen, professor i radiologi och senior författare till studien, som kommer att publiceras den 20 april som det presenterade tidningen i Vetenskap translationell medicin .
"Tidig upptäckt av cancer, inklusive kolorektal cancer, förbättrar markant överlevnaden, " sa Gambhir. Till exempel, den utbredda användningen av koloskopi har avsevärt sänkt dödligheten i tjocktarmscancer, han sa. "Men koloskopi är beroende av det mänskliga ögat. Så det här screeningsverktyget, samtidigt som den är mycket användbar, saknar fortfarande många cancerskador som de som är för små, dunkla eller platta att bli uppmärksammade. "
Ett lovande sätt att fånga cancerskador tidigt är att anställa molekylära reportrar som attraheras av cancerskador. En metod som används involverar fluorescerande färgämnen i kombination med antikroppar som känner igen och binder till ytegenskaper hos cancerceller.
Men det tillvägagångssättet har sina nackdelar, sa Gambhir, som är chef för Molecular Imaging Program vid Stanford. Kroppens egna vävnader fluorescerar också något, komplicerade försök att identifiera tumörställen. Plus, det begränsade urvalet av färger vid vilka antikroppsfixerade färgämnen fluorescerar begränsar antalet olika tumörassocierade egenskaper som kan identifieras samtidigt. Vissa versioner av detta tillvägagångssätt har också visat sig vara giftiga för celler.
Den nya studien är den första framgångsrika demonstrationen av säkerheten för en ny klass av agenter:små guldkulor som har belagts med material utformade för att detekteras med mycket hög känslighet, sedan inneslutna i genomskinliga kiseldioxidskal och bundna till polyetylenglykolmolekyler för att göra dem mer biologiskt vänliga. Molekyler som går in på cancerceller kan fästas på dem. De resulterande nanopartiklarna mäter bara 100 nanometer i diameter.
Materialen som omger nanopartiklarnas guldcentra har speciella, om subtil, optiska egenskaper. Vanligtvis, ljus studsar av materialets yta vid samma våglängd som det hade när det träffade ytan. Men i vart och ett av de specialiserade materialen, ungefär en tiomiljondel av det inkommande ljuset studsar tillbaka i ett mönster av diskreta våglängder som är karakteristiska för det materialet. De underliggande guldkärnorna har grovslipats på ett sätt som kraftigt förstärker denna så kallade "Raman-effekt, "möjliggör samtidig upptäckt av många olika bildmaterial med ett känsligt instrument som kallas ett Raman -mikroskop.
Nanopartiklar av denna typ användes ursprungligen i valutafärger, att göra dem svåra att förfalska. Men Gambhirs laboratorium, i samarbete med Oxonica Materials, ett litet företag som ägs av Boston-baserade Cabot Corp., har anpassat dem för biologiskt bruk.
"Fotografering med dessa nanopartiklar har ett löfte om mycket tidig upptäckt av sjukdomar, även innan några grova anatomiska förändringar dyker upp, utan att fysiskt ta bort någon vävnad från patienten, sa Gambhir, som också är Virginia och D.K. Ludwig professor i cancerforskning. Men tills nu, det har inte funnits några bevis på att dessa partiklar inte är giftiga. De potentiella effekterna av allt så litet att det kan tas upp av celler kan inte tas för givet.
För att se om denna oro kunde lösas, utredarna administrerade nanopartiklarna till två grupper av möss, var och en bestående av 30 han- och 30 honor, och bedömde toxicitet på en mängd olika sätt. I varje fall, dosen var 1, 000 gånger så stora som skulle krävas för att få en tydlig signal från nanopartiklarna.
Den första gruppen på 60 möss fick nanopartiklarna rektalt. Forskarna följde upp med en serie mätningar vid fem olika tidpunkter från fem minuter till två veckor. De övervakade testdjurens blodtryck, elektrokardiogram och antal vita blodkroppar. De undersökte flera vävnader för ökat uttryck av antioxidantenzymer eller pro-inflammatoriska signalproteiner, vilket skulle föreslå fysiologisk stress på djurens celler. De färgade vävnader med färgämnen som flaggar döende celler.
Dessa inspektioner gav praktiskt taget inga tecken på stress för vävnader, och ingen alls två veckor efter administreringstiden. Viktigt, laget inspekterade vävnader via elektronmikroskopi för att ta reda på var de guldhaltiga partiklarna hade fastnat. De hittade inget guld någonstans utanför tarmen, vilket indikerar att nanopartiklarna förblev begränsade till det organet och därmed, när det administreras rektalt, utgjorde inget hot om systemisk toxicitet. Vidare, nanopartiklarna utsöndrades snabbt.
"Det sänker ribban för testning av dessa medel av Food and Drug Administration för användning för att upptäcka kolorektal cancer, eftersom det tar itu med oro för systemisk toxicitet, "Sa Gambhir.
Dock, även om nanopartiklarna hade rört sig bortom tarmen, det verkar som om de inte skulle ha orsakat några systemproblem. Vid administrering av nanopartiklarna intravenöst till den andra gruppen på 60 möss, utredarna fann återigen knappa tecken på inflammation eller andra tecken på toxicitet - och praktiskt taget inga två veckor efter administrering. The intravenously administered nanoparticles were rapidly sequestered by scavenger cells resident in organs such as the liver and spleen.
This opens the door to human tests of intravenous injections of these nanoparticles to search for tumors throughout the body. "We can attach molecules targeting breast, lung or prostate cancer to these spheres, " Gambhir said. In the study, the researchers did test nanoparticles conjugated to one such molecule:a small protein snippet, or peptide, known to be attracted to tumor cells. Again, no toxic effects were observed.
Gambhir's group is now filing for FDA approval to proceed to clinical studies of the nanoparticles for the diagnosis of colorectal cancer.
