(PhysOrg.com) -- I decennier, forskare har arbetat med att utveckla nanopartiklar som levererar cancerläkemedel direkt till tumörer, minimera de toxiska biverkningarna av kemoterapi. Dock, även med de bästa av dessa nanopartiklar, endast cirka 1 procent av läkemedlet når vanligtvis sitt avsedda mål.

Nu, ett team av forskare från MIT, Sanford-Burnham Medical Research Institute, och University of California i San Diego har designat en ny typ av leveranssystem där en första våg av nanopartiklar kommer in i tumören, kallar sedan in en mycket större andra våg som dispenserar cancerläkemedlet. Denna kommunikation mellan nanopartiklar, möjliggörs av kroppens egen biokemi, ökade läkemedelsleveransen till tumörer med över 40 gånger i en musstudie.

Denna nya strategi kan förbättra effektiviteten hos många läkemedel mot cancer och andra sjukdomar, säger Geoffrey von Maltzahn, en före detta MIT doktorand nu vid Cambridge-baserade Flagship VentureLabs, och huvudförfattare till en artikel som beskriver systemet i onlineupplagan av Nature Materials den 19 juni.

"Vad vi har visat är att nanopartiklar kan konstrueras för att göra saker som att kommunicera med varandra i kroppen, och att dessa förmågor kan förbättra effektiviteten med vilken de hittar och behandlar sjukdomar som cancer, säger von Maltzahn.

Senior författare till tidningen är Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknologi och medlem av MIT:s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Von Maltzahn och Bhatia hämtade sin inspiration från komplexa biologiska system där många komponenter samverkar för att uppnå ett gemensamt mål. Till exempel, immunförsvaret fungerar genom ett mycket orkestrerat samarbete mellan många olika typer av celler.

"Det finns vackra exempel genom hela biologin där i systemskala, komplexa beteenden uppstår som ett resultat av interaktion, samarbete, och kommunikation mellan enkla enskilda komponenter, säger von Maltzahn.

MIT-teamets tillvägagångssätt är baserat på blodkoagulationskaskaden – en serie reaktioner som startar när kroppen upptäcker skada på ett blodkärl. Proteiner i blodet som kallas koagulationsfaktorer interagerar i en komplex kedja av steg för att bilda strängar av fibrin, som hjälper till att täta skadestället och förhindra blodförlust.

För att utnyttja kommunikationskraften i den kaskaden, forskarna behövde två typer av nanopartiklar - signalering och mottagning.

Signalerande partiklar, som utgör den första vågen, lämna blodomloppet och anlända till tumörplatsen via små hål i de läckande blodkärlen som vanligtvis omger tumörer (detta är samma sätt som de flesta riktade nanopartiklar når sin destination). Väl framme vid tumören, denna första våg av partiklar provocerar kroppen att tro att en skada har inträffat på en tumörplats, antingen genom att avge värme eller genom att binda till ett protein som sätter igång koagulationskaskaden.

Mottagande partiklar är belagda med proteiner som binder till fibrin, vilket lockar dem till platsen för blodkoagulering. Dessa andra vågspartiklar bär också en drognyttolast, som de släpper när de når tumören.

I en studie av möss, ett system med kommunicerande nanopartikelsystem levererade 40 gånger mer doxorubicin (ett läkemedel som används för att behandla många typer av cancer) än icke-kommunicerande nanopartiklar. Forskarna såg också en motsvarande förstärkt terapeutisk effekt på tumörer hos möss som behandlats med kommunicerande nanopartiklar.

För att bana väg för potentiella kliniska prövningar och myndighetsgodkännande, MIT-forskarna undersöker nu sätt att ersätta komponenter i dessa kooperativa nanosystem med läkemedel som redan testas på patienter. Till exempel, läkemedel som inducerar koagulering vid tumörställen skulle kunna ersätta signalpartiklarna som testades i denna studie.

Jeffrey Brinker, professor i kemiteknik vid University of New Mexico, säger att den nya strategin är ett smart sätt att förbättra läkemedelsleveransen till tumörställen. "Istället för att rikta in sig på själva tumören, det är inriktat på en mikromiljö som de har skapat, ” säger han. "Genom att utveckla dessa nanosystem i en tvåstegsstrategi, som skulle kunna användas i kombination med många andra strategier.”