Forskare vid University of California, San Diego har utvecklat en ny metod för att dölja nanopartiklar som röda blodkroppar, vilket kommer att göra det möjligt för dem att undvika kroppens immunförsvar och leverera cancerbekämpande läkemedel direkt till en tumör. Deras forskning kommer att publiceras nästa vecka i den online tidiga upplagan av Proceedings of the National Academy of Sciences.
Metoden går ut på att samla upp membranet från en röd blodkropp och linda den som en kraftfull kamouflerande mantel runt en biologiskt nedbrytbar polymer nanopartikel fylld med en cocktail av småmolekylära läkemedel. Nanopartiklar är mindre än 100 nanometer stora, ungefär samma storlek som ett virus.
"Detta är det första arbetet som kombinerar det naturliga cellmembranet med en syntetisk nanopartikel för läkemedelstillämpningar." sa Liangfang Zhang, en nanoeningeering-professor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och Moores UCSD Cancer Center. "Denna nanopartikelplattform kommer att ha liten risk för immunsvar".
Forskare har arbetat i flera år med att utveckla läkemedelsleveranssystem som efterliknar kroppens naturliga beteende för mer effektiv läkemedelsleverans. Det innebär att skapa fordon som nanopartiklar som kan leva och cirkulera i kroppen under längre perioder utan att bli attackerad av immunsystemet. Röda blodkroppar lever i kroppen i upp till 180 dagar och, som sådan, är "naturens långcirkulerande leveransfordon, " sa Zhangs elev Che-Ming Hu, en UCSD Ph.D. kandidat inom bioteknik, och första författare på tidningen.
Stealth-nanopartiklar används redan framgångsrikt i klinisk cancerbehandling för att leverera kemoterapiläkemedel. De är belagda i ett syntetiskt material som polyetylenglykol som skapar ett skyddsskikt för att dämpa immunförsvaret så att nanopartikeln hinner leverera sin nyttolast. Zhang sa att dagens smygande nanopartikelläkemedel kan cirkulera i kroppen i timmar jämfört med de minuter en nanopartikel kan överleva utan denna speciella beläggning.
Men i Zhangs studie, nanopartiklar belagda i membranen av röda blodkroppar cirkulerade i kropparna på labbmöss i nästan två dagar. Studien finansierades genom ett anslag från National Institute of Health.
En förändring mot personlig medicin
Att använda kroppens egna röda blodkroppar markerar en betydande förändring i fokus och ett stort genombrott inom området för personaliserad läkemedelsleveransforskning. Att försöka efterlikna de viktigaste egenskaperna hos en röd blodkropp i en syntetisk beläggning kräver en djupgående biologisk förståelse för hur alla proteiner och lipider fungerar på ytan av en cell så att du vet att du härmar rätt egenskaper.
Istället, Zhangs team tar bara hela ytmembranet från en verklig röd blodkropp.
"Vi närmade oss det här problemet ur teknisk synvinkel och kringgick all denna grundläggande biologi, " sa Zhang. "Om de röda blodkropparna har en sådan egenskap och vi vet att det har något att göra med membranet - även om vi inte helt förstår exakt vad som händer på proteinnivån - tar vi bara hela membranet. Du sätter manteln på nanopartikeln, och nanopartikeln ser ut som en röd blodkropp."
Att använda nanopartiklar för att leverera läkemedel minskar också de timmar det tar att långsamt droppa kemoterapiläkemedelslösningar genom en intravenös linje till bara några minuter för en enda injektion av nanopartikelläkemedel. Detta förbättrar avsevärt patientens upplevelse och överensstämmelse med den terapeutiska planen. Genombrottet kan leda till mer personlig läkemedelsleverans där ett litet prov av en patients eget blod skulle kunna producera tillräckligt mycket av det väsentliga membranet för att dölja nanopartikeln, minskar risken för immunsvar till nästan ingenting.
Zhang sa att ett av nästa steg är att utveckla ett tillvägagångssätt för storskalig tillverkning av dessa biomimetiska nanopartiklar för klinisk användning, vilket kommer att ske genom finansiering från National Science Foundation. Forskare kommer också att lägga till en målmolekyl till membranet som gör det möjligt för partikeln att söka och binda till cancerceller, och integrera teamets teknologi för att ladda läkemedel i nanopartikelkärnan så att flera läkemedel kan levereras samtidigt.
Zhang sa att det är viktigt att kunna leverera flera läkemedel i en enda nanopartikel eftersom cancerceller kan utveckla resistens mot läkemedel som levereras individuellt. Genom att kombinera dem, och ger nanopartikeln förmågan att rikta in sig på cancerceller, hela cocktailen kan släppas som en bomb inifrån cancercellen.
