Att använda ljusskördande nanopartiklar för att omvandla laserenergi till "plasmoniska nanobubblor, forskare vid Rice University, University of Texas MD Anderson Cancer Center och Baylor College of Medicine (BCM) utvecklar nya metoder för att injicera läkemedel och genetiska nyttolaster direkt i cancerceller. I tester på läkemedelsresistenta cancerceller, forskarna fann att leverans av kemoterapiläkemedel med nanobubblor var upp till 30 gånger mer dödlig för cancerceller än traditionell läkemedelsbehandling och krävde mindre än en tiondel av den kliniska dosen.

"Vi levererar cancerläkemedel eller annan genetisk last på encellsnivå, " sa Rices Dmitri Lapotko, en biolog och fysiker vars plasmoniska nanobubbleteknik är föremål för fyra nya peer-reviewed studier, inklusive en som kommer senare denna månad i journalen Biomaterial och en annan publicerad 3 april i tidskriften PLoS ETT . "Genom att undvika friska celler och leverera läkemedlen direkt inuti cancerceller, vi kan samtidigt öka läkemedlets effektivitet samtidigt som vi sänker dosen."

Att tillföra läkemedel och terapier selektivt så att de påverkar cancerceller men inte friska celler i närheten är ett stort hinder för läkemedelstillförsel. Att sortera cancerceller från friska celler har varit framgångsrikt, men det är både tidskrävande och dyrt. Forskare har också använt nanopartiklar för att rikta in sig på cancerceller, men nanopartiklar kan tas upp av friska celler, så att fästa läkemedel till nanopartiklarna kan också döda friska celler.

Riss nanobubblor är inte nanopartiklar; snarare, de är kortlivade händelser. Nanobubblorna är små fickor av luft och vattenånga som skapas när laserljus träffar ett kluster av nanopartiklar och omvandlas omedelbart till värme. Bubblorna bildas strax under ytan av cancerceller. När bubblorna expanderar och spricker, de öppnar kort små hål i cellernas yta och låter cancerläkemedel rusa in. Samma teknik kan användas för att leverera genterapier och andra terapeutiska nyttolaster direkt in i cellerna.

Den här metoden, som ännu inte testats på djur, kommer att kräva mer forskning innan det kan vara redo för mänskliga tester, sa Lapotko, fakultetsstipendiat i biokemi och cellbiologi samt i fysik och astronomi vid Rice.

De Biomaterial studie som kommer senare denna månad rapporterar selektiv genetisk modifiering av mänskliga T-celler i syfte att behandla cancerceller. Pappret, som är medförfattare av Dr. Malcolm Brenner, professor i medicin och pediatrik vid BCM och chef för BCM:s centrum för cell- och genterapi, fann att metoden "har potentialen att revolutionera läkemedelsleverans och genterapi i olika tillämpningar."

"Mekanismen för injektion av nanobubblor är ett helt nytt tillvägagångssätt för läkemedels- och genleverans, ", sa Brenner. "Det lovar mycket att selektivt rikta in sig på cancerceller som är blandade med friska celler i samma kultur."

Lapotkos plasmoniska nanobubblor genereras när en puls av laserljus träffar en plasmon, en våg av elektroner som skvalpar fram och tillbaka över ytan av en metallnanopartikel. Genom att matcha laserns våglängd med plasmonens, och slå in precis rätt mängd laserenergi, Lapotkos team kan se till att nanobubblor bara bildas runt kluster av nanopartiklar i cancerceller.

Att använda tekniken för att få läkemedel genom en cancercells skyddande yttervägg, eller cellmembran, kan dramatiskt förbättra läkemedlets förmåga att döda cancercellen, som visat av Lapotko och MD Andersons Xiangwei Wu i två nya studier, en i Biomaterial i februari och ytterligare en i Avancerade material i mars.

"Att övervinna läkemedelsresistens är en av de stora utmaningarna inom cancerbehandling, ", sa Wu. "Att rikta plasmoniska nanobubblor till cancerceller har potential att förbättra läkemedelsleveransen och cancercelldödande."

För att bilda nanobubblor, forskarna måste först få guldnanoklustren inuti cancercellerna. Forskarna gör detta genom att märka enskilda guldnanopartiklar med en antikropp som binder till cancercellens yta. Celler får i sig guldnanopartiklarna och binder ihop dem i små fickor precis under deras ytor.

Medan några guldnanopartiklar tas upp av friska celler, cancercellerna tar upp mycket mer, och selektiviteten av proceduren beror på det faktum att den lägsta tröskeln för laserenergi som behövs för att bilda en nanobubbla i en cancercell är för låg för att bilda en nanobubbla i en frisk cell.