Nanoteknik erbjuder kraftfulla nya möjligheter för riktade cancerterapier, men designutmaningarna är många. Northwestern University forskare är nu de första att utveckla en enkel men specialiserad nanopartikel som kan leverera ett läkemedel direkt till en cancercells kärna - en viktig funktion för effektiv behandling.
De är också de första som direkt avbildar i nanoskala dimensioner hur nanopartiklar interagerar med en cancercells kärna.
"Våra läkemedelsladdade guldnanostjärnor är små liftare, " sa Teri W. Odom, som ledde studien av mänskliga livmoderhalscancerceller och äggstockscancerceller. "De lockas till ett protein på cancercellens yta som enkelt transporterar nanostjärnorna till cellens kärna. Sedan, på kärnans tröskel, nanostjärnorna släpper ut läkemedlet, som fortsätter in i kärnan för att göra sitt arbete."
Odom är styrelsen för Lady Managers vid Columbian Exposition Professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering and Applied Science.
Med hjälp av elektronmikroskopi, Odom och hennes team fann att deras drogladdade nanopartiklar dramatiskt förändrar formen på cancercellskärnan. Det som börjar som trevligt, slät ellipsoid blir en ojämn form med djupa veck. De upptäckte också att denna förändring i form efter läkemedelsfrisättning var kopplad till celler som dör och cellpopulationen blir mindre livskraftig - båda positiva resultat när det gäller cancerceller.
Resultaten publiceras i tidskriften ACS Nano .
Sedan denna första forskning, forskarna har fortsatt med att studera effekterna av de läkemedelsladdade guldnanostjärnorna på 12 andra humana cancercellinjer. Effekten var ungefär densamma. "Alla cancerceller verkar svara på samma sätt, "Odom sa." Detta tyder på att nukleolinproteinets transportmöjligheter för funktionaliserade nanopartiklar kan vara en allmän strategi för kärnkraftsinriktad läkemedelsleverans. "
Nanopartikeln är enkel och smart designad. Den är gjord av guld och formad ungefär som en stjärna, med fem till tio poäng. (En nanostjärna är cirka 25 nanometer bred.) Den stora ytan gör det möjligt för forskarna att ladda en hög koncentration av läkemedelsmolekyler på nanostjärnan. Mindre läkemedel skulle behövas än nuvarande terapeutiska tillvägagångssätt med fria molekyler eftersom läkemedlet är stabiliserat på ytan av nanopartikeln.
Läkemedlet som används i studien är en enkelsträngad DNA-aptamer som kallas AS1411. Ungefär 1, 000 av dessa trådar är fästa på varje nanostjärns yta.
DNA-aptameren har två funktioner:den attraheras till och binder till nukleolin, ett protein som överuttrycks i cancerceller och finns på cellytan (liksom i cellen). Och när den släpptes från nanostjärnan, DNA -aptamer fungerar också som själva läkemedlet.
Bundet till nukleolinet, de läkemedelsladdade guldnanostjärnorna drar nytta av proteinets roll som en shuttle inom cellen och liftar sig till cellkärnan. Forskarna riktar sedan ultrasnabba ljuspulser - liknande den som används vid LASIK-kirurgi - mot cellerna. Det pulserade ljuset klyver bindningsfästena mellan guldytan och de tiolerade DNA-aptamererna, som sedan kan komma in i kärnan.
Förutom att tillåta att en stor mängd läkemedel laddas, nanostarns form hjälper också till att koncentrera ljuset vid punkterna, underlätta frisättning av läkemedel i dessa områden. Läkemedelsfrisättning från nanopartiklar är ett svårt problem, Odom sa, men med guldnanostjärnorna sker frisättningen lätt.
Att guldnanostjärnan kan leverera läkemedlet utan att behöva passera genom kärnmembranet betyder att nanopartikeln inte behöver ha en viss storlek, erbjuder designflexibilitet. Också, nanostjärnorna är gjorda med hjälp av en biokompatibel syntes, vilket är ovanligt för nanopartiklar.
Odom föreställer sig läkemedelsleveransmetoden, en gång optimerad, kan vara särskilt användbart i fall där tumörer är ganska nära hudens yta, såsom hud och vissa bröstcancer. (Ljuskällan skulle vara yttre än kroppen.) Kirurger som tar bort cancertumörer kan också hitta guldnanostjärnorna användbara för att utrota eventuella lösa cancerceller i omgivande vävnad.
