Läkemedel gjorda av protein har visat sig lovande vid behandling av cancer, men de är svåra att leverera eftersom kroppen vanligtvis bryter ner proteiner innan de når sin destination.

För att komma runt det hindret, ett team av MIT-forskare har utvecklat en ny typ av nanopartiklar som kan syntetisera proteiner på begäran. När dessa "proteinfabrikspartiklar" når sina mål, forskarna kan slå på proteinsyntesen genom att lysa ultraviolett ljus på dem.

Partiklarna kan användas för att leverera små proteiner som dödar cancerceller, och så småningom större proteiner som antikroppar som sätter igång immunsystemet att förstöra tumörer, säger Avi Schroeder, en postdoc vid MIT:s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research och huvudförfattare till en artikel som visas i tidskriften Nanobokstäver .

"Detta är det första proof of concept att du faktiskt kan syntetisera nya föreningar från inerta utgångsmaterial inuti kroppen, säger Schröder, som arbetar i Robert Langers labb, Professor David H. Koch Institute vid MIT, och Daniel Andersson, en docent i hälsovetenskap och teknik och kemiteknik.

Langer och Anderson är också författare till tidningen, tillsammans med tidigare Koch-institutets postdoktorer Michael Goldberg, Christian Kastrup och Christopher Levins

Härmar naturen

Forskarna kom på idén till proteinbyggande partiklar när de försökte tänka på nya sätt att attackera metastaserande tumörer - de som spred sig från den ursprungliga cancerplatsen till andra delar av kroppen. Sådana metastaser orsakar 90 procent av dödsfallen i cancer.

De bestämde sig för att efterlikna den proteintillverkningsstrategi som finns i naturen. Celler lagrar sina proteinbyggande instruktioner i DNA, som sedan kopieras till budbärar-RNA. Att mRNA bär proteinritningar till cellstrukturer som kallas ribosomer, som läser mRNA och översätter det till aminosyrasekvenser. Aminosyror träs ihop för att bilda proteiner.

”Vi ville använda maskiner som redan har visat sig vara mycket effektiva. Ribosomer används i naturen, och de perfekterades av naturen under miljarder år för att vara den bästa maskinen som kan producera protein, " säger Schröder.

Forskarna designade de nya nanopartiklarna för att självmontera från en blandning som innehåller lipider - som bildar partiklarnas yttre skal - plus en blandning av ribosomer, aminosyror och de enzymer som behövs för proteinsyntes. I blandningen ingår också DNA-sekvenser för de önskade proteinerna.

DNA:t fångas av en kemisk förening som kallas DMNPE, som reversibelt binder till den. Denna förening frigör DNA när den utsätts för ultraviolett ljus.

"Du vill kunna trigga det så att systemet bara slås på när du vill att det ska fungera, " säger Schröder. "När partiklarna träffas av ljus, DNA:t frigörs från en burningsförening och kan sedan gå in i cykeln för att producera proteinet."

Programmerbara fabriker

I den här studien, partiklar programmerades för att producera antingen grönt fluorescerande protein (GFP) eller luciferas, båda är lätta att upptäcka. Tester på möss visade att partiklarna framgångsrikt uppmanades att producera protein när UV-ljus lyste på dem.

Att vänta tills partiklarna når sin destination innan de aktiveras kan hjälpa till att förhindra biverkningar från ett särskilt giftigt läkemedel, säger James Heath, professor i kemi vid California Institute of Technology. Dock, fler tester måste göras för att visa att partiklarna skulle nå sin avsedda destination hos människor, och att de kan användas för att producera terapeutiska proteiner, han säger.

"Det finns massor av detaljer kvar att utarbeta för att detta ska vara tillgängligt terapeutiskt tillvägagångssätt, men det är ett riktigt fantastiskt och innovativt koncept, och det sätter verkligen igång ens fantasi, säger Heath, som inte ingick i forskargruppen.

Forskarna arbetar nu med partiklar som kan syntetisera potentiella cancerläkemedel. Vissa av dessa proteiner är giftiga för både cancerceller och friska celler - men med denna leveransmetod, proteinproduktion kan endast aktiveras i tumören, undvika biverkningar i friska celler.

Teamet arbetar också med nya sätt att aktivera nanopartiklarna. Möjliga tillvägagångssätt inkluderar produktion som utlöses av surhetsnivån eller andra biologiska förhållanden som är specifika för vissa kroppsregioner eller celler.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.