Forskare vid University of California, San Diego, har designat små sfäriska partiklar för att lätt flyta genom blodomloppet efter injektion, montera sedan ihop till en hållbar ställning i sjuk vävnad. Ett enzym som produceras av en specifik typ av tumör kan utlösa omvandlingen av sfärerna till nätliknande strukturer som ackumuleras på platsen för en cancer, laget rapporterar i journalen Avancerade material Denna vecka.
Att rikta behandlingar specifikt mot cancerceller eller andra sjuka celler beror på något sätt att ackumulera höga nivåer av ett läkemedel eller annat terapeutiskt medel på den specifika platsen och hålla det där. De flesta ansträngningar hittills beror på att matcha en del av den läkemedelsavgivande molekylen till specifika receptorer på ytan av målcellen.
Inspiration till denna nya strategi kom från biologiska system som använder form för att ändra förmågan hos något att låsa sig på plats eller glida undan och fly, sa Nathan Gianneschi, professor i kemi och biokemi, som ledde projektet.
"Vi ville komma med ett nytt tillvägagångssätt, sade Gianneschi. Närmare bestämt, vi ville designa utbytbara material som vi kunde injicera i en form och få dem att byta till en annan mellan blodet och tumörerna."
Vissa cancervävnader producerar höga nivåer av en klass av molekyler som kallas MMP, för matrismetalloproteinaser. Dessa enzymer förändrar hur andra proteiner beter sig genom att ändra deras molekylära konfiguration, leder till metastaser. Gianneschi och kollegor utnyttjade denna förmåga att förändra sina nanopartiklar på ett sätt som skulle få dem att dröja kvar vid tumörplatsen.
"Vi kom på hur man gör ett autonomt material som kunde känna av sin miljö och förändras därefter, " sa Gianneschi.
Varje nanopartikel är gjord av många tvättmedelsliknande molekyler med en ände som lätt blandas med vatten och en annan som stöter bort den. I lösning, de sätts ihop till bollar med de vattenavvisande ändarna inuti, och i den konfigurationen lätt kan injiceras i en ven.
När det blandas med MMPs i flaskor, enzymerna hackade peptiderna på ytan av sfärerna, som återmonterades till nätliknande trådar.
Teamet testade konceptet ytterligare genom att injicera sina nya nanopartiklar i möss med mänskliga fibrosarkom, en sorts cancer som producerar höga nivåer av MMP.
För att markera när sfärerna gick sönder för att bilda andra strukturer, kemisterna placerade en av två fluorescerande färgämnen, rhodamin eller fluorescein, inne i sfärerna. I närheten, färgämnena samverkar för att skapa en specifik ljussignal som kallas FRET för Förster Resonance Energy Transfer, när energin hoppar från rhodamin till fluorescein.
Inom ett dygn upptäckte de FRET-signaler som indikerar att sfärerna hade återmonterats vid tumörställena, och signalen höll i sig i minst en vecka.
Behandlingen är inte i sig giftig. Det verkade inte förändra tumörerna på något sätt, och lever och njure, de organ som är mest sårbara för sidoskador från behandlingar eftersom de tar bort gifter från kroppen, var normala och friska åtta dagar efter injektionen.
Olika versioner av dessa nanopartiklar kan utformas för att svara på signaler som är inneboende i andra typer av cancer och inflammerad vävnad, säger författarna. Sfärerna kan också konstrueras för att bära droger, eller olika diagnostiska sonder.
Just nu, samma team utvecklar nanopartiklar som bär ett infrarött färgämne, vilket skulle göra det möjligt för dem att visualisera tumörer djupare inne i kroppen tillsammans med andra material som kan avbildas med instrument som är allmänt tillgängliga på kliniken.
