Omid Farokhzads vision om medicinens framtid låter mycket som science fiction. Han ser medicinen nedskalad, med försvinnande små nanopartiklar som spelar en stor roll, leverera läkemedelsdoser uppmätta i molekyler direkt till cancertumörer.

Han ser "teranostiska" partiklar som inte bara levererar nanoterapi, men också stråla tillbaka diagnostiska bilder av förändrade tumörceller. Han ser "smarta" nanopartiklar som släpper ut små doser droger, såsom insulin, som svar på kroppsförhållanden, som att ändra blodsockernivån.

Farokhzad ser nanopartikelbaserade vacciner som kan ta glädjen ur rökning och vända allergier, och utveckling av terapeutiska nanopartiklar som kan tas oralt istället för injiceras, öppnar helt nya medicinklasser, som kolesterolsänkande statiner, till nanopartikelbehandling.

En docent i anestesi vid Harvard Medical School (HMS) och Harvard-anslutna Brigham and Women's Hospital (BWH), Farokhzad ser dessa saker för att han hjälper till att förverkliga dem. Av de sju riktade nanopartikelbaserade läkemedelskandidaterna som för närvarande är i mänskliga prövningar, två är baserade på teknik som delvis utvecklats i hans labb.

"Jag tror att medicinen som mina egna barn kommer att se under de närmaste 30 till 40 åren kommer att skilja sig mycket från vad vi utövar idag, "sa Farokhzad, direktören för Brighams laboratorium för nanomedicin och biomaterial. "Riktade terapier kommer att vara grundpelaren i behandlingen för nästan alla sjukdomar."

Nanopartiklar är kapslar i molekylär skala som kan leverera små nyttolaster, såsom cancerläkemedel, in i kroppen. En vanlig metod använder fettmolekyler för att skapa partiklarna, som släpper ut läkemedlen inuti när fettet bryts ner. Farokhzad, bygger på arbete av forskaren Robert Langer vid Massachusetts Institute of Technology, har utvecklat nanopartiklar med kontrollerad frisättning gjorda av polymerer istället för fett. Dessa motstår bättre nedbrytning och släpper därför ut läkemedel under längre perioder.

Om sjukdomen inte dödar dig ...

Att använda en nanopartikel med kontrollerad frisättning i terapin har flera fördelar jämfört med konventionell läkemedelsleverans, Sa Farokhzad. Partiklar med molekyler som binder till utsidan av cancerceller kan rikta in sig på en tumörcell och släppa ut läkemedel direkt till maligniteten. Dessutom, partiklarnas utökade överlevnad i blodomloppet förlänger tumörcellernas exponering för läkemedlet mot cancer, leverera en större kumulativ dos till tumören även om toxiciteten sänks för resten av kroppen.

I traditionell kemoterapi, till exempel, läkare spränger hela patientens kropp med kemikalier i ett försök att döda tumörceller. Nästan alla läkemedel, dock - upp till 99 procent, Farokhzad sa - saknar tumören helt. Istället, de mycket giftiga kemikalierna träffar andra organ och vävnader, tvinga läkare till en högtrådsakt som balanserar tumördödande effektivitet och toxicitet, vilket kan leda till en rad biverkningar, och till och med döda patienten.

Dessutom, Farokhzad sa, den traditionella kemoinfusionen resulterar i en kortvarig puls under vilken tumören ser det mesta av läkemedlet. Koncentrationerna faller då vanligtvis snabbt när kroppen rensar bort kemikalien.

Vid behandling med kontrollerad frisättning, nanopartikelkoncentrationen är också högst i blodet omedelbart efter infusion, men eftersom läkemedlet frigörs från partiklarna långsammare, dess toppkoncentration - och dess högsta toxicitet - är lägre, trubbiga oönskade biverkningar.

På tumörstället, det motsatta händer. Nanopartiklarnas förmåga att låsa sig på tumörceller ger mellan fem och tio gånger dosen av traditionell kemoterapi när som helst. Och eftersom partiklar cirkulerar i blodet längre, tumörens exponering är också längre.

"En tumör ser en väsentligt ökad läkemedelskoncentration jämfört med läkemedlet som ges i konventionell form och resten av kroppen ser ungefär samma nivå av läkemedlet, "Sade Farokhzad." [Men] det levereras mycket mer försiktigt med tiden. "

Två potentiella terapier baserade på arbete i Farokhzads laboratorium är i mänskliga tester. Den första, BIND-014, använder riktad nanoterapi för lung- och prostatatumörer. Läkemedelskandidaten klarade nyligen fas 1 -studier, som är inriktade på ett läkemedels säkerhet, och gick in i fas 2 -försök, som mäter terapins effektivitet. Farokhzad sa att det molekylära målet på prostatacancercellen också finns på cellerna i tumörblodkärlen, ger terapin potentiellt bredare cancerbekämpande tillämpningar.

Den andra terapin, som är i fas 1 -försök, är ett nikotin -nanopartikelvaccin, avsett att hjälpa rökare att sluta och förhindra återfall för dem som har gjort det. Vaccinet fungerar genom att sensibilisera immunsystemet för nikotin, en liten molekyl som normalt slipper immunsystemet på väg till hjärnans nöjescentra. Vaccinet gör nikotin synligt för immunsystemet, rensa den från kroppen och ta bort den behagliga känslan den orsakar.

Försöken drivs av två av de tre företag som Farokhzad har grundat sedan 2007. Det första, Bind terapeutik, etablerades för att utveckla det tidiga löftet om riktade nanopartiklar för cancerbehandling. Den andra, Selecta Biosciences, grundades på samma sätt för att bedriva nanopartikelbaserad vaccinutveckling. Det tredje företaget, Blanda terapeutik, designar läkemedelsmolekyler som är optimerade från början för att arbeta med nanopartiklar för att rikta infektionssjukdomar, inflammation, smärta, och cancer.

Klarar "vem bryr sig" -testet

Farokhzad, som tog sin doktorsexamen från Boston University, drogs till nanopartikelforskning under sitt residens vid BWH. Förutom hans kliniska uppgifter, han forskade på transkriptionsfaktorer som reglerar uttrycket av gener som är involverade i myeloid differentiering, men han letade efter ett projekt som hade en kortsiktig potential att förbättra livet för patienter som han såg på kliniken varje dag.

"Jag steg bara tillbaka ... och tittade på helheten. Om jag gjorde allt bra och förstod transkriptionell reglering av dessa gener, vems liv skulle det förändras? Vid slutet av dagen, klarar det "vem bryr sig" -testet? "sa Farokhzad." Jag ville ha saker som hade en mänsklig tillämpning, en innovation på bänk som kan gå till sängs. "

Farokhzad hörde talas om Langer, som driver det största biomedicinska laboratoriet i världen och har bedrivit banbrytande arbete inom vävnadsteknik och system för läkemedelsleverans, inklusive långvariga nanopartiklar. Han kontaktade Langer, som gick med på att ta honom som postdoc.

Farokhzad undersökte skapa nanopartiklar med nukleinsyror på ytan som binder till specifika platser på cancerceller, som en nyckel som passar ett lås, som han beskrev det. År 2004, han visade att tekniken fungerade på celler i en labrätt och, ett år senare, höll ett föredrag på en internationell cancerkonferens i Paris som beskriver experiment som visar att tekniken fungerade hos djur.

"Jag trodde att om det fanns ett sätt att rumsligt kontrollera vilka vävnader som såg mer av läkemedlet, det skulle vara ett paradigmskifte, "Sa Farokhzad.

Svaret var omedelbart. Konferensarrangörerna valde att hans arbete skulle vara bland de få resultat som de främjade från konferensen, och medial uppmärksamhet drog riskkapitalister som ville finansiera nästa stora upptäckt.

Farokhzad, som hade lämnat Langers laboratorium 2004 för att starta ett eget labb på Brigham, vände sig till Langer, som han visste hade startat flera företag. Tillsammans, de två grundade Bind Therapeutics.

"Han tog det helt till en enorm ny nivå, "Langer sa om Farokhzads utveckling av tidigare nanopartikelforskning." Omid brinner för att göra upptäckter till nya produkter som kan hjälpa människors liv. "

Farokhzad tog inte bara från Langers laboratorium ett intresse för nanopartiklar, han antog också Langers uppfattning att den privata industrin är en viktig partner för att föra upptäckter till patienten.

"Min filosofi har varit:" Hur får du dessa saker till allmänheten? " Vårt labb har en ganska bra storlek och klarar sig ganska bra när det gäller bidrag, men du kan bara gå så långt i vad du förväntar dig att elever ska göra, "Langer sa." Dessa företag tillhandahåller ett fantastiskt fordon för att föra dessa idéer från labbet till kliniken. "

Verktyg för att leverera nödvändiga läkemedel

I dag, Farokhzads laboratorium tar upp en hel våning plus en del av en annan i Brighams Medical Research Building i Bostons Longwood Medical Area. Dess 30 utredare, inklusive stipendiater och studenter, utforska sätt att göra nanopartiklar med nya egenskaper som kan göra dem användbara i terapi. En av hans gamla kamrater, Jinjun Shi, har fått en tid som biträdande professor i anestesi och flyttar upp för att öppna sitt eget labb.

Nanopartiklar, Farokhzad sa, kan konstrueras för att göra mer än att bara rikta specifika celler. De kan användas flexibelt för att svara på hur många terapeutiska utmaningar som helst, eliminera behovet av att hitta föreningar som i sig själva är både effektiva terapier och effektiva leveranssystem i kroppen.

En ny dragning har varit att utveckla en nanopartikel utan att använda organiska lösningsmedel eftersom lösningsmedlen reagerar med vissa typer av terapeutiska läkemedel, bryta ner dem innan de kan komma in i blodomloppet. Ytterligare en insats, i samarbete med Langer och Richard Blumberg, professor i medicin vid HMS och Brigham, har varit att utveckla en partikel som kan tas oralt. Processen härmar den naturliga processen genom vilken spädbarn får antikropparna som ger dem sitt första skydd när de kommer in i världen. Barnen absorberar antikropparna i sin mors bröstmjölk, och antikropparna passerar tarm/blodbarriären för att ge dem immunskydd. När nanopartiklar är fästa på antikroppar, de kan ta en tur in i blodomloppet genom en barriär som de inte kunde korsa ensamma.

"Om muntlig leverans av biologer är så svårt, varför gör barn det så effektivt? "frågade Farokhzad.

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.