Arbetar tillsammans, Johns Hopkins biomedicinska ingenjörer och neurokirurger rapporterar att de har skapat små, biologiskt nedbrytbara "nanopartiklar" som kan bära DNA till hjärncancerceller hos möss.

Teamet säger att resultaten av deras principiella experiment tyder på att sådana partiklar laddade med "dödsgener" en dag kan ges till hjärncancerpatienter under neurokirurgi för att selektivt döda alla kvarvarande tumörceller utan att skada normal hjärnvävnad.

En sammanfattning av forskningsresultaten publicerades online den 26 april i tidskriften ACS Nano .

"I våra experiment, våra nanopartiklar levererade framgångsrikt en testgen till hjärncancerceller hos möss, där den sedan slogs på, säger Jordan Green, Ph.D., en biträdande professor i biomedicinsk teknik och neurokirurgi vid Johns Hopkins University School of Medicine. "Vi har nu bevis för att dessa små trojanska hästar också kommer att kunna bära gener som selektivt inducerar död i cancerceller, samtidigt som friska celler lämnas friska."

Green och hans kollegor fokuserade på glioblastom, den mest dödliga och aggressiva formen av hjärncancer. Med standardbehandlingar av kirurgi, kemoterapi och strålning, medianöverlevnadstiden är bara 14,6 månader, och förbättring kommer bara med förmågan att döda tumörceller som är resistenta mot standardbehandlingar, enligt Alfredo Quiñones-Hinojosa, M.D., en professor i neurokirurgi vid Johns Hopkins University School of Medicine och en medlem av forskargruppen.

Eftersom naturen skyddar hjärnan genom att göra det svårt att nå sina celler genom blodet, ansträngningarna vände sig till användningen av partiklar som kunde bära tumörförstörande DNA-instruktioner direkt till cancerceller under operationen.

De första experimenten använde sig av cancerceller som Quiñones-Hinojosa och hans team tog bort från villiga patienter och växte i laboratoriet tills de bildade små cellsfärer, kallas onkosfärer, sannolikt är den mest resistenta mot kemoterapi och strålning, och kan skapa nya tumörer.

Quiñones-Hinojosa arbetade sedan med Green för att hitta ett fordon för gener som skulle orsaka död i onkosfärerna. Greens laboratorium är specialiserat på att producera små, runda partiklar gjorda av biologiskt nedbrytbar plast vars egenskaper kan optimeras för att utföra olika medicinska uppdrag. Genom att variera atomerna i plasten, teamet kan göra partiklar som har olika storlekar, stabilitet och affinitet för vatten eller olja. För denna studie, Greens team skapade dussintals olika typer av partiklar och testade deras förmåga att bära och leverera en testsekvens av DNA – specifikt en gen för ett rött eller grönt glödande protein – till onkosfärerna.

Genom att bedöma överlevnaden för cellerna som uppslukar partiklarna och mäta nivåerna av rött eller grönt ljus som de sänder ut, forskarna bestämde vilken formulering av partiklar som fungerade bäst, testade sedan den formuleringen på möss med cancer i hjärnan från deras patienter.

De injicerade partiklarna direkt i möss med en experimentell human hjärncancer, och in i hjärnan på friska möss för användning som jämförelse. Förvånande, friska celler producerade sällan de glödande proteinerna, även om de DNA-bärande partiklarna kom in i tumörceller och icke-tumörceller i liknande antal. "Det här är precis vad man skulle vilja se, cancerspecificitet, men vi forskar fortfarande på mekanismen som tillåter detta att inträffa, " säger Green. "Vi hoppas att våra fortsatta experiment kommer att belysa detta så att vi kan tillämpa det vi lärt oss på andra scenarier."

"Det är spännande att ha hittat ett sätt att selektivt rikta genleverans till cancerceller, " säger Quiñones-Hinojosa. "Det är en metod som är mycket mer genomförbar och säkrare för patienter än traditionell genterapi, som använder modifierade virus för att utföra behandlingen."

Han tillägger att partiklarna kan frystorkas och lagras i minst två år utan att förlora sin effektivitet. "Nanopartiklar som förblir stabila under så lång tid gör att vi kan bereda formuleringar i god tid och i stora partier, " säger Stephany Tzeng, Ph.D., en medlem av Greens team. "Detta gör dem lätta att använda konsekvent i experiment och operationer; vi tillsätter vatten till partiklarna, och de är bra att gå."

I en relaterad studie, publicerades online den 27 mars i samma tidskrift, Greens grupp visade också att en annan partikelformulering effektivt kunde bära och leverera så kallade siRNA till hjärncancerceller. siRNA är mycket små molekyler som bär genetisk information till celler, men till skillnad från DNA som kan aktivera gener, siRNA stör produktionen av särskilda proteiner och kan stänga av cancergener.

Green förklarar att siRNA måste inkapslas i partiklar som skiljer sig från de som används för att bära DNA eftersom siRNA är cirka 250 gånger mindre än de DNA-molekyler som vanligtvis används för genterapi. "siRNA är också mycket styvare än DNA, och de behöver inte gå in i cellkärnan eftersom de gör sitt arbete utanför den, i cytoplasman, " han säger.

Ett initialt bibliotek med 15 biologiskt nedbrytbara partikelformuleringar testades för deras förmåga att bära siRNA in i humana glioblastomceller som var genetiskt modifierade för att göra grönt fluorescerande protein (GFP). De siRNA som lades till partiklarna innehöll GFP-koden, så framgångsrikt riktade celler skulle sluta lysa grönt.

Genom att justera partiklarnas kemiska egenskaper, teamet kunde hitta en sammansättning som minskade GFP:s glöd i cancercellerna i hjärnan med 91 procent. För att testa partiklarnas förmåga att leverera dödsinducerande siRNA, teamet laddade partiklarna med en blandning av siRNA-koder utformade för att förhindra att viktiga proteiner tillverkas. De tillsatte sedan dessa partiklar till hjärncancerceller och till icke-cancerceller som växer i laboratoriet.

Som i deras musstudie, siRNA var mer effektivt – i det här fallet när det gällde celldöd – i hjärncancercellerna (upp till 97 procent effektiva) än i de icke-cancerceller (0 till 27 procent, beroende på nanopartikeltyp).

Green betonar att för nanopartikelbaserade genetiska terapier som är säkra för patienter, det specifika siRNA eller DNA som levereras i en klinisk behandling skulle väljas noggrant så att även om det var leverans utanför målet till friska celler, det skulle bara vara skadligt för cancercellerna. Green är uppmuntrad av resultaten hittills. "Om vi ​​kombinerar det vi har lärt oss i dessa två studier, vi kanske till och med kan designa partiklar som kan leverera DNA och siRNA samtidigt, " säger han. "Det skulle tillåta oss att finjustera den genetiska självförstöringskoden som våra partiklar levererar så att cancerceller dör och friska celler inte gör det."

"Dr. Green och hans kollegor har tagit viktiga steg för att utveckla polymera nanopartiklar för leverans av DNA och siRNA, med lovande specificitet för tumörceller och förbättrad stabilitet, sa Jessica Tucker, Ph.D., programdirektör för läkemedels- och genleveranssystem och enheter vid National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, som gav delfinansiering för dessa studier. "Även om många utmaningar fortfarande kvarstår, sådant arbete skulle potentiellt kunna förändra behandlingsresultaten för patienter med glioblastom och relaterade hjärntumörer, för vilka nuvarande terapier ger begränsade fördelar."