Light long har använts för att behandla cancer. Men fototerapi är bara effektivt där ljus lätt når, begränsa användningen till hudcancer och i områden som är tillgängliga med ett endoskop, såsom mag-tarmkanalen.

Med hjälp av en musmodell av cancer, forskare vid Washington University School of Medicine i St. Louis har utarbetat ett sätt att tillämpa ljusbaserad terapi på djupa vävnader som aldrig tidigare varit tillgängliga. Istället för att lysa ett yttre ljus, de levererade ljus direkt till tumörceller, tillsammans med en ljuskänslig källa av fria radikaler som kan aktiveras av ljuset för att förstöra cancer. Och de åstadkom detta med hjälp av material som redan godkänts för användning hos cancerpatienter.

Studien visas den 9 mars i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Fototerapi fungerar mycket bra och har få biverkningar, men det kan inte användas för djupt inbäddade eller metastaserande tumörer, " sa seniorförfattaren Samuel Achilefu, PhD, professor i radiologi och i biomedicinsk teknik vid Washington University. "I allmänhet, lyser ljus på ljuskänsliga material genererar fria radikaler som är mycket giftiga och inducerar celldöd. Men tekniken har bara fungerat bra när ljus och syre kan komma dit. Behovet av syre och den ytliga penetrationen av ljus i vävnad har begränsade framsteg på detta område i årtionden."

Ljuskällan som forskarna utnyttjade bygger på ett fenomen som kallas Cerenkov-strålning, identifierades på 1930-talet av Pavel Cerenkov, som senare vann Nobelpriset i fysik för upptäckten. Cerenkov-strålning är ansvarig för det karakteristiska blåa skenet från undervattenskärnreaktorer. Det produceras också under PET-skanningar (positron emission tomography) som läkare använder för att diagnostisera cancer.

Achilefu och första författaren Nalinikanth Kotagiri, MD, PhD, en postdoktor, fokuserat på en allmänt använd avbildningsstrategi som kallas FDG-PET. Med denna teknik, patienter genomgår en PET-skanning efter att ha fått en intravenös dos av radioaktivt märkta sockermolekyler som kallas fluordeoxiglukos (FDG). Många tumörer tar upp sockret för att stödja deras snabba tillväxt, och det vidhäftade radioaktiva fluoret får dessa tumörer att lysa upp på en PET-skanning, oavsett var de är i kroppen.

Forskarna antog att det radioaktiva fluoret också skulle producera tillräckligt med Cerenkov-strålning för att aktivera ett fotosensibiliserande medel om det också kunde levereras till samma plats.

På det här sättet, FDG kan tjäna två syften, fortsätter sin roll som bildbehandlingsmedel och lägger till det nya jobbet att tillhandahålla ljus för fototerapi, enligt Kotagiri.

"FDG är ett av de mest använda avbildningsmedlen i världen, " Sade Achilefu. "Det är skönheten med detta behandlingsparadigm. Det används på sjukhus idag för att hitta primär och metastaserande cancer. Så med FDG som vår ljuskälla, vi behövde hitta ett material som blir giftigt när det utsätts för ljuset det producerar."

Efter att ha tittat på ett antal alternativ, forskarna fokuserade på nanopartiklar gjorda av titandioxid, ett mineral med breda tillämpningar inom medicin och industri inklusive i höftimplantat, Solskydd, tandkräm och livsmedelstillsatser. När den utsätts för ljus, titandioxid producerar fria radikaler utan att kräva syre för reaktionen. För att se om de kunde öka styrkan hos nanopartiklarna, utredarna lade också till ett läkemedel som heter titanocen till nanomaterialets yta.

"Titanocene har godkänts för undersökningsbruk på människor, ”, sade Achilefu. ”Den gick hela vägen till kliniska prövningar för fas 2 som ett kemoterapimedel. Det visade sig vara säkert, men det fungerade inte så bra jämfört med placebo. Fortfarande, det är också känt att interagera med lågintensivt ljus och bryta in i fria radikaler. Vi bestämde oss för att se om vi kunde lära den att göra sitt jobb annorlunda - att agera som ett fototerapeutiskt läkemedel istället för ett kemoterapeutiskt läkemedel."

För att hjälpa nanopartiklarna att komma in på tumörer hos möss, forskarna belade också partiklarna med ett protein som heter transferrin som binder till järn i blodet. Som socker, många tumörer är beroende av järn för att växa. Achilefu påpekade att detta järnbindande protein helt enkelt är ett exempel på ett sätt att rikta nanopartiklarna till cancerceller.

Forskarna testade olika formuleringar av nanopartiklarna och cancerläkemedlet i kombination med FDG-ljuskällan i möss med mänskliga lungtumörer och fibrosarkom, en tumör i bindväven. Att jämföra dessa möss med obehandlade möss, de testade följande kombinationer:FDG plus enbart tumörsökande nanopartiklar (inget cancerläkemedel), FDG plus enbart tumörsökande cancerläkemedel (inga nanopartiklar), och FDG plus tumörsökande nanopartiklar som bär cancerläkemedlet.

När det injiceras i blodomloppet med FDG, de tumörsökande nanopartiklarna som bar cancerläkemedlet hade den mest betydande effekten. Femton dagar efter behandlingen, tumörer hos behandlade möss var åtta gånger mindre än hos obehandlade möss.

Möss som fick FDG plus enbart tumörsökande nanopartiklar överlevde cirka 30 dagar jämfört med i genomsnitt 15 dagar för obehandlade möss. De hittade också ungefär samma 30-dagars överlevnad för möss som fick FDG plus bara det tumörsökande cancerläkemedlet - utan nanopartiklar. Överlevnaden ökade till 50 dagar för möss som fick alla tre komponenterna:FDG plus de tumörsökande nanopartiklarna som bär cancerläkemedlet.

"Exponerad för ljuskällan, enbart titandioxidnanopartiklar kan döda cancer, ”, sade Achilefu. ”Men att lägga till drogen förefaller förhöja det terapeutiska resultatet. De två tillsammans producerar olika typer av fria radikaler som överväldigar tumörceller. Vår formulering använder också doser av läkemedlet som är mycket lägre än vad som skulle administreras för kemoterapi."

Kotagiri tillade att toxiska biverkningar borde vara minimala. Både ljuset och det ljuskänsliga materialet riktas mot tumören, och materialet är inte giftigt om det inte aktiveras av ljuskällan, som endast bör förekomma på tumörstället.

Achilefu och Kotagiri planerar en liten klinisk prövning på människor för att utvärdera de lättillgängliga komponenterna i denna strategi, börjar med FDG kombinerat med cancerläkemedlet.