Glioblastoma multiforme, en cancer i hjärnan även känd som "bläckfiskstumörer" på grund av det sätt på vilket cancercellerna sträcker ut sina tarmar till omgivande vävnad, är praktiskt taget inoperabel, resistent mot behandlingar, och alltid dödlig, vanligtvis inom 15 månader efter starten. Varje år, glioblastoma multiforme (GBM) dödar cirka 15, 000 människor i USA. Ett av de största hindren för behandling är blod -hjärnbarriären, nätverket av blodkärl som tillåter viktiga näringsämnen att komma in i hjärnan men blockerar passage av andra ämnen. Det som desperat behövs är ett sätt att effektivt transportera terapeutiska läkemedel genom denna barriär. En nanovetenskapsexpert vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan ha lösningen.

Ting Xu, en polymervetare med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som specialiserat sig på självmonterade bio/nano-hybridmaterial, har utvecklat en ny familj av nanobärare bildade från självmontering av amfifila peptider och polymerer. Kallas "3HM" för 3-helix-miceller med spiral, dessa nya nanobärare uppfyller alla krav på storlek och stabilitet för att effektivt leverera ett terapeutiskt läkemedel till GBM -tumörer. Amfifiler är kemiska föreningar som har både hydrofila (vattenälskande) och lipofila (fettälskande) egenskaper. Miceller är sfäriska aggregat av amfifiler.

I ett nyligen samarbete mellan Xu, Katherine Ferrara vid University of California (UC) Davis, och John Forsayeth och Krystof Bankiewicz från UC San Francisco, 3HM -nanobärare testades på GBM -tumörer hos råttor. Användning av den radioaktiva formen av koppar (koppar-64) i kombination med positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRI), samarbetet visade att 3HM kan passera blod-hjärnbarriären och ackumuleras inuti GBM-tumörer med nästan dubbelt så hög koncentration som nuvarande FDA-godkända nanokarriärer.

"Våra 3HM nanokarriärer visar mycket bra egenskaper för behandling av hjärncancer i form av lång cirkulation, djup tumörpenetration och låg ackumulering i off-target organ såsom lever och mjälte, "säger Xu, som också har ett gemensamt möte med UC Berkeleys institutioner för materialvetenskap och teknik, och kemi. "Det faktum att 3HM kan passera blodhjärnbarriären hos GBM-bärande råttor och selektivt ackumuleras i tumörvävnad, öppnar möjligheten att behandla GBM via intravenös läkemedelsadministration snarare än invasiva åtgärder. Även om det fortfarande finns mycket att lära om varför 3HM kan göra vad det gör, hittills har alla resultat varit mycket positiva. "

Glialceller ger fysiskt och kemiskt stöd för neuroner. Ungefär 90 procent av alla celler i hjärnan är glialceller som, till skillnad från neuroner, genomgå en födelsecykel, differentiering, och mitos. Genomgår denna cykel gör glialceller sårbara för att bli cancer. När de gör det, som namnet "multiforme" antyder, de kan anta olika former, vilket ofta gör det svårt att upptäcka tills tumörerna är farligt stora. De flera formerna av en cancerös glialcell gör det också svårt att identifiera och lokalisera alla cellens tendrils. Avlägsnande eller förstörelse av den huvudsakliga tumörmassan samtidigt som de lämnar dessa tendrils intakta är ineffektiv terapi:som den mytomspunna Hydra, senorna kommer att sprida nya tumörer.

Även om det finns FDA -godkända terapeutiska läkemedel för behandling av GBM, dessa behandlingar har haft liten inverkan på patientens överlevnadsfrekvens eftersom blod -hjärnbarriären har begränsat ansamlingen av terapier i hjärnan. Vanligtvis, GBM -terapier färdas över blodhjärnbarriären i speciella liposomer som är cirka 110 nanometer stora. 3HM nanocarrier som utvecklats av Xu och hennes grupp är bara cirka 20 nanometer stora. Deras mindre storlek och unika hierarkiska struktur gav 3HM nanocarrier mycket större tillgång till råtta GBM-tumörer än 110-nanometer liposomer i testerna som utfördes av Xu och hennes kollegor.

"3HM är en produkt av grundforskning vid gränssnittet mellan materialvetenskap och biologi, "Xu säger." När jag först började på Berkeley, Jag utforskade hybridnanomaterial baserade på proteiner, peptider och polymerer som en ny familj av biomaterial. Under processen att förstå den hierarkiska sammansättningen av amfifila peptid-polymerkonjugat, min grupp och jag märkte något ovanligt beteende hos dessa miceller, särskilt deras ovanliga kinetiska stabilitet i storleksintervallet 20 nanometer. Vi undersökte kritiska behov av nanokarriärer med dessa attribut och identifierade behandlingen av GBM -cancer som en potentiell tillämpning. "

Koppar-64 användes för att märka både 3HM och liposom nanokarriärer för systematiska PET- och MR-studier för att ta reda på hur en nanobärares storlek kan påverka farmakokinetiken och biologisk fördelning hos råttor med GBM-tumörer. Resultaten bekräftade inte bara effektiviteten av 3HM som GBM -leveransfartyg, de föreslår också att PET- och MR -avbildning av nanopartikeldistribution och tumörkinetik kan användas för att förbättra den framtida designen av nanopartiklar för GBM -behandling.

"Jag trodde att våra 3HM -hybridmaterial kunde ge nya terapeutiska möjligheter för GBM men jag förväntade mig inte att det skulle ske så snabbt, "säger Xu, som har fått patent på 3HM -tekniken.