Forskare som undersöker sätt att leverera höga doser av cancerdödande läkemedel inuti tumörer har visat att de kan använda en laser och ljusaktiverade guldnanopartiklar för att fjärrutlösa frisättningen av godkända cancerläkemedel inuti cancerceller i laboratoriekulturer.

Studien av forskare vid Rice University och Northwestern University Feinberg School of Medicine visas i veckans tidiga upplaga online av Proceedings of the National Academy of Sciences . Den använde guld nanoskal för att leverera toxiska doser av två läkemedel - lapatinib och docetaxel - inuti bröstcancerceller. Forskarna visade att de kunde använda en laser för att på distans trigga partiklarna för att frigöra drogerna efter att de kommit in i cellerna.

Även om testerna utfördes med cellkulturer i ett labb, forskningen utformades för att visa klinisk tillämpbarhet:nanopartiklarna är icke-toxiska, drogerna är flitigt använda och lågeffekt, infraröd laser kan noninvasivt lysa genom vävnad och nå tumörer flera centimeter under huden.

"I framtida studier, vi planerar att använda en trojansk häststrategi för att få in de drogbelastade nanoskalen inuti tumörer, sa Naomi Halas, en ingenjör, kemist och fysiker vid Rice University som uppfann guld nanoskal och har ägnat mer än 15 år åt att undersöka deras anticancerpotential. "Makrofager, en typ av vita blodkroppar som har visat sig penetrera tumörer, kommer att föra läkemedelspartikelkomplexen in i tumörer, och väl där använder vi en laser för att släppa ut drogerna."

Medförfattare Susan Clare, en forskningsdocent i kirurgi vid Northwestern University Feinberg School of Medicine, sade att PNAS-studien var utformad för att demonstrera genomförbarheten av trojan-häst-metoden. Förutom att visa att läkemedel kan frigöras inuti cancerceller, studien visade också att i makrofager, drogerna lossnade inte innan de utlöstes.

"Att få kemoterapeutiska läkemedel att penetrera tumörer är mycket utmanande, sa Clare, också en bröstcancerkirurg i Northwestern Medicine. "Droger tenderar att pressas ut ur tumörer snarare än att dras in. För att få en effektiv dos vid tumören, patienter måste ofta ta så mycket av läkemedlet att illamående och andra biverkningar blir allvarliga. Vår förhoppning är att kombinationen av makrofager och utlöst läkemedelsfrisättning kommer att öka den effektiva dosen av läkemedel i tumörer så att patienter kan ta mindre snarare än mer."

Om tillvägagångssättet fungerar, Clare sa, det kan resultera i färre biverkningar och potentiellt användas för att behandla många typer av cancer. Till exempel, ett av läkemedlen i studien, lapatinib, är en del av en bred klass av kemoterapier som kallas tyrosinkinashämmare som riktar sig mot specifika proteiner kopplade till olika typer av cancer. Andra läkemedel som godkänts av Federal Drug Administration i klassen inkluderar imatinib (leukemi), gefitinib (bröst, lunga), erlotinib (lunga, pankreas), sunitinib (mage, njure) och sorafenib (lever, sköldkörtel och njure).

"Alla tyrosinkinashämmare är notoriskt olösliga i vatten, sa Amanda Goodman, en alumn från ris och huvudförfattare till PNAS-studien. "Som en drogklass, de har dålig biotillgänglighet, vilket innebär att en relativt liten del av läkemedlet i varje piller faktiskt dödar cancerceller. Om vår metod fungerar för lapatinib och bröstcancer, det kan också fungera för de andra drogerna i klassen."

Halas uppfann nanoskal på Rice på 1990-talet. Cirka 20 gånger mindre än en röd blodkropp, de är gjorda av en sfär av glas täckt av ett tunt lager av guld. Nanoskal kan ställas in för att fånga energi från specifika våglängder av ljus, inklusive nära-infraröd (nära-IR), en osynlig våglängd som passerar genom de flesta vävnader i kroppen. Nanospectra Biosciences, en licenstagare för denna teknik, har utfört flera kliniska prövningar under det senaste decenniet med nanoskal som fototermiska medel som förstör tumörer med infrarött ljus.

Clare och Halas samarbete om nanoshell-baserad läkemedelsleverans började för mer än 10 år sedan. I tidigare arbeten, de visade att en nära-IR kontinuerlig våglaser – samma typ som producerar värme i de fototermiska tillämpningarna av nanoskal – kunde användas för att utlösa frisättningen av läkemedel från nanoskal.

I den senaste studien, Goodman kontrasterade användningen av kontinuerlig våg laserutlösning och triggning med en lågeffekts pulslaser. Genom att använda varje typ av laser, hon demonstrerade den fjärrutlösta frisättningen av droger från två typer av nanoshell-läkemedelskonjugat. En typ använde en DNA-linker och läkemedlet docetaxel, och den andra använde en beläggning av blodproteinet albumin för att fånga och hålla lapatinib. I varje fall, Goodman fann att hon kunde utlösa frisättningen av läkemedlet efter att nanoskalen tagits upp inuti cancerceller. Hon fann inte heller någon mätbar för tidig frisättning av läkemedel i makrofager i något av fallen.

Halas och Clare sa att de hoppas kunna påbörja djurtester av teknologin snart och ha en etablerad musmodell som kan användas för testningen.

"Jag är särskilt exalterad över potentialen för lapatinib, " sa Clare. "Första gången jag hörde om Naomis arbete, Jag undrade om det kunde vara svaret på att leverera läkemedel till det anoxiska (utarmade på syre) inre av tumörer där några av de mest aggressiva cancercellerna lurar. Som läkare, vi letar alltid efter sätt att förhindra att cancer kommer tillbaka månader eller år senare, och jag hoppas att det här kan göra det."