Cancerbehandlingar - från strålning till kirurgi till kemoterapi - är utformade för att ta bort eller döda cancerceller, men friska celler blir ofta sidoskador i processen. Tänk om du kunde använda laser för att lokalisera behandlingsområdet och bara leverera medicin till cancerceller?

En forskargrupp vid University of Delaware, ledd av Emily Day, en biträdande professor i biomedicinsk teknik, lägger grunden för en metod för att hämma cancerfrämjande gener i cancerceller samtidigt som de lämnar friska celler intakta. I en ny tidning publicerad i Nanobokstäver , teamet avslöjar oöverträffade insikter om denna lovande metod, som går ut på att belägga nanopartiklar med genreglerande medel och sedan utsätta dem för en dos laserljus för att släppa lös det materialet.

Eftersom nanopartiklarna håller de genreglerande medlen inaktiva tills deras frisättning utlöses på begäran med ljus, de har betydande potential att möjliggöra cancerterapi med hög precision samtidigt som de minimerar påverkan på icke-bestrålade friska celler. Day och hennes team testade sin nya metod mot hjärntumörceller genom att använda nanopartiklarna för att tysta uttrycket av grönt fluorescerande protein (GFP) i cellerna.

Ett nytt sätt att kombinera lasrar och nanopartiklar

Som skalpeller och suturer, lasrar används ofta i medicinska procedurer. Oftalmologer använder lasrar för att omforma hornhinnor vid synkorrigerande ögonoperationer. Hudläkare använder laser för att bleka ärr på huden. Kardiologer använder laser för att öppna tilltäppta artärer. Onkologer använder lasrar för att förstöra cancerceller och tumörer.

Day Lab syftar till att kombinera lasrar med ljuskänsliga genreglerande nanopartiklar för att strategiskt utplåna cancerceller och minimera sidoskador.

De börjar med små störande RNA, känd som siRNA, som är molekyler som består av komplementära strängar av RNA som kan minska uttrycket av vissa gener i cancerceller. SiRNA:erna är belagda på nanopartiklar gjorda av kiseldioxid och guld, som mäter mindre än bredden på ett människohår. Dessa partiklar skyddar siRNA tills de når det önskade behandlingsområdet. Frågan är - hur släpper du dem på exakt rätt plats?

"Tidigare, om människor ville leverera RNA med nanopartiklar, de kan belägga nanopartiklarna med en polymer eller cellpenetrerande peptid, ett medel för att underlätta cellupptag och leverans, "Sa Day." Problemet är att dessa agenter inte är specifika. Det slutar med att du får genreglering i alla celler, inte bara cancercellerna du tänkte rikta in dig på för genreglering."

Det är där precisionen hos lasrar kommer in.

"Ljustriggad siRNA-frisättning gör att du kan tysta gener endast där partiklarna och ljuset kombineras, " sa Day. "Eftersom du väljer vart ljuset går, och därmed där siRNA frigörs, du kan uppnå mycket specifik gentystnad i tumörceller, minska risken för effekter utanför målet. "

För dessa experiment, Day och hennes team (ledd av institutionen för biomedicinsk ingenjörsutbildning Rachel Riley) exponerade siRNA-belagda nanopartiklar för antingen kontinuerligt vågljus eller korta ljuspulser som administreras var fjärdedel av en sekund. Båda typerna av bestrålning utlöste frisättningen av siRNA i dubbelsträngade och enkelsträngade former, vilket kom som en överraskning eftersom tidigare studier i den vetenskapliga litteraturen antydde att kontinuerlig vågbestrålning endast skulle frigöra enstaka strängar av siRNA (vilket betyder att de två komplementära strängarna av siRNA separerade från varandra, snarare än att hela duplexet släpper från nanopartikelytan).

"Detta är första gången någon har visat att du kan få både siRNA-duplexer och enkla RNA-strängar att frigöras från nanopartiklar med en kontinuerlig våglaser som excitationskälla, sade Day. "Men, våra studier visar också att pulserat ljus är mycket effektivare för att frigöra siRNA-duplex än kontinuerligt vågljus. Det är absolut nödvändigt att i första hand duplexar frigörs från nanopartiklarna eftersom endast duplext siRNA kommer att fungera inuti celler för att tysta uttrycket av de riktade generna."

Dagen fortsatte, "Ytterligare, våra studier visar att pulserande ljus inte värmer upp celler som kontinuerligt vågljus gör. Detta är viktigt eftersom för mycket värme kan orsaka att celler skadas av andra mekanismer än den önskade genregleringen."

Hennes labbgrupp är väl rustad för att avslöja sådana insikter om mekanismen för ljusutlöst RNA-frisättning från nanopartiklar eftersom de utför unik tvärvetenskaplig forskning.

"Mitt labb har mycket expertis inom RNA-leverans och cancerbiologi, så vi har mycket mer molekylärbiologiska färdigheter än vad ett traditionellt nanotekniskt labb kan ha, och detta gör det möjligt för oss att studera funktionen hos RNA -nanobärare med oöverträffade detaljer, " Hon sa.

Den nya insikten som Days forskning ger om användningen av kontinuerligt vågljus kontra pulserat ljus för triggad siRNA-frisättning från nanopartiklar är ett viktigt bidrag till området för läkemedelsleverans. Förutom att demonstrera de funktionella skillnaderna mellan de två sätten för ljusexcitation, teamet visade också att siRNA som frigörs från nanopartiklar vid exponering för pulserande ljus minskade uttrycket av den riktade genen (grönt fluorescerande protein) bättre än ett kommersiellt tillgängligt material som ofta används för att leverera siRNA till celler i laboratorieexperiment. Detta var en spännande observation som visar den potentiella effekten av detta nya system.

Detta arbete utfördes i samarbete med Lars Gundlach vid Institutionen för kemi och biokemi och Institutionen för fysik och astronomi vid UD, som äger den pulsade lasern som används i dessa experiment. Det behövs mycket mer forskning innan detta kan översättas till en livskraftig behandling för cancerpatienter.

Vad kommer härnäst?

"Nästa steg skulle vara att visa att vi kan göra detta med en mer funktionell och biologiskt relevant RNA-last än siRNA-målet för grönt fluorescerande protein som användes i detta arbete, " Day said. "There are a lot of different genes that are known to control cancer growth, so we will deliver RNA that targets genes that we know to be important in tumor progression and see if we are delivering enough to have an impact."

The team is particularly interested in studying the delivery of siRNA targeting beta-catenin, which plays an important role in triple-negative breast cancer, and also the delivery of microRNA (which is similar to siRNA, but can regulate multiple genes simultaneously). Till exempel, Day's team hopes to deliver miR-34a, which is considered a master regulator of gene expression in cancer.

In addition to Day and Gundlach, the paper's authors include Rachel Riley, a doctoral student in the Department of Biomedical Engineering; Megan Dang, a doctoral student in Department of Biomedical Engineering; Maggie Billingsley, a senior undergraduate student in the Department of Biomedical Engineering; Baxter Abraham, a doctoral student in the Department of Chemistry and Biochemistry.

Riley, who will soon begin work as a postdoctoral associate at the University of Pennsylvania, started graduate school at UD because she wanted to do science that could make a real impact on the medical field. After losing an aunt to cancer, she was especially motivated to put her talents toward research that could someday help patients.

"The Day Lab's idea of incorporating nanoparticles for specific delivery of therapeutic agents was a really unique approach, " Hon sa.

Billingsley has done research in the Day Lab since her first year at UD and wrote three peer-reviewed papers based on her work in the group. In 2017, she was the first author on a paper published in PLOS One . Nästa, Billingsley will attend graduate school at the University of Pennsylvania, where she will study immunotherapy. (She and Riley, a duo Day calls a "dream team, " could likely work together in the future.)

"When interviewing with graduate schools, this experience with The Day Lab was the main thing that helped me stand out in interviews and also understand what I wanted out of graduate school, " Billingsley said. "I have had so many opportunities to go down my own path and also work with others on new methods, ideas, and areas of research."

This paper also gave Billingsley a taste of an important aspect of scientific discovery.

"We found some results that conflicted with literature, which was a new experience for me, " she said. "That was more exciting that just confirming what was expected."

Övergripande, Day and her team are excited to further pursue this technology to reveal its potential as a high precision cancer therapy.