I en "proof of concept" -studie, forskare vid Johns Hopkins Medicine säger att de framgångsrikt har levererat paket i nanostorlek med genetisk kod som kallas mikroRNA för att behandla mänskliga hjärntumörer implanterade i möss. Innehållet i de super-små behållarna var utformade för att rikta sig mot cancerstamceller, ett slags cellulärt "frö" som producerar otaliga avkommor och är en obeveklig barriär för att befria hjärnan från maligna celler.

Resultaten av deras experiment publicerades online 21 juni Nano bokstäver .

"Hjärncancer är en av de mest förstådda cancerformerna när det gäller dess genetiska sammansättning, men vi har ännu inte utvecklat en bra behandling för det, "säger John Laterra, M.D., Ph.D., professor i neurologi, onkologi och neurovetenskap vid Johns Hopkins University School of Medicine och en forskare vid Kennedy Krieger Institute. "Motståndskraften hos cancerstamceller och blod-hjärnbarriären är stora hinder."

Blod som kommer in i hjärnan filtreras genom en serie kärl som fungerar som en skyddande barriär. Men denna blod-hjärnbarriär blockerar molekylära läkemedel som har potential att revolutionera hjärncancerterapi genom att rikta in cancerstamceller, säger Laterra.

"För att modernisera hjärntumörbehandlingar, vi behöver verktyg och metoder som kringgår blod-hjärnbarriären, "säger Jordan Green, Ph.D., professor i biomedicinsk teknik, oftalmologi, onkologi, neurokirurgi, materialvetenskap och teknik och kemisk och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins University School of Medicine. "Vi behöver teknik för att säkert och effektivt leverera känsliga genetiska läkemedel direkt till tumörer utan att skada normal vävnad."

Ett exempel, Green säger, är glioblastom, den form av hjärncancer som Arizona senator John McCain kämpar med, som ofta kräver upprepade operationer. Läkare tar bort hjärntumörvävnaden som de kan se, men maligniteten återkommer ofta snabbt, säger Laterra. De flesta patienter med glioblastom lever mindre än två år efter diagnosen.

Forskare har länge misstänkt att cancerstamceller är grunden till vad som driver tillbaka och spridning av glioblastom och andra cancerformer. Dessa stamceller ger upphov till andra cancerceller och, om de undviker kirurgens kniv, kan leda till en helt ny tumör.

Laterra och Green, som är medlemmar i Johns Hopkins Kimmel Cancer Center, utformat ett sätt att effektivt leverera super-små paket med mikroRNA i etablerade hjärntumörer. MikroRNA riktar sig mot hjärncancer stamceller för att stoppa deras förmåga att föröka sig och upprätthålla tumörtillväxt.

Paketen är gjorda av biologiskt nedbrytbar plast som liknar material som används för kirurgiska suturer och som försämras med tiden. De är 1, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår och typiskt för storleken och formen på naturliga komponenter som celler använder för att kommunicera. När cancerceller uppslukar paketen, de bryts isär och släpper ut sin mikroRNA "nyttolast" specifikt där mikroRNA:erna behöver vidta åtgärder inom cancercellerna.

Inkapslade i nanopaketet är mikroRNA som specifikt binder till budbärar -RNA kopplade till två gener:HMGA1 och DNMT, som fungerar tillsammans för att reglera genuttrycksprogram i celler.

När mikroRNA binder till dessa budbärar -RNA, de blockerar deras proteintillverkningsförmåga och stänger av program som driver cancercellernas stamliknande egenskaper. Utan deras stamliknande egenskaper, cancercellerna är mer differentierade, de tappar sin förmåga att föröka tumörer, och de kan vara mer mottagliga för strålning och droger.

För deras experiment, Johns Hopkins -forskarna implanterade humana glioblastomceller i 18 möss. För att efterlikna den kliniska utmaningen att behandla en befintlig tumör, forskarna väntade 45 dagar innan de behandlade djuren för att vara säkra på att de hade välformade tumörer. Hälften av djuren fick infusioner av nanopaket som innehåller aktiva mikroRNA direkt in i hjärntumörerna, och den andra hälften fick nanopaket innehållande inaktiva mikroRNA. För att isolera effekten av nanopartiklar, forskarna använde möss som fötts upp utan immunsystem T-celler som riktar sig mot cancerceller.

Five of the nine mice receiving inactive microRNAs (controls) died within two months, and the rest of the control mice died within 90 days. Three of the nine mice receiving active microRNAs lasted up to 80 days, and six lived to 133 days. Those six were humanely euthanized, and isolated mouse brains were examined for the presence of tumors.

All of the control mice had large tumors in their brains when they died. Four of the mice that received active microRNAs and lived to 133 days had no tumors, and two had small ones.

Green says that many genetic medicines are designed to target one gene. The type of nanoparticles the Johns Hopkins team used in this study can encapsulate multiple types of microRNAs to target multiple gene networks.

When the brain cancer stem cells internalize the nanoparticle and transition to a non-stem-cell state, Laterra says, clinicians could exploit that condition, and give radiation or other drugs to kill the now-vulnerable cells.

Green says scientific teams elsewhere are developing microRNA packets using lipid-based materials, and some standard chemotherapy is delivered in a fatty nanoparticle called a liposome.

Green and Laterra say the nanoparticles in their study are able to permeate the entire tumor because rodent brains are small. Människor, with bigger brains, may need a pump and catheter to funnel nanoparticles throughout the brain.

The Johns Hopkins team is working to scale up development of its nanoparticles and standardize their stability and quality before applying for permission to begin clinical trials on people.