Ett tvärvetenskapligt team av tre Virginia Tech-fakultetsmedlemmar anslutna till Macromolecules Innovation Institute har skapat ett läkemedelsleveranssystem som radikalt skulle kunna utöka cancerbehandlingsalternativen.

Den konventionella cancerbehandlingsmetoden att injicera nanopartikelläkemedel i blodomloppet resulterar i låg effekt. På grund av människokroppens komplexitet, väldigt få av dessa nanopartiklar når faktiskt cancerplatsen, och väl där, det finns begränsad leverans över cancervävnaden.

Det nya systemet som skapats vid Virginia Tech är känt som Nanoscale Bacteria-Enabled Autonomous Drug Delivery System (NanoBEADS). Forskare har utvecklat en process för att kemiskt fästa nanopartiklar av läkemedel mot cancer på försvagade bakterieceller, som de har visat sig vara mer effektiva än passiv leverans av injektioner när de når cancerställen.

NanoBEADS har gett resultat i både in vitro (i tumörsfäroider) och in vivo (i levande möss) modeller som visar upp till 100-faldiga förbättringar i distributionen och retentionen av nanopartiklar i cancervävnader.

Detta är en produkt av det femåriga National Science Foundation CAREER Award av Bahareh Behkam, docent i maskinteknik. Samarbetspartners i detta tvärvetenskapliga team är Rick Davis, professor i kemiteknik, och Coy Allen, biträdande professor i biomedicinska vetenskaper och patobiologi vid Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine.

"Du kan göra de mest fantastiska drogerna, men om du inte kan leverera den där den ska, det kan inte vara särskilt effektivt, ", sa Behkam. "Genom att förbättra leveransen, du kan förbättra effektiviteten."

Detta jobb, som kombinerar expertis inom maskinteknik, Biomedicinsk forskning, kemiteknik, och veterinärmedicin, var nyligen detaljerad i Avancerad vetenskap .

Använder salmonella för gott

Människor har märkt, även så långt tillbaka som det gamla Egypten, att cancern gick i remission om patienten också fick en infektion som salmonella. Varken är idealisk, men människor kan behandla salmonellainfektioner mer effektivt än cancer.

I modern tid, Allen sa att idén om att behandla cancer med infektioner går tillbaka till slutet av 1800-talet och har utvecklats till immunterapi, där läkare försöker aktivera immunförsvaret för att attackera cancerceller.

Självklart, salmonella är skadligt för människor, men en försvagad version skulle i teorin kunna ge fördelarna med immunterapi utan de skadliga effekterna av salmonellainfektion. Konceptet liknar människor som får ett försvagat influensavirus i ett vaccin för att bygga upp immunitet.

För över sex år sedan, Behkam kom på idén att utöka bakteriell immunterapi för att även attackera cancer med konventionella läkemedel mot cancer. Problemet var att den passiva leveransen av läkemedel mot cancer inte fungerar särskilt bra.

Med tanke på hennes bakgrund inom biohybrid mikrorobotik, hon ville använda salmonellabakterier som autonoma fordon för att transportera medicinen, i nanopartikelform, direkt till cancerplatsen.

Arbetet började med Behkams första doktorand, Mahama Aziz Traore, konstruera den första generationen av NanoBEADS genom att montera tiotals polystyrennanopartiklar på E. coli-bakterier. Efter att ha noggrant studerat dynamiken och kontrollaspekterna av NanoBEADS-systemen under några år, Behkam tog med Davis i projektet eftersom han hade erfarenhet av att skapa polymernanopartiklar för läkemedelsleverans.

"Hon nämnde detta radikalt annorlunda tillvägagångssätt för att leverera läkemedel och nanopartiklar, " sa Davis. "Jag gick bort från konversationen och tänkte, 'Man, om det här kunde fungera, det skulle vara fantastiskt."

Behkam valde just denna bakteriestam, Salmonella enterica serovar Typhimurium VNP20009, eftersom det har studerats grundligt och framgångsrikt testats i en klinisk fas ett-studie.

"Dess (salmonellas) uppgift som patogen är att penetrera genom vävnaden, ", sa Behkam. "Vad vi trodde är om bakterier är så bra på att röra sig genom vävnaden, vad sägs om att koppla nanomedicin med bakterien för att föra den medicinen mycket längre än den passivt skulle diffundera av sig själv?"

grafisk video som visar hur nanopartiklar fästs till salmonellabakterieceller som rör sig mellan celler för att nå tumörer

Beskrivning av grafiskt element:NanoBEADS-medel är konstruerade genom att konjugera poly(mjölk?co?glykolsyra) nanopartiklar med tumörinriktning Salmonella typhimurium. NanoBEADS förbättrar retentionen och distributionen av nanopartiklar i solida tumörer med upp till en anmärkningsvärd -100-faldig, genom intercellulär (mellan celler) självreplikation och translokation. Denna transportförbättring uppnås autonomt, utan behov av någon externt applicerad drivkraft eller styrinsats.

Trial and error

Även om Behkam hade en vision för det nya läkemedelsleveranssystemet, det tog flera år innan det blev verklighet.

"Processen att skapa nanopartiklar och sedan fästa dem på bakterier på ett robust och repeterbart sätt var utmanande, men lägg till det så att bakterierna håller sig vid liv, upptäcka mekanismen för bakterietransport i cancervävnad, och utarbeta sätt att kvantitativt beskriva effektiviteten av NanoBEADS, och detta var ett svårt projekt, " sa Davis.

SeungBeum Suh, Behkams tidigare Ph.D. studerande, och Amy Jo, Davis tidigare Ph.D. studerande, arbetade tillsammans med att fästa nanopartiklar samtidigt som de höll bakterierna vid liv. Det var inte förrän deras fjärde försök som de började hitta framgång.

"Vi samarbetade för att göra dessa partiklar, och vi fäste dem till bakterierna, "Sade Behkam. "Då var frågan vad är mekanismen för deras translokation i tumören? Hur långt går de in i tumören? Hur presenterar vi ett kvantitativt mått på deras prestation?"

Behkam tillsammans med Suh och nuvarande doktorand Ying Zhan testade sin nanopartikel-bundna salmonella i labb-odlade tumörer. De hittade upp till 80-faldiga förbättringar i penetration och distribution av nanopartiklar med hjälp av NanoBEADS-plattformen, jämfört med passivt spridande nanopartiklar.

Vidare, Suh och Behkam fick reda på att NanoBEADS till stor del penetrerar tumören genom att translokera genom utrymmet mellan cancerceller.

Behkam ville stärka NanoBEADS-resultaten förbi in vitro-stadiet. Med en förstklassig veterinärskola på vägen, hon värvade Allen, hennes kollega MII-fakultetsmedlem, för att testa NanoBEADS-systemet in vivo. Tester i bröstcancertumörer hos möss gav resultat som visade signifikanta förbättringar jämfört med passiv leverans.

Testerna visade att det fanns cirka 1, 000 gånger fler salmonellaceller i tumören jämfört med levern och 10, 000 gånger mer än mjälten.

"Mest anmärkningsvärt, salmonellan i sig hjälpte till att hålla partiklarna i tumören upp till 100 gånger bättre, vilket skulle antyda att det skulle vara ett effektivt transportmedel, " sa Allen.

Nästa steg i forskningen är att ladda cancerterapi i NanoBEADS-systemet för att testa den potentiella förbättringen av effektiviteten.

Från bänk till kennel till säng

Samarbetet belyser mångfalden av tvärvetenskaplig forskning som är möjlig genom MII och Virginia Tech.

"Den synergistiska integrationen av mångsidig expertis har varit avgörande för de storslagna upptäckterna som resulterade från detta arbete, " sa Behkam.

Med tillägget av Virginia Tech Carilion School of Medicine och Fralin Biomedical Research Institute vid VTC, Allen sa att Virginia Tech har möjligheten att testa vetenskaplig forskning "från bänk till kennel till säng."

"Projektet kunde inte gå vidare utan var och en av de tre delarna, ", sa Allen. "Studien skulle inte ha hamnat i en sådan tidskrift utan att ha kemin, bakgrunden till patogenen, idén, och har den fysiologiska och kliniska relevansen att testa den i en verklig tumör i en verklig djurmodell."

Davis sa att alla läkemedelsleveransmekanismer måste gå igenom djurförsök, så att ha en "helt fantastisk" högskola för veterinärmedicin på campus tog forskningen till en högre nivå.

"En sak som lockade mig till det här projektet var förmågan att arbeta med människor som Bahareh och Coy som arbetar med celler och djurstudier för att verkligen översätta arbetet, "Sade Davis. "Det är svårt att hitta den kombinationen av människor i många skolor."