Det mörka hudpigmentet melanin skyddar mot solens skadliga strålar genom att absorbera ljusenergi och omvandla den till värme. Detta kan göra det till ett mycket effektivt verktyg för tumördiagnostik och behandling, som demonstrerats av ett team från Technical University of München (TUM) och Helmholtz Zentrum München. Forskarna skapade melanin-laddade cellmembran-härledda nanopartiklar, vilket förbättrade tumöravbildning i en djurmodell samtidigt som tillväxten av tumören bromsades.

Nanopartiklar anses vara ett lovande vapen i kampen mot tumörer på grund av det faktum att tumörvävnad absorberar dem lättare än friska celler eftersom deras kärlsystem är mer permeabelt. Ett bra exempel är yttre membranvesiklar (OMVs), som i princip är små bubblor omgivna av bakteriemembran. Dessa 20 till 200 nanometer partiklar är av intresse eftersom de är biokompatibla, biologiskt nedbrytbar och kan enkelt och billigt produceras i bakterier, även i stora volymer. När den väl har laddats med medicinska aktiva ämnen, de är lätta att administrera.

Nanopartiklar som bär en svart last

Den enorma potentialen hos OMV i tumördiagnostik och -behandling har visats av Prof. Vasilis Ntziachristos, Professor i biologisk avbildning vid TUM, och hans team. Deras arbete bygger på de karakteristiska egenskaperna hos OMV och melanin.

Dr. Vipul Gujrati, första författare till studien, förklarar principen:"Melanin absorberar ljus mycket lätt – även i det infraröda spektrumet. Vi använder detta ljus i vår optoakustiska avbildningsteknik för tumördiagnos. Det omvandlar samtidigt denna absorberade energi till värme, som sedan släpps ut. Värme är också ett sätt att bekämpa tumörer - andra forskare undersöker för närvarande denna metod i kliniska prövningar."

Optoakustik, en metod som har avsevärt avancerad av Ntziachristos, kombinerar fördelarna med optisk bildbehandling och ultraljudsteknik. Svaga laserpulser värmer försiktigt upp vävnaden, vilket gör att den kort expanderar mycket något. Ultraljudssignaler produceras när vävnaden drar ihop sig igen när den svalnar. De uppmätta signalerna varierar beroende på vävnadstyp. Forskarna registrerar dem med speciella detektorer och "översätter" dem till tredimensionella bilder. Sensormolekyler eller sonder (som OMV) kan förbättra teknikens specificitet och noggrannhet ytterligare.

Värmeuppbyggnad minskar tumörtillväxt

Forskarna var först tvungna att övervinna ett problem specifikt för melanin:Det är inte särskilt vattenlösligt och därför svårt att administrera. Det var här OMV:erna kom in i bilden. Forskarna konstruerade bakterier på ett sådant sätt att de producerar melanin och lagrar det i sina membranhärledda nanopartiklar. De testade sedan de svarta nanopartiklarna i möss som hade tumörer i nedre delen av ryggen. Partiklarna injicerades direkt i tumören, som exciterades med infraröda laserpulser som en del av den optoakustiska proceduren.

OMV visade sig vara lämpliga sensorsonder för denna diagnosteknik eftersom de levererade skarpa, högkontrastbilder av tumören. De är också väl lämpade för fototermiska terapimetoder, där tumörvävnaden värms upp med starkare laserpulser för att döda cancercellerna. Melaninet i nanopartiklarna gjorde att temperaturen i tumörvävnaden steg från 37 °C till upp till 56 °C. Kontrolltumörer utan melanin nådde endast en maximal temperatur på 39 °C. Under de tio dagarna efter behandlingen, tumörerna växte i en betydligt långsammare takt än de i kontrollgruppen som inte hade fått melanin OMV. Denna värmeeffekt förstärktes av en annan positiv effekt av partiklarna:Genom att orsaka en lätt ospecifik inflammation i tumörvävnaden, immunförsvaret triggades att attackera tumören.

"Våra melanin-nanopartiklar passar in i det nya medicinska området för terapi - där terapi och diagnostik kombineras. Detta gör dem till ett mycket intressant alternativ för användning i klinisk praxis, " säger Ntziachristos. Forskarna kommer nu att utveckla sina OMV:er ytterligare för att ta dem till klinisk användning i framtiden.