Cancer dödar mer än en halv miljon män, kvinnor, och barn varje år i USA, och kemoterapi är bara något mer diskriminerande än den sjukdom den behandlar. Som ett resultat, många cancerbehandlingar dödar celler i hela kroppen och orsakar allvarliga biverkningar. Ny IRP-forskning skulle kunna lösa detta problem genom att skapa ett sätt att frigöra dessa giftiga föreningar endast när och var läkare önskar.

De senaste revolutionerna inom materialvetenskap tillåter forskare att manipulera material på nivån för enskilda molekyler och atomer.

Forskare drar fördel av dessa genombrott för att skapa metoder för att kontrollera platsen, timing, och dosering av läkemedelsadministrering i kroppen.

Sådana tekniker skulle vara en särskild välsignelse för cancerpatienter eftersom kemoterapimediciner är toxiska för både tumörceller och vissa friska celler. Som ett resultat, när dessa läkemedel administreras på traditionellt sätt och får cirkulera i hela kroppen, de ger allvarliga biverkningar. Om drogerna på något sätt kunde hållas kvar tills de når en tumör, behandlingen skulle vara både effektivare och mindre skadlig för resten av kroppen.

"Under det senaste decenniet, betydande forskningsinsatser har fokuserat på att designa nanomaterial vars egenskaper och, därför, beteende regleras på ett programmerbart sätt, " säger IRP:s seniorutredare Xiaoyuan 'Shawn' Chen, Ph.D., den nya studiens seniorförfattare. "Utmaningen är att designa och syntetisera ett läkemedelstillförselsystem som är känsligt för både tumörspecifika interna stimuli som pH och externa stimuli som värme eller ett magnetfält."

I deras nya studie, Dr Chen och hans team gjorde just det. Deras banbrytande läkemedelstillförselsystem är beroende av två separata "logiska grindar", ' som var och en fungerar som en säkerhetsbrytare för att förhindra frisättning av ett läkemedel om inte ett särskilt villkor är uppfyllt. Liknande metoder har designats tidigare som använder en logisk grind, men Dr Chen's är den första som använder två.

"Två logiska grindar kan uppnå mer exakt och kontrollerbar läkemedelstillförsel och frisättning, " förklarar han. "Drogfrisättning kan endast utföras under förutsättning att flera interna och externa stimuli tillfredsställs samtidigt, för att minska läkemedelstoxiciteten och uppnå riktad frisättning."

Dr Chens behandlingsmetod använder specialdesignade, mikroskopiska förpackningar som kallas nanovesiklar fyllda med ett modifierat kemoterapiläkemedel, som är sammansatt av två molekyler av cancerläkemedlet doxorubicin kopplade till en färgämnesmolekyl som värms upp när den absorberar nära-infrarött ljus. Precis som många traditionella kemoterapier, nanovesiklarna injiceras i en ven och färdas genom hela kroppen, inklusive till tumören. Den första logiska porten låses upp när en läkare lyser in en laser av nära-infrarött ljus i tumören. När lasern träffar nanovesiklarna som sitter bland cancercellerna, det värmer upp färgämnet som är fäst vid doxorubicinet. Den förhöjda temperaturen gör att en annan kemikalie inuti nanovesiklarna bryts ner och frigörs instabila, mycket reaktiva atomer som kallas fria radikaler. De fria radikalerna reagerar med nanovesikelns skal, som är gjord av ett material som bryts ned när det möter fria radikaler.

När vesikeln har sönderfallit, det modifierade kemoterapiläkemedlet rinner ut i tumören. Vid denna tidpunkt, den andra logiska porten utlöses av den sura miljön i tumören, som bryter ner den speciella kemiska bindning som förbinder doxorubicinläkemedlet med den värmealstrande färgämnesmolekylen. Väl släppt lös, läkemedlet kan orsaka förödelse på tumören.

Flera experiment visade att läkemedelstillförselsystemet fungerade precis som Dr. Chens team utformade det för att, förhindrar frisättningen av kemoterapi förutom när nanovesiklarna utsattes för förhållanden varmare och surare än de som vanligtvis finns i människokroppen. Dessutom, metoden för läkemedelstillförsel minskade markant storleken på tumörer hos möss och förlängde djurens liv samtidigt som den orsakade minimal skada på resten av deras kroppar.

Dr Chens team måste nu genomföra ytterligare tester med olika typer av tumörer. Gruppen planerar också att skala upp sin metod för att skapa de specialdesignade nanovesiklarna, samt utforska andra sätt än en laser för att utlösa läkemedlets frisättning, eftersom lasrar kan ha svårt att nå tumörer i vissa delar av kroppen.

"Det är ett lovande läkemedelsleverans och läkemedelsfrisättningssystem, " Dr Chen säger. "Det kan kontrollera läkemedelsfrisättning mer exakt och förbättra den terapeutiska effekten samtidigt som den minskar de toxiska effekterna och biverkningarna av kemoterapiläkemedel."