Schema över syntesen och strukturen av nanopartiklarna. I det sista steget av ytmodifiering tillsätts fotosensibilisatorer för att implementera den fotodynamiska terapin, såväl som molekyler som riktar sig mot tumören. Längst till höger är nanopartikelns funktion avbildad. Den visar principen för uppkonverteringsluminescens (UCL) avbildning under NIR-ljusbestrålning, såväl som den röntgenaktiverade synergistiska kombinationen av strålbehandling och fotodynamisk terapi, övervakad med röd luminescensavbildning. Kredit:UvA/HIMS
Forskarna Dr Yansong Feng och Prof. Hong Zhang vid Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences vid University of Amsterdam (UvA) har designat och syntetiserat nya flerskiktiga, multifunktionella nanopartiklar som möjliggör en kombination av strålbehandling och fotodynamisk terapi för djup cancervävnad. En första preklinisk utvärdering av partiklarna har visat deras terapeutiska potential. Ett patent är under behandling och universitetet söker nu partners för vidareutveckling eller licensiering.
Det nya med nanopartiklarna är att de möjliggör att strålbehandling och fotodynamisk terapi kan kombineras med endast röntgenstrålning. Partiklarna underlättar också avbildning av djup vävnad, vilket möjliggör bildstyrd inriktning av den kombinerade behandlingen.
Kombinerad terapi
I fotodynamisk terapi används synligt ljus för att aktivera fotosensibilisatorer som frigör radikala syrearter för att förstöra cancerceller. Den angriper olika delar av en cancercell jämfört med konventionell strålbehandling med röntgenstrålar. Den kombinerade användningen av båda terapierna ökar förstörelsen av tumörvävnad och minskar ofta den erforderliga röntgendosen. Men eftersom fotodynamisk terapi utlöses av ljus är det svårt att använda det för att behandla cancervävnad som ligger djupt inne i kroppen. För att göra det krävs en invasiv procedur såsom endoskopi med en optisk fiber. Med röntgen är det inga sådana problem. De tränger lätt in i kroppen och är fokuserade på ett sådant sätt att de kan utföra sitt förödande arbete på tumörplatsen.
Genom att designa nanopartiklar som kan avge synligt ljus vid strålning med röntgenstrålar har UvA-forskarna nu hittat ett sätt att tillämpa fotodynamisk terapi på djupa platser utan invasiva procedurer. Partiklarna utvecklades under Ph.D. forskning av Dr. Yansong Feng, övervakad av professor Hong Zhang vid UvA:s forskargrupp för molekylär fotonik.
Konstnärens intryck av att applicera en 20 nanometer flerskiktad nanopartikel för terapi av djup cancervävnad. När de injiceras i kroppen fäster partiklarna vid tumörstället och hjälper till med lokalisering och terapi. Kredit:University of Amsterdam
Bildstyrd inriktning
Nanopartikeln består av en kärna omgiven av två yttre lager. Det yttersta lagret är kapabelt till scintillation - en process som omvandlar röntgenstrålar till synligt ljus och därmed möjliggör fotodynamisk terapi på vilken plats som helst som är tillgänglig med strålterapi. Det andra lagret är ett buffertlager som energiskt isolerar det scintillerande lagret från nanopartikelkärnan. I själva kärnan implementerade forskarna en annan viktig terapiförbättrande funktion. Den kan uppkonvertera luminescens vilket betyder att den kan ändra ljusets frekvens. Forskarna justerade uppkonverteringen på ett sådant sätt att nanopartikeln avger ett rött synligt ljus vid belysning med nära infraröd (NIR) strålning eller röntgenstrålar. På så sätt har de effektivt åstadkommit möjligheten till bildstyrd terapi. Vid belysning med NIR, som har ett relativt långt penetrationsdjup, lyser partiklarna upp i en starkt röd färg och avslöjar därmed tumörens placering. Kärnan fortsätter att avge rött ljus under strålbehandling med röntgenstrålar, om än med lägre intensitet. Det utsända röda ljuset stör inte den fotodynamiska terapin.
Resultat av tumörundertryckande tester på möss. De två raderna ovan indikerar vikten av röntgen i detta tillvägagångssätt, eftersom det inte finns några uppenbara tumörundertryckande effekter varken med injektion av nanopartikellösningen eller en ofarlig fosfatbuffrad saltlösning. De två linjerna längst ner indikerar nanopartiklarnas effektivitet:när de utsätts för röntgenstrålar resulterar de i en avsevärt reducerad tumörvolym jämfört med gruppen som injiceras med buffertlösningen. Kredit:UvA/HIMS
Positiv preklinisk utvärdering
Som ett principbevis studerade forskarna nanopartiklarnas prestanda i cancerbehandlingsstudier med cellkulturer (in vitro) och möss (in vivo). Detta gav en tydlig indikation på partiklarnas säkerhet och terapeutiska potential.
I samarbete med Innovation Exchange Amsterdam (IXA, universitetets tekniköverföringskontor) söker forskarna nu efter licenstagare och/eller partners för att vidareutveckla denna nya metod till en kommersiellt gångbar applikation, som skulle innefatta slutförande av prekliniska prövningar och ytterligare inträde in i fullständiga kliniska prövningar. Detta skulle vara avgörande för att fastställa nanopartiklarnas säkerhet, deras användarvänlighet, deras prestanda under terapin och den övergripande effekten av deras applicering. + Utforska vidare
