Rice arbeitet mit MD Anderson vom Baylor College of Medicine zusammen, um die Abgabe von Medikamenten und Genen zu untersuchen.
HOUSTON - (9. April 2012) - Forscher an der Rice University, dem MD Anderson Cancer Center der University of Texas und dem Baylor College of Medicine (BCM) entwickeln mit Hilfe von lichterntenden Nanopartikeln neue Methoden, um Laserenergie in „plasmonische Nanobläschen“ umzuwandeln injizieren Drogen und genetische Nutzlasten direkt in Krebszellen. In Tests an arzneimittelresistenten Krebszellen stellten die Forscher fest, dass die Abgabe von Chemotherapeutika mit Nanobläschen für Krebszellen bis zu 30-mal tödlicher war als die herkömmliche medikamentöse Behandlung und weniger als ein Zehntel der klinischen Dosis erforderte.
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"Wir liefern Krebsmedikamente oder andere genetische Güter auf Einzelzellenebene", sagte Dmitri Lapotko von Rice, ein Biologe und Physiker, dessen plasmonische Nanobläschentechnik Gegenstand von vier neuen, von Experten überprüften Studien ist, von denen eine Ende dieses Monats in den USA stattfinden soll Die Zeitschrift Biomaterials und eine andere veröffentlichten am 3. April in der Zeitschrift PLoS ONE. "Indem wir gesunde Zellen meiden und die Medikamente direkt in Krebszellen abgeben, können wir gleichzeitig die Wirksamkeit der Medikamente erhöhen und gleichzeitig die Dosierung senken", sagte er.
Die selektive Abgabe von Medikamenten und Therapien, die Krebszellen betreffen, aber keine gesunden Zellen in der Nähe, ist ein großes Hindernis bei der Abgabe von Medikamenten. Das Sortieren von Krebszellen aus gesunden Zellen war erfolgreich, ist jedoch zeitaufwendig und teuer. Forscher haben Nanopartikel auch zur Bekämpfung von Krebszellen eingesetzt, aber Nanopartikel können von gesunden Zellen aufgenommen werden, sodass durch das Anbringen von Wirkstoffen an den Nanopartikeln auch gesunde Zellen abgetötet werden können.
Reis-Nanobläschen sind keine Nanopartikel. Vielmehr handelt es sich um kurzlebige Ereignisse. Die Nanobläschen sind winzige Luft- und Wasserdampftaschen, die entstehen, wenn Laserlicht auf eine Gruppe von Nanopartikeln trifft und sofort in Wärme umgewandelt wird. Die Blasen bilden sich knapp unter der Oberfläche von Krebszellen. Während sich die Blasen ausdehnen und platzen, öffnen sie kurzzeitig kleine Löcher in der Oberfläche der Zellen und lassen Krebsmedikamente in sie eindringen. Dieselbe Technik kann verwendet werden, um Gentherapien und andere therapeutische Nutzlasten direkt in Zellen abzugeben.
Diese Methode, die noch nicht an Tieren getestet wurde, muss noch weiter erforscht werden, bevor sie für Tests am Menschen geeignet ist, sagte Lapotko, Mitarbeiter der Fakultät für Biochemie und Zellbiologie sowie für Physik und Astronomie bei Rice.
Die Biomaterials-Studie, die Ende dieses Monats veröffentlicht werden soll, berichtet über die selektive genetische Veränderung menschlicher T-Zellen zum Zweck der Krebstherapie. Die Arbeit, die von Dr. Malcolm Brenner, Professor für Medizin und Pädiatrie am BCM und Direktor des BCM-Zentrums für Zell- und Gentherapie, mitverfasst wurde, stellte fest, dass die Methode „das Potenzial hat, die Arzneimittelabgabe und die Gentherapie in vielfältiger Weise zu revolutionieren Anwendungen. “
"Der Mechanismus der Injektion von Nanobläschen ist ein völlig neuer Ansatz für die Wirkstoff- und Genabgabe", sagte Brenner. "Es ist sehr vielversprechend, Krebszellen gezielt anzusprechen, die mit gesunden Zellen in derselben Kultur vermischt sind."
Lapotkos plasmonische Nanobläschen entstehen, wenn ein Laserlichtimpuls auf ein Plasmon trifft, eine Elektronenwelle, die über die Oberfläche eines Metallnanopartikels hin und her schwappt. Durch die Anpassung der Wellenlänge des Lasers an die des Plasmas und die Auswahl der richtigen Menge an Laserenergie kann das Lapotko-Team sicherstellen, dass sich Nanobläschen nur um Cluster von Nanopartikeln in Krebszellen bilden.
Dmitri Lapotko, Bildnachweis: Jeff Fitlow
Die Verwendung der Technik, um Medikamente durch die schützende Außenwand oder Zellmembran einer Krebszelle zu leiten, kann die Fähigkeit des Medikaments, die Krebszelle abzutöten, dramatisch verbessern, wie Lapotko und MD Andersons Xiangwei Wu in zwei kürzlich durchgeführten Studien, eine in Biomaterials im Februar und ein weiteres in Advanced Materials im März.
"Die Überwindung der Arzneimittelresistenz ist eine der größten Herausforderungen bei der Krebsbehandlung", sagte Wu. "Das gezielte Aufbringen plasmonischer Nanobläschen auf Krebszellen kann die Wirkstoffabgabe und das Abtöten von Krebszellen verbessern."
Um die Nanobläschen zu bilden, müssen die Forscher zunächst die Goldnanocluster in die Krebszellen bringen. Die Wissenschaftler markieren dazu einzelne Goldnanopartikel mit einem Antikörper, der an die Oberfläche der Krebszelle bindet. Zellen nehmen die Goldnanopartikel auf und binden sie zusammen in winzigen Taschen direkt unter ihrer Oberfläche.
Während einige Goldnanopartikel von gesunden Zellen aufgenommen werden, nehmen die Krebszellen weit mehr auf, und die Selektivität des Verfahrens beruht auf der Tatsache, dass die Mindestschwelle der Laserenergie, die zur Bildung einer Nanoblase in einer Krebszelle benötigt wird, zu niedrig ist, um bilden eine Nanoblase in einer gesunden Zelle
Die Forschung wird von den National Institutes of Health finanziert und in den folgenden neueren Veröffentlichungen beschrieben:
"Zellspezifische Transmembraninjektion von molekularer Ladung mit durch Goldnanopartikel erzeugten transienten plasmonischen Nanobläschen", die später in diesem Monat in Biomaterials veröffentlicht werden soll. Mitverfasser sind Lapotko, Ekaterina Lukianova-Hleb und Daniel Wagner, alle von Rice, sowie der Brenner von BCM.
"Plasmonische Nanobläschen-verstärkte endosomale Fluchtprozesse zur selektiven und gesteuerten intrazellulären Abgabe von Chemotherapie an arzneimittelresistente Krebszellen", die in der Februar-Ausgabe von Biomaterials veröffentlicht wurden. Mitverfasser sind Lapotko, Lukianova-Hleb, Andrey Belyanin und Shruti Kashinath, alle von Rice, sowie MD Andersons Wu.
"Plasmonische Nanobläschen verbessern die Wirksamkeit und Selektivität der Chemotherapie gegen arzneimittelresistente Krebszellen", die online am 7. März in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde. Mitautoren sind Lapotko und Lukianova-Hleb, beide von Rice; Wu und Ren, beide von MD Anderson; und Joseph Zasadzinski von der University of Minnesota.
"Verbesserte Zellspezifität von plasmonischen Nanobläschen gegenüber Nanopartikeln in heterogenen Zellsystemen", online veröffentlicht am 3. April in PLoS ONE. Mitverfasser sind Laptoko, Wagner, Lukianova-Hleb, Daniel Carson, Cindy Farach-Carson, Pamela Constantinou, Brian Danysh und Derek Shenefelt, alle von Rice; Wu und Xiaoyang Ren, beide von MD Anderson; und Vladimir Kulchitsky von der Nationalen Akademie der Wissenschaften von Belarus.
Neuauflage mit freundlicher Genehmigung von Jade Boyd, Rice University