Plattform zur Medikamentenverabreichung nutzt luftgefüllte Protein-Nanostrukturen und nutzt Schall zur gezielten Wirkung

Die Chemotherapie zur Krebsbehandlung ist eine der großen medizinischen Erfolgsgeschichten des 20. Jahrhunderts, aber sie ist alles andere als perfekt. Jeder, der eine Chemotherapie durchgemacht hat oder bei einem Freund oder Angehörigen eine Chemotherapie durchgemacht hat, kennt die vielen Nebenwirkungen: Haarausfall, Übelkeit, geschwächtes Immunsystem und sogar Unfruchtbarkeit und Nervenschäden.

Dies liegt daran, dass Chemotherapeutika giftig sind. Sie sollen Krebszellen durch Vergiftung abtöten. Da Krebszellen jedoch von gesunden Zellen abstammen und ihnen im Wesentlichen ähnlich sind, ist es schwierig, ein Medikament zu entwickeln, das sie abtötet, ohne auch gesundes Gewebe zu schädigen.

Doch jetzt haben zwei Caltech-Forschungsteams ein völlig neues Medikamentenverabreichungssystem entwickelt, von dem sie sagen, dass es Ärzten endlich die Möglichkeit geben könnte, Krebs gezielter zu behandeln. Das System setzt Medikamente ein, die durch Ultraschall aktiviert werden – und zwar nur dort, wo sie im Körper benötigt werden.

Das System wurde in den Laboren von Maxwell Robb, Assistenzprofessor für Chemie, und Mikhail Shapiro, Max-Delbrück-Professor für Chemieingenieurwesen und Medizintechnik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, entwickelt.

In einem Papier erscheint im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenzeigen die Forscher, wie sie Elemente aus jedem ihrer Fachgebiete kombiniert haben, um die Plattform zu schaffen. Der Artikel trägt den Titel „Fernsteuerung mechanochemischer Reaktionen unter physiologischen Bedingungen mithilfe biokompatiblen fokussierten Ultraschalls“.

In Zusammenarbeit haben die beiden Forschungsteams Gasvesikel (luftgefüllte Proteinkapseln, die in einigen Bakterien vorkommen) und Mechanophore (Moleküle, die eine chemische Veränderung erfahren, wenn sie physikalischer Kraft ausgesetzt werden) miteinander verbunden. Shapiros Labor hat zuvor Gasvesikel in Verbindung mit Ultraschall verwendet, um einzelne Zellen abzubilden und Zellen präzise zu bewegen.

Robbs Labor hat seinerseits Mechanophore entwickelt, die ihre Farbe ändern, wenn sie gedehnt werden, was sie zur Erkennung von Spannungen in Strukturen nützlich macht, sowie andere Mechanophore, die als Reaktion auf einen mechanischen Reiz ein kleineres Molekül, einschließlich eines Medikaments, freisetzen können. Für die neue Arbeit entwickelten sie eine Möglichkeit, Ultraschallwellen als Reiz zu nutzen.

„Wir haben wirklich lange darüber nachgedacht“, sagt Robb. „Es begann, als ich zum ersten Mal zu Caltech kam und Mikhail und ich anfingen, Gespräche über die mechanischen Auswirkungen von Ultraschall zu führen.“

Als sie begannen, die Kombination von Mechanophoren und Ultraschall zu erforschen, entdeckten sie ein Problem: Ultraschall konnte die Mechanophoren aktivieren, allerdings nur mit einer Intensität, die so stark war, dass sie auch benachbarte Gewebe schädigte. Was die Forscher brauchten, war eine Möglichkeit, die Energie des Ultraschalls genau dort zu fokussieren, wo sie es haben wollten. Es stellte sich heraus, dass die Gasvesikel-Technologie von Shapiro die Lösung lieferte.

In seiner früheren Arbeit nutzte Shapiro die Tendenz der Vesikel, bei Beschuss mit Ultraschallwellen zu vibrieren oder wie eine Glocke zu „läuten“. In der aktuellen Forschung werden die Vesikel jedoch so stark geläutet, dass sie zerbrechen, wodurch die Ultraschallenergie gebündelt wird. Die Vesikel werden quasi zu winzigen Bomben, deren Explosionen den Mechanophor aktivieren.

„Das Ausüben von Kraft durch Ultraschall beruht normalerweise auf sehr intensiven Bedingungen, die die Implosion winziger gelöster Gasblasen auslösen“, sagt Molly McFadden, Ph.D., Co-Autorin der Studie. „Ihr Zusammenbruch ist die Quelle mechanischer Kraft, die den Mechanophor aktiviert. Die Vesikel haben eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Ultraschall. Mit ihnen haben wir herausgefunden, dass die gleiche Aktivierung des Mechanophors unter viel schwächerem Ultraschall erreicht werden kann.“

Yuxing Yao, ein Postdoktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Shapiros Labor, sagt, dies sei das erste Mal, dass fokussierter Ultraschall in der Lage sei, eine bestimmte chemische Reaktion in einer biologischen Umgebung zu kontrollieren.

„Früher wurde Ultraschall verwendet, um Dinge zu stören oder zu bewegen“, sagt Yao. „Aber jetzt eröffnet es uns mithilfe der Mechanochemie diesen neuen Weg.“

Bisher wurde die Plattform nur unter kontrollierten Laborbedingungen getestet, doch in Zukunft planen die Forscher, sie in lebenden Organismen zu testen.