Eine Einzeldosis harnstoffbetriebener Nanoroboter reduziert Blasentumoren in einer Mausstudie um 90 %

Blasenkrebs hat eine der höchsten Inzidenzraten weltweit und ist der vierthäufigste Tumor bei Männern. Trotz der relativ niedrigen Sterblichkeitsrate treten fast die Hälfte der Blasentumoren innerhalb von fünf Jahren wieder auf, was eine kontinuierliche Überwachung des Patienten erfordert. Häufige Krankenhausbesuche und die Notwendigkeit wiederholter Behandlungen tragen dazu bei, dass die Heilung dieser Krebsart zu den teuersten gehört.

Während aktuelle Behandlungen, die eine direkte Medikamentenverabreichung in die Blase beinhalten, gute Überlebensraten zeigen, ist ihre therapeutische Wirksamkeit nach wie vor gering. Eine vielversprechende Alternative ist die Verwendung von Nanopartikeln, die therapeutische Wirkstoffe direkt an den Tumor abgeben können. Besonders hervorzuheben sind Nanoroboter – Nanopartikel, die die Fähigkeit besitzen, sich im Körper selbst fortzubewegen.

Nun wurde eine Studie in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur-Nanotechnologie zeigt, wie ein Forschungsteam die Größe von Blasentumoren bei Mäusen durch eine einzige Dosis harnstoffbetriebener Nanoroboter erfolgreich um 90 % reduzierte.

Diese winzigen Nanomaschinen bestehen aus einer porösen Kugel aus Siliziumdioxid. Ihre Oberflächen tragen verschiedene Komponenten mit spezifischen Funktionen. Dazu gehört das Enzym Urease, ein Protein, das mit im Urin vorkommendem Harnstoff reagiert und es so dem Nanopartikel ermöglicht, sich selbst anzutreiben. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist radioaktives Jod, ein Radioisotop, das häufig zur lokalen Behandlung von Tumoren eingesetzt wird.

Die vom Institut für Bioingenieurwesen Kataloniens (IBEC) und CIC biomaGUNE in Zusammenarbeit mit dem Institut für biomedizinische Forschung (IRB Barcelona) und der Autonomen Universität Barcelona (UAB) geleitete Forschung ebnet den Weg für innovative Behandlungen von Blasenkrebs. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Dauer des Krankenhausaufenthalts zu verkürzen, was niedrigere Kosten und mehr Komfort für die Patienten mit sich bringt.

„Mit einer Einzeldosis haben wir eine 90-prozentige Verringerung des Tumorvolumens beobachtet. Dies ist deutlich effizienter, wenn man bedenkt, dass Patienten mit dieser Art von Tumor bei den derzeitigen Behandlungen typischerweise 6 bis 14 Krankenhaustermine haben. Ein solcher Behandlungsansatz würde die Effizienz steigern und reduzieren.“ die Dauer des Krankenhausaufenthalts und die Behandlungskosten“, erklärt Samuel Sánchez, ICREA-Forschungsprofessor am IBEC und Leiter der Studie.

Der nächste Schritt, der bereits begonnen hat, besteht darin, festzustellen, ob diese Tumoren nach der Behandlung erneut auftreten.

Eine fantastische Reise in die Blase

In früheren Untersuchungen bestätigten die Wissenschaftler, dass die Fähigkeit der Nanoroboter, sich selbst anzutreiben, es ihnen ermöglichte, alle Blasenwände zu erreichen. Diese Funktion ist im Vergleich zum derzeitigen Verfahren von Vorteil, bei dem der Patient nach der Verabreichung der Behandlung direkt in die Blase jede halbe Stunde die Position wechseln muss, um sicherzustellen, dass das Medikament alle Wände erreicht.

Diese neue Studie geht noch einen Schritt weiter und zeigt nicht nur die Mobilität von Nanopartikeln in der Blase, sondern auch ihre spezifische Anreicherung im Tumor. Dieser Erfolg wurde durch verschiedene Techniken ermöglicht, darunter medizinische Positronenemissionstomographie (PET)-Bildgebung der Mäuse sowie mikroskopische Bilder der nach Abschluss der Studie entnommenen Gewebe. Letztere wurden mit einem speziell für dieses Projekt am IRB Barcelona entwickelten Fluoreszenzmikroskopiesystem erfasst. Das System scannt die verschiedenen Schichten der Blase und erstellt eine 3D-Rekonstruktion, die eine Beobachtung des gesamten Organs ermöglicht.

„Das von uns entwickelte innovative optische System ermöglichte es uns, das vom Tumor selbst reflektierte Licht zu eliminieren und so Nanopartikel im gesamten Organ ohne vorherige Markierung mit einer beispiellosen Auflösung zu identifizieren und zu lokalisieren. Wir beobachteten, dass die Nanoroboter nicht nur den Tumor erreichten sondern auch hineingelangt und so die Wirkung des Radiopharmazeutikums verstärkt“, erklärt Julien Colombelli, Leiter der Advanced Digital Microscopy-Plattform am IRB Barcelona.

Es war eine Herausforderung zu entschlüsseln, warum Nanoroboter in den Tumor eindringen können. Nanorobotern fehlen spezifische Antikörper, um den Tumor zu erkennen, und Tumorgewebe ist typischerweise steifer als gesundes Gewebe.

„Wir haben jedoch beobachtet, dass diese Nanoroboter die extrazelluläre Matrix des Tumors abbauen können, indem sie den pH-Wert durch eine selbstantreibende chemische Reaktion lokal erhöhen. Dieses Phänomen begünstigte eine stärkere Tumorpenetration und trug dazu bei, eine bevorzugte Anreicherung im Tumor zu erreichen“, erklärt Meritxell Serra Casablancas, Co-Erstautorin der Studie und IBEC-Forscherin.

Daraus kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Nanoroboter mit dem Urothel kollidieren, als wäre es eine Wand, aber im Tumor, der schwammiger ist, in den Tumor eindringen und sich darin ansammeln. Ein Schlüsselfaktor ist die Mobilität der Nanobots, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, den Tumor zu erreichen.

Darüber hinaus, so Jordi Llop, Forscher am CIC biomaGUNE und Co-Leiter der Studie, „reduziert die lokale Verabreichung der Nanoroboter, die das Radioisotop tragen, die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Wirkungen, und die hohe Anreicherung im Tumorgewebe begünstigt das Strahlentherapeutikum.“ Wirkung.“

„Die Ergebnisse dieser Studie öffnen die Tür für die Verwendung anderer Radioisotope mit einer größeren Fähigkeit, therapeutische Wirkungen hervorzurufen, deren Verwendung jedoch bei systemischer Verabreichung eingeschränkt ist“, fügt Cristina Simó, Co-Erstautorin der Studie, hinzu.

Jahrelange Arbeit und ein Spin-off

Die Studie bündelt die Ergebnisse einer über dreijährigen Zusammenarbeit verschiedener Institutionen. Ein Teil der Daten stammt aus den Doktorarbeiten von Meritxell Serra und Ana Hortelao, beide Forscher im IBEC Intelligente Nano-Bio-Geräte Gruppe unter der Leitung von Sánchez.

Es enthält auch die Dissertation von Cristina Simó, Co-Erstautorin der Studie, die ihre Doktorandenforschung im Labor für Radiochemie und nukleare Bildgebung unter der Leitung von Jordi Llop am CIC biomaGUNE durchführte. Die Expertise der Gruppe von Esther Julián an der UAB im Tiermodell der Krankheit ist ein zusätzlicher Beitrag.

Die diesen Nanorobotern zugrunde liegende Technologie, die Samuel Sánchez und sein Team seit über sieben Jahren entwickeln, wurde kürzlich patentiert und dient als Grundlage für Nanobots Therapeutics, ein im Januar 2023 gegründetes Spin-off von IBEC und ICREA.

Das von Sánchez gegründete Unternehmen fungiert als Brücke zwischen Forschung und klinischer Anwendung. „Die Sicherung einer soliden Finanzierung für das Spin-off ist von entscheidender Bedeutung, um diese Technologie weiter voranzutreiben und sie, wenn alles gut geht, auf den Markt und in die Gesellschaft zu bringen. Im Juni, nur fünf Monate nach der Gründung von Nanobots Tx, haben wir die erste Runde erfolgreich abgeschlossen „Wir freuen uns über die Finanzierung und sind gespannt auf die Zukunft“, sagt Sanchez.

Technologische Innovation in der Mikroskopie zur Ortung von Nanorobotern

Die Arbeit mit Nanorobotern stellt eine erhebliche wissenschaftliche Herausforderung für Bioimaging-Techniken zur Visualisierung dieser Elemente im Gewebe und im Tumor selbst dar. Gängigen nicht-invasiven klinischen Techniken wie der PET fehlt die erforderliche Auflösung, um diese sehr kleinen Partikel auf mikroskopischer Ebene zu lokalisieren.

Daher nutzte die Scientific Microscopy Platform am IRB Barcelona eine Mikroskopietechnik, bei der Proben mit einem Laserlichtblatt beleuchtet werden, was die Erfassung von 3D-Bildern durch Lichtstreuung bei Interaktion mit Geweben und Partikeln ermöglicht.

Als sie beobachteten, dass der Tumor selbst einen Teil des Lichts streute und so Interferenzen erzeugte, entwickelten die Wissenschaftler eine neue Technik auf der Grundlage von polarisiertem Licht, die jegliche Streuung vom Tumorgewebe und den Zellen auslöscht. Diese Innovation ermöglicht die Visualisierung und Lokalisierung von Nanorobotern, ohne dass eine vorherige Markierung mit molekularen Techniken erforderlich ist.