Einfache und schnelle Bindung von Zielmolekül und Radiotracer an Arzneimittel-Nanoträger für die Krebstherapie

Ein ideales Nanovesikel zur Krebsbekämpfung hätte drei Funktionalitäten: 1) ein präzise zielgerichtetes Molekül, um es vorzugsweise an Oberflächenmarker auf Krebszellen zu binden, 2) ein stark gebundenes Radionuklidsignal, das es einem PET-Scan ermöglichen würde, die Vesikel im Körper zu lokalisieren, und 3) die Fähigkeit, eine medikamentöse Behandlung, wie beispielsweise eine Chemotherapie, an dem Krebstumor zu tragen und freizusetzen.

Es würde auch zwei weitere Anforderungen erfüllen – ein einfaches und leichtes Herstellungsverfahren haben und im Körper biokompatibel und biologisch abbaubar sein.

Ein Team der Universität von Alabama in Birmingham hat nun ein winziges Polymersom beschrieben, das – in ersten präklinischen Experimenten – diese Hürden zu überwinden scheint. Jedes Polymersom ist eine hohle Kugel mit einer dünnen Wand, aber es ist die Beschichtung auf dem Polymersom, die einen Fortschritt markiert.

Die 60-Nanometer-Triblockcopolymer-Polymersomen haben abbaubare Gerbsäure oder TA, die durch Wasserstoffbindung auf der Oberfläche adsorbiert ist. Dieses TA wiederum ist in der Lage, ein auf monoklonale Antikörper gerichtetes Molekül und Zirkoniumradionuklid oder Zr schnell und stabil zu binden, ohne dass spezifische Linker wie Chelatoren aufgebaut werden müssen, sagen Eugenia Kharlampieva, Ph.D., und Suzanne E Lapi, Ph.D., Leiter des UAB-Teams. Ihre Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Biomakromoleküle.

„In dieser Studie haben wir einen einfachen Ansatz für eine chelatorfreie Modifikation der PVPON5-PDMS30-PVPON5-Triblock-Copolymer-Nanovesikel mit einem Durchmesser von etwa 60 bis 80 Nanometern mit einer Polyphenolschicht entwickelt, die gleichzeitig zur Verankerung des 89Zr-Radiotracers verwendet werden kann oder andere aktive Metallionen für die molekulare Bildgebung und einen HER2-Targeting-Liganden, den monoklonalen Trastuzumab-Antikörper, für das Nanovesikel-Targeting auf HER2-positive Brustkrebszellen“, sagte Kharlampieva, eine angesehene Professorin am Department of Chemistry des UAB College of Arts and Sciences . PVPON5 ist ein kurzer hydrophiler Polymerblock aus fünf Monomeren und PDMS30 ist ein längerer hydrophober Polymerblock aus 30 Monomeren innerhalb des Triblock-Copolymers.

Brustkrebs ist eine der häufigsten Krebserkrankungen, und die weltweiten Todesraten sind immer noch hoch. Systemische Medikamente oder therapeutische Antikörper sind gängige Therapien, werden jedoch häufig mit Herzschäden und Funktionsstörungen in Verbindung gebracht. Die bildgeführte Arzneimittelabgabe an einen soliden Tumor könnte eine wirksame Arzneimittelaktivität mit verringerter Arzneimitteltoxizität ermöglichen.

„Nach unserem besten Wissen stellt unsere Arbeit das erste Beispiel eines Chelator-freien radioaktiv markierten Polymersoms dar, das für eine mehrtägige PET-Bildgebungsstudie in vivo geeignet ist“, sagte Lapi, Direktor der UAB Cyclotron Facility und Professor an der UAB Abteilung für Radiologie. „Der hier entwickelte radioaktive Markierungsansatz kann möglicherweise eine stabile Bindung eines breiten Spektrums von Isotopen ermöglichen, ohne dass Radiometall in vivo aus der Vesikelmembran ausgelaugt wird. Bemerkenswerterweise integriert dieser Ansatz die inhärenten Vorteile einer polyphenolischen Polymersomenmembran mit dem Vorteil einer schnellen Verankerung von Brustkrebszellen. zielgerichtete Liganden.“

In der Studie band TA auf dem Polymersom 89Zr4+ Radionuklid durch unspezifische Ionenpaarung, und TA band auch den monoklonalen Trastuzumab-Antikörper oder Tmab durch Wasserstoffbrückenbindung und Ionenpaarung. Es gab eine ausgezeichnete Retention des 89Zr für bis zu sieben Tage, wie durch PET-Scans bei gesunden Mäusen bestätigt wurde.

„Die nichtkovalente Verankerung von Tmab an der Polymersomenmembran kann für die Nanopartikelmodifikation im Vergleich zu derzeit entwickelten kovalenten Methoden sehr vorteilhaft sein, da sie eine einfache und schnelle Integration einer breiten Palette von Targeting-Proteinen ermöglicht“, sagte Kharlampieva. „Angesichts der Fähigkeit dieser Polymersomen, Therapeutika gegen Krebs einzukapseln und freizusetzen, können sie als zielgerichtete therapeutische Träger zur Förderung der menschlichen Gesundheit durch hochwirksame Strategien zur Arzneimittelabgabe weiter ausgebaut werden.“

Eine einstündige Inkubation der TA-Polymersomen in einer Lösung von 89Zr-Oxalat führte zu Radiomarkierungsausbeuten von 97 Prozent, und diese Ausbeuten blieben über einen, drei und sieben Tage konstant. Die markierten Polymersomen waren nicht zytotoxisch, wenn sie in vitro mit zwei Linien von Krebszellen bis zu vier Tage lang inkubiert wurden. Darüber hinaus hatte die Bindung von 89Zr an Polymersomen mit bereits gebundenem Tmab ebenfalls hohe Ausbeuten von 97 Prozent und eine Stabilität von sieben Tagen. Diese Bindungsausbeuten sind für den klinischen Einsatz ausreichend hoch, sagen die UAB-Forscher.

Als nächstes wurde die stabile Retention des 89Zr auf den TA-Polymersomen indirekt in Mäusen demonstriert.

Es wurde zuvor berichtet, dass sich die Bioverteilung von freiem 89Zr-Radiotracer aufgrund der Chelatbildung des Zirkoniums mit Phosphateinheiten im Knochen weitgehend in der Wirbelsäule und den Oberschenkelknochen von Tieren lokalisiert. Die UAB-Forscher fanden heraus, dass nach Injektion von freiem 89Zr in Mäuse nach 24 Stunden fast alles in den Femurknochen lokalisiert war, wie durch einen PET-Scan gemessen wurde. Eine stark unterschiedliche Bioverteilung wurde beobachtet, wenn 89Zr-TA-Polymersomen in Mäuse injiziert wurden. In Knochen wurde vernachlässigbare Radioaktivität gefunden; Stattdessen befand sich fast die gesamte Radioaktivität in Milz und Leber. Diese Position repräsentiert die bekannte erwartete Clearance von Nanovesikeln durch das mononukleäre Phagozytensystem für Nanomaterialien, die größer als 6 bis 8 Nanometer sind.

„Der beobachtete drastische Unterschied zwischen der Bioverteilung des freien 89Zr und des mit Metall-Radiotracern markierten Vesikels ist wichtig, da er eine ungehinderte Fähigkeit des polymeren Nanoträgers zeigt, in vivo verfolgt zu werden“, sagte Lapi.

Der starke Abbildungskontrast in den Mäusen wurde sieben Tage lang beibehalten, ein weiterer Beweis für eine enge Retention des 89Zr auf den TA-Polymersomen.

Die Fähigkeit der 89Zr-Tmab-TA-Polymersomen, auf HER2-positive Krebszellen abzuzielen, wurde in vitro durch unterschiedliche Bindung der Nanovesikel an HER2-positive Brustkrebszellen im Vergleich zu HER2-negativen Zellen gezeigt. Die Forscher sagen, dass weitere Tests zur Bekämpfung von Brustkrebstumoren bei Tieren gerechtfertigt sind.

Co-Erstautoren der Studie „Direct radiolabeling of trastuzumab-targeting triblock copolymer vesicles with 89Zr for positronemission tomography imaging“ sind Veronika Kozlovskaya, UAB Department of Chemistry, und Maxwell Ducharme, UAB Department of Radiology.

Andere Co-Autoren mit Kharlampieva, Lapi, Kozlovskaya und Durcharme sind Maksim Dolmat und James M. Omweri, UAB Department of Chemistry; und Volkan Tekin, UAB-Abteilung für Radiologie.