Forscher entwickeln ein Nanopartikel, das die Blut-Hirn-Schranke durchdringen kann

Forscher am Sylvester Comprehensive Cancer Center an der Miller School of Medicine der University of Miami haben ein Nanopartikel entwickelt, das die Blut-Hirn-Schranke durchdringen kann. Ihr Ziel ist es, primäre Brustkrebstumoren und Hirnmetastasen in einer Behandlung abzutöten, und ihre Forschung zeigt, dass die Methode in Laborstudien Brust- und Hirntumoren verkleinern kann.

Hirnmetastasen, wie diese Sekundärtumoren genannt werden, entstehen am häufigsten bei soliden Tumoren wie Brust-, Lungen- und Dickdarmkrebs und sind oft mit einer schlechten Prognose verbunden. Wenn Krebs das Gehirn durchbricht, kann es schwierig sein, eine Behandlung durchzuführen, was zum Teil auf die Blut-Hirn-Schranke zurückzuführen ist, eine nahezu undurchdringliche Membran, die das Gehirn vom Rest des Körpers trennt.

Laut Shanta Dhar, Ph.D., außerordentlicher Professorin für Biochemie und Molekularbiologie und stellvertretende Direktorin für Technologie, könnten die Nanopartikel des Sylvester-Teams eines Tages zur Behandlung der Metastasen eingesetzt werden, mit dem zusätzlichen Vorteil, gleichzeitig den Primärtumor zu behandeln und Innovation bei Sylvester, der die Studie leitete. Sie ist die leitende Autorin einer Arbeit veröffentlicht 6. Mai im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Durch die Beladung des Partikels mit zwei Prodrugs, die auf Mitochondrien, das Energieproduktionszentrum der Zelle, abzielen, zeigten die Forscher in präklinischen Studien, dass ihre Methode Brust- und Gehirntumore schrumpfen lassen konnte.

„Ich sage immer, dass Nanomedizin die Zukunft ist, aber natürlich waren wir bereits in dieser Zukunft“, sagte Dhar und verwies auf kommerziell erhältliche COVID-19-Impfstoffe, deren Formulierung Nanopartikel verwendet. „Nanomedizin ist definitiv auch die Zukunft für Krebstherapeutika.“

Die neue Methode nutzt ein Nanopartikel aus einem biologisch abbaubaren Polymer, das zuvor von Dhars Team entwickelt wurde, in Verbindung mit zwei ebenfalls in ihrem Labor entwickelten Medikamenten, die auf die Energiequellen von Krebs abzielen. Da Krebszellen oft einen anderen Stoffwechsel haben als gesunde Zellen, kann die Unterdrückung ihres Stoffwechsels eine wirksame Methode sein, um Tumore abzutöten, ohne andere Gewebe zu schädigen.

Eines dieser Medikamente ist eine modifizierte Version eines klassischen Chemotherapeutikums, Cisplatin, das Krebszellen abtötet, indem es die DNA in schnell wachsenden Zellen schädigt und so deren Wachstum effektiv stoppt. Aber Tumorzellen können ihre DNA reparieren, was manchmal zu einer Cisplatin-Resistenz führt.

Dhars Team modifizierte das Medikament, um sein Ziel von der Kern-DNA, der DNA, aus der unsere Chromosomen und unser Genom bestehen, auf die mitochondriale DNA zu verlagern. Mitochondrien sind die Energiequellen unserer Zellen und enthalten ihre eigenen, viel kleineren Genome – und – was für die Krebstherapie wichtig ist – verfügen sie nicht über die gleiche DNA-Reparaturmaschinerie wie unsere größeren Genome.

Da Krebszellen zwischen verschiedenen Energiequellen wechseln können, um ihr Wachstum und ihre Vermehrung aufrechtzuerhalten, kombinierten die Forscher ihr modifiziertes Cisplatin, das sie nennen Platin-M und greift mit einem anderen von ihnen entwickelten Medikament den energieerzeugenden Prozess an, der als oxidative Phosphorylierung bekannt ist. Mito-DCAdas speziell auf ein mitochondriales Protein abzielt, das als Kinase bekannt ist, und die Glykolyse, eine andere Art der Energieerzeugung, hemmt.

Dhar sagte, es sei ein langer Weg, ein Nanopartikel zu entwickeln, das Zugang zum Gehirn habe. Sie hat während ihrer gesamten unabhängigen Karriere an Nanopartikeln gearbeitet, und in einem früheren Projekt, in dem sie verschiedene Formen von Polymeren untersuchte, stellten die Forscher fest, dass in präklinischen Studien ein kleiner Bruchteil einiger dieser Nanopartikel das Gehirn erreichte. Von Verfeinerung dieser Polymere Darüber hinaus entwickelte Dhars Team ein Nanopartikel, das sowohl die Blut-Hirn-Schranke als auch die äußere Membran von Mitochondrien überwinden kann.

„Es gab viele Höhen und Tiefen, um dies herauszufinden, und wir arbeiten immer noch daran, den Mechanismus zu verstehen, mit dem diese Partikel die Blut-Hirn-Schranke passieren“, sagte Dhar.

Anschließend testete das Team die speziellen, wirkstoffbeladenen Nanopartikel in präklinischen Studien und stellte fest, dass sie sowohl Brusttumoren als auch Brustkrebszellen schrumpfen lassen, die im Gehirn ausgesät wurden, um dort Tumore zu bilden. Die Nanopartikel-Arzneimittel-Kombination schien in Laborstudien auch ungiftig zu sein und das Überleben deutlich zu verlängern.

Als nächstes möchte das Team seine Methode im Labor testen, um menschliche Hirnmetastasen genauer nachzubilden, vielleicht sogar unter Verwendung von Krebszellen, die von Patienten stammen. Sie wollen das Medikament auch in Labormodellen von Glioblastomen testen, einem besonders aggressiven Hirntumor.

„Ich interessiere mich wirklich für Polymerchemie und es fasziniert mich wirklich, sie für medizinische Zwecke zu nutzen“, sagte Akash Ashokan, ein Doktorand der University of Miami, der in Dhars Labor arbeitet und zusammen mit der Doktorandin Shrita Sarkar Co-Erstautor der Studie ist. „Es ist großartig zu sehen, dass dies auf Krebstherapeutika angewendet wird.“