Połączenie fototerapii z chemioterapią może zapewnić skuteczniejszą metodę skutecznej walki z agresywnymi nowotworami.
Pacjenci z nowotworem w późnym stadium często muszą przechodzić wiele rund różnych rodzajów leczenia, co może powodować niepożądane skutki uboczne i nie zawsze może pomóc.
W nadziei na poszerzenie możliwości leczenia tych pacjentów, MIT badacze zaprojektowali maleńkie cząsteczki, które można wszczepić w miejsce guza, gdzie zapewniają dwa rodzaje terapii: ciepło i chemioterapię.
Takie podejście pozwoliłoby uniknąć skutków ubocznych, które często występują w przypadku dożylnego podawania chemioterapii, a synergistyczny efekt obu terapii może wydłużyć życie pacjenta dłużej niż w przypadku stosowania jednego leczenia na raz. W badaniu na myszach naukowcy wykazali, że terapia ta całkowicie wyeliminowała nowotwory u większości zwierząt i znacznie przedłużyła ich przeżycie.
„Jednym z przykładów, w których ta konkretna technologia może być użyteczna, są próby kontrolowania wzrostu naprawdę szybko rosnących guzów” – mówi Ana Jaklenec, główna badaczka w Instytucie Kocha w Instytucie Integracyjnych Badań nad Rakiem w MIT. „Celem byłoby uzyskanie pewnej kontroli nad tymi nowotworami u pacjentów, którzy tak naprawdę nie mają wielu opcji, co mogłoby albo przedłużyć ich życie, albo przynajmniej zapewnić im lepszą jakość życia w tym okresie”.
Jaklenec jest jednym ze starszych autorów nowego badania, wraz z Angelą Belcher, profesorem inżynierii biologicznej oraz inżynierii materiałowej Jamesa Masona Craftsa i członkiem Instytutu Kocha, oraz Robertem Langerem, profesorem Instytutu MIT i członkiem Instytut Kocha. Główną autorką artykułu opublikowanego w czasopiśmie jest Maria Kanelli, była postdoc w MIT ACS Nano.
Podwójna terapia
Pacjenci z zaawansowanymi nowotworami zwykle poddawani są leczeniu skojarzonemu, obejmującemu chemioterapię, operację i radioterapię. Fototerapia to nowsza metoda leczenia, która polega na wszczepianiu lub wstrzykiwaniu cząstek podgrzewanych zewnętrznym laserem, podnoszących ich temperaturę na tyle, aby zabić pobliskie komórki nowotworowe bez uszkadzania innych tkanek.
Obecne podejścia do fototerapii w badaniach klinicznych wykorzystują nanocząsteczki złota, które emitują ciepło pod wpływem światła bliskiej podczerwieni.
Zespół z MIT chciał znaleźć sposób na łączenie fototerapii i chemioterapii, co ich zdaniem mogłoby ułatwić pacjentowi proces leczenia, a także mogłoby mieć działanie synergistyczne. Jako środek fototerapeutyczny postanowili zastosować materiał nieorganiczny zwany siarczkiem molibdenu. Materiał ten bardzo efektywnie przekształca światło lasera w ciepło, co oznacza, że można w nim stosować lasery o małej mocy.
Aby stworzyć mikrocząstkę, która mogłaby zapewnić oba te sposoby leczenia, naukowcy połączyli nanocząstki dwusiarczku molibdenu z doksorubicyną, lekiem hydrofilowym, lub wiolaceiną, lekiem hydrofobowym. Aby wytworzyć cząstki, dwusiarczek molibdenu i środek chemioterapeutyczny miesza się z polimerem zwanym polikaprolaktonem, a następnie suszy w celu uzyskania folii, którą można sprasować w mikrocząstki o różnych kształtach i rozmiarach.
Na potrzeby tego badania naukowcy stworzyli sześcienne cząstki o szerokości 200 mikrometrów. Po wstrzyknięciu w miejsce guza cząsteczki pozostają tam przez cały okres leczenia. Podczas każdego cyklu leczenia do podgrzewania cząstek wykorzystywany jest zewnętrzny laser bliskiej podczerwieni. Laser ten może wnikać na głębokość od kilku milimetrów do centymetrów, wywierając miejscowy wpływ na tkankę.
„Zaletą tej platformy jest to, że może ona działać na żądanie w sposób pulsacyjny” – mówi Kanelli. „Podaje się go jednorazowo poprzez wstrzyknięcie do guza, a następnie za pomocą zewnętrznego źródła lasera można aktywować platformę, uwolnić lek i jednocześnie osiągnąć ablację termiczną komórek nowotworowych”.
Aby zoptymalizować protokół leczenia, badacze wykorzystali algorytmy uczenia maszynowego do ustalenia mocy lasera, czasu naświetlania i stężenia środka fototerapeutycznego, które zapewnią najlepsze wyniki.
To skłoniło ich do zaprojektowania cyklu leczenia laserem, który trwa około trzech minut. W tym czasie cząstki nagrzewają się do temperatury około 50 stopni Celsjuszktóra jest wystarczająco gorąca, aby zabić komórki nowotworowe. Również w tej temperaturze matryca polimerowa w cząstkach zaczyna się topić, uwalniając część leku chemioterapeutycznego zawartego w matrycy.
„Ten system laserowy zoptymalizowany pod kątem uczenia maszynowego naprawdę pozwala nam zastosować miejscową chemioterapię w małych dawkach, wykorzystując penetrację głębokich tkanek światła bliskiej podczerwieni do pulsacyjnej terapii fototermicznej na żądanie. Ten efekt synergiczny skutkuje niską toksycznością ogólnoustrojową w porównaniu z konwencjonalnymi schematami chemioterapii” – mówi Neelkanth Bardhan, naukowiec zajmujący się badaniem Break Through Cancer w Belcher Lab i drugi autor artykułu.
Eliminacja nowotworów
Naukowcy przetestowali leczenie mikrocząstkami na myszach, którym wstrzyknięto agresywny typ komórek nowotworowych pochodzących z potrójnie ujemnych guzów piersi. Po powstaniu guza badacze wszczepili około 25 mikrocząstek do każdego guza, a następnie trzykrotnie przeprowadzili leczenie laserem, z trzydniową przerwą między zabiegami.
„To potężny dowód przydatności systemów materiałowych reagujących na bliską podczerwień” – mówi Belcher, który wraz z Bardhanem pracował wcześniej nad systemami obrazowania w bliskiej podczerwieni do zastosowań diagnostycznych i leczniczych raka jajnika. „Kontrolowanie uwalniania leku w określonych odstępach czasu za pomocą światła, już po jednej dawce wstrzyknięcia cząstek, zmienia reguły gry w zakresie mniej bolesnych opcji leczenia i może prowadzić do lepszego przestrzegania zaleceń przez pacjenta”.
U myszy, które otrzymały to leczenie, guzy zostały całkowicie usunięte, a myszy żyły znacznie dłużej niż te, którym podano samą chemioterapię, fototerapię lub nie poddano żadnego leczenia. Myszy, które przeszły wszystkie trzy cykle leczenia, również radziły sobie znacznie lepiej niż te, które otrzymały tylko jeden zabieg laserowy.
Polimer zastosowany do wytworzenia cząstek jest biokompatybilny i został już zatwierdzony przez FDA do stosowania w urządzeniach medycznych. Naukowcy mają teraz nadzieję przetestować cząstki na większych modelach zwierzęcych, aby ostatecznie ocenić je w badaniach klinicznych. Oczekują, że to leczenie może być przydatne w przypadku każdego rodzaju guza litego, w tym nowotworów przerzutowych.
Odniesienie: „System zoptymalizowany pod kątem uczenia maszynowego do leczenia pulsacyjnego, foto- i chemioterapeutycznego z wykorzystaniem mikrocząstek MoS2 reagujących na bliską podczerwień w modelu raka piersi” autorstwa Marii Kanelli, Neelkanth M. Bardhan, Morteza Sarmadi, Behnaz Eshaghi, Shahad K. Alsaiari, William T. Rothwell, Apurva Pardeshi, Dhruv Varshney, Dominique C. De Fiesta, Howard Mak, Virginia Spanoudaki, Nicole Henning, Ashutosh Kumar, Jooli Han, Angela M. Belcher, Robert Langer i Ana Jaklenec, 27 października 2024 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c07843
Badania zostały sfinansowane przez Fundację Bodossaki, Fundację Onassis, stypendium Mazumdar-Shaw International Oncology Fellowship, stypendium National Cancer Institute Fellowship oraz grant (podstawowy) Kocha Institute Support od National Cancer Institute.
