Lavorare insieme, Gli ingegneri biomedici e i neurochirurghi della Johns Hopkins riferiscono di aver creato minuscoli, "nanoparticelle" biodegradabili in grado di trasportare il DNA alle cellule tumorali del cervello nei topi.

Il team afferma che i risultati del loro esperimento di prova di principio suggeriscono che tali particelle cariche di "geni della morte" potrebbero un giorno essere somministrate a pazienti con cancro al cervello durante la neurochirurgia per uccidere selettivamente tutte le cellule tumorali rimanenti senza danneggiare il normale tessuto cerebrale.

Una sintesi dei risultati della ricerca è apparsa online il 26 aprile sulla rivista ACS Nano .

"Nei nostri esperimenti, le nostre nanoparticelle hanno consegnato con successo un gene di prova alle cellule tumorali del cervello nei topi, dove è stato poi acceso, "dice Jordan Green, dottorato di ricerca, un assistente professore di ingegneria biomedica e neurochirurgia presso la Johns Hopkins University School of Medicine. "Ora abbiamo le prove che questi minuscoli cavalli di Troia saranno anche in grado di trasportare geni che inducono selettivamente la morte nelle cellule tumorali, lasciando in salute le cellule sane."

Green e i suoi colleghi si sono concentrati sui glioblastomi, la forma più letale e aggressiva di cancro al cervello. Con i trattamenti standard della chirurgia, chemioterapia e radiazioni, il tempo di sopravvivenza mediano è di soli 14,6 mesi, e il miglioramento arriverà solo con la capacità di uccidere le cellule tumorali resistenti ai trattamenti standard, secondo Alfredo Quiñones-Hinojosa, M.D., professore di neurochirurgia presso la Johns Hopkins University School of Medicine e membro del gruppo di ricerca.

Poiché la natura protegge il cervello rendendo difficile il raggiungimento delle sue cellule attraverso il sangue, gli sforzi si sono rivolti all'uso di particelle che potrebbero trasportare istruzioni del DNA che distruggono il tumore direttamente alle cellule tumorali durante l'intervento chirurgico.

Gli esperimenti iniziali hanno utilizzato cellule cancerose che Quiñones-Hinojosa e il suo team hanno rimosso da pazienti consenzienti e sono cresciute in laboratorio fino a formare piccole sfere di cellule, chiamate oncosfere, probabilmente il più resistente alla chemioterapia e alle radiazioni, e capace di creare nuovi tumori.

Quiñones-Hinojosa ha poi lavorato con Green per trovare un veicolo per i geni che avrebbero causato la morte nelle oncosfere. Il laboratorio di Green è specializzato nella produzione di piccoli, particelle rotonde costituite da plastica biodegradabile le cui proprietà possono essere ottimizzate per il completamento di varie missioni mediche. Variando gli atomi all'interno della plastica, il team può creare particelle di dimensioni diverse, stabilità e affinità per l'acqua o l'olio. Per questo studio, Il team di Green ha creato dozzine di diversi tipi di particelle e ha testato la loro capacità di trasportare e fornire una sequenza di test di DNA, in particolare un gene per una proteina luminosa rossa o verde, alle oncosfere.

Valutando la sopravvivenza delle cellule che inglobano le particelle e misurando i livelli di luce rossa o verde che emettono, i ricercatori hanno determinato quale formulazione di particelle ha funzionato meglio, poi testato quella formulazione in topi con cancro al cervello umano derivato dai loro pazienti.

Hanno iniettato le particelle direttamente nei topi con un cancro al cervello umano sperimentale, e nel cervello di topi sani per essere usati come confronto. Sorprendentemente, le cellule sane raramente producono le proteine ​​luminose, anche se le particelle che trasportano il DNA stavano entrando nelle cellule tumorali e nelle cellule non tumorali in numero simile. "Questo è esattamente ciò che si vorrebbe vedere, specificità del cancro, ma stiamo ancora ricercando il meccanismo che permette che ciò accada, " afferma Green. "Speriamo che i nostri continui esperimenti facciano luce su questo in modo da poter applicare ciò che apprendiamo ad altri scenari".

"È entusiasmante aver trovato un modo per indirizzare selettivamente la consegna genica alle cellule tumorali, " afferma Quiñones-Hinojosa. "È un metodo molto più fattibile e sicuro per i pazienti rispetto alla terapia genica tradizionale, che utilizza virus modificati per eseguire il trattamento."

Aggiunge che le particelle possono essere liofilizzate e conservate per almeno due anni senza perdere la loro efficacia. "Nanoparticelle che rimangono stabili per così tanto tempo ci permettono di realizzare formulazioni con largo anticipo e in grandi lotti, "dice Stephany Tzeng, dottorato di ricerca, un membro della squadra di Green. "Questo li rende facili da usare in modo coerente in esperimenti e interventi chirurgici; aggiungiamo acqua alle particelle, e sono a posto".

In uno studio correlato, pubblicato online il 27 marzo sulla stessa rivista, Il gruppo di Green ha anche dimostrato che una diversa formulazione di particelle potrebbe effettivamente trasportare e fornire i cosiddetti siRNA alle cellule del cancro al cervello. i siRNA sono molecole molto piccole che trasportano informazioni genetiche alle cellule, ma a differenza del DNA che può attivare i geni, siRNA interferisce con la produzione di particolari proteine ​​e può disattivare i geni del cancro.

Green spiega che gli siRNA devono essere incapsulati in particelle diverse da quelle usate per trasportare il DNA perché gli siRNA sono circa 250 volte più piccoli delle molecole di DNA solitamente utilizzate per la terapia genica. "I siRNA sono anche molto più rigidi del DNA, e non devono entrare nel nucleo cellulare perché svolgono il loro lavoro al di fuori di esso, nel citoplasma, " lui dice.

Una libreria iniziale di 15 formulazioni di particelle biodegradabili è stata testata per la loro capacità di trasportare siRNA nelle cellule di glioblastoma umano che sono state geneticamente modificate per produrre la proteina fluorescente verde (GFP). Gli siRNA aggiunti alle particelle contenevano il codice GFP, così le cellule mirate con successo smetterebbero di brillare di verde.

Modificando le proprietà chimiche delle particelle, il team è stato in grado di trovare una composizione che riduce del 91% il bagliore del GFP nelle cellule tumorali del cervello umano. Per testare la capacità delle particelle di rilasciare siRNA che inducono la morte, il team ha caricato le particelle con una miscela di codici siRNA progettati per impedire la produzione di proteine ​​importanti. Hanno quindi aggiunto queste particelle alle cellule tumorali del cervello e alle cellule cerebrali non cancerose che crescono in laboratorio.

Come nel loro studio sui topi, il siRNA era più efficace, in questo caso nel causare la morte cellulare, nelle cellule tumorali del cervello (fino al 97 percento efficace) rispetto alle cellule non cancerose (da 0 a 27 percento, a seconda del tipo di nanoparticella).

Green sottolinea che per le terapie genetiche basate su nanoparticelle che sono sicure per i pazienti, lo specifico siRNA o DNA che viene consegnato in un trattamento clinico sarebbe scelto con attenzione in modo che, anche se ci fosse una consegna fuori bersaglio alle cellule sane, sarebbe solo dannoso per le cellule tumorali. Il verde è incoraggiato dai risultati finora. "Combinando ciò che abbiamo appreso in questi due studi, potremmo persino essere in grado di progettare particelle in grado di fornire DNA e siRNA allo stesso tempo, ", dice. "Ciò ci consentirebbe di mettere a punto il codice di autodistruzione genetica che le nostre particelle rilasciano in modo che le cellule cancerose muoiano e le cellule sane no".

"Il Dr. Green e i suoi colleghi hanno compiuto passi importanti nello sviluppo di nanoparticelle polimeriche per la consegna di DNA e siRNA, con promettente specificità per le cellule tumorali e maggiore stabilità, "ha detto Jessica Tucker, dottorato di ricerca, direttore del programma per i sistemi e i dispositivi di somministrazione di farmaci e geni presso l'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria, che ha fornito un finanziamento parziale per questi studi. "Anche se rimangono ancora molte sfide, tale lavoro potrebbe potenzialmente trasformare i risultati del trattamento per i pazienti con glioblastoma e tumori cerebrali correlati, per le quali le attuali terapie forniscono benefici limitati".