Trattamenti personalizzati per il cancro e migliori impianti ossei potrebbero nascere dalle tecniche dimostrate dagli studenti laureati Stephen W. Morton e Nisarg J. Shah, che lavorano entrambi nel laboratorio della professoressa di ingegneria chimica Paula Hammond al MIT.

Il lavoro di Morton si concentra sullo sviluppo di nanoparticelle che trasportano farmaci per colpire i tumori difficili da trattare, come il cancro al seno triplo negativo (TNBC), mentre Shah sviluppa rivestimenti che promuovono una migliore adesione per gli impianti ossei.

Il loro lavoro condivide un approccio basato sui materiali che utilizza l'assemblaggio strato per strato di nanoparticelle e rivestimenti. Questo approccio fornisce il rilascio controllato di componenti desiderabili dai farmaci chemioterapici ai fattori di crescita ossea. L'uso di materiali naturali promette di ridurre gli effetti collaterali dannosi.

"Abbiamo tutte queste diverse aree in cui stiamo cercando di affrontare diversi problemi legati alla salute umana, certamente nel contesto della ricerca sul cancro che è una parte molto importante del laboratorio ora, " Shah dice. "Oltre a ciò, stiamo anche esaminando come possiamo migliorare i modi in cui le varie malattie e lesioni dei pazienti vengono gestite in un modo che migliorerà gli attuali standard clinici".

Tuttavia, potrebbero essere necessari dai cinque ai sette anni per passare dal successo preclinico negli animali da laboratorio attraverso gli studi clinici sull'uomo alla disponibilità del pubblico.

"Strato per strato ci consente di introdurre materiali molto specifici sulla superficie di vari substrati, sia una nanoparticella, sia un impianto, dalla nanoscala alla macroscala, " Spiega Shah. "Siamo stati in grado di introdurre tutti i tipi di proprietà diverse depositando materiali molto specifici su substrati, modificando le loro proprietà di superficie ed eventualmente facendo loro fare cose molto specifiche nel contesto delle applicazioni."

Combattere i tumori difficili da trattare

Quando viene erogato attraverso il rilascio scaglionato nel tempo da una nanoparticella a base di liposomi, i farmaci chemioterapici erlotinib e doxorubicina hanno ridotto i tumori nei topi, Morton e colleghi hanno riportato in un recente articolo. Uno strato di acido ialuronico favorisce il passaggio delle nanoparticelle attraverso il corpo, mentre il folato attaccato al loro guscio aiuta le nanoparticelle a legarsi ai recettori sulle cellule tumorali. Lo studio ha preso di mira due tumori difficili da trattare:il TNBC e il cancro del polmone non a piccole cellule. Morton è stato coautore principale con Michael J. Lee nel gruppo del professore di biologia Michael B. Yaffe al MIT; Shah è stato uno dei tanti altri coautori. Sia Hammond, il professore di ingegneria David H. Koch, e Yaffe, il professore di scienze David H. Koch, sono membri del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT.

Per uno studio precedente, guidato dal postdoc associato Zhou J. "Jason" Deng nel gruppo di Hammond, Morton faceva parte di un team che ha dimostrato progressi nella lotta al TNBC con una nanoparticella a strati. Hanno utilizzato biopolimeri biodegradabili e liposomi approvati dalla FDA per creare nanoparticelle costituite da un nucleo che trasporta il farmaco e uno strato esterno contenente un breve RNA interferente (siRNA). Il siRNA si lega a un gene sulla cellula cancerosa e le impedisce di produrre una proteina che elimina i farmaci chemioterapici. Anche Shah faceva parte di quella squadra.

"Stiamo cercando di progettare questi sistemi che rilasciano terapie in combinazione che lavorano insieme in un modo che ha questo vantaggio maggiore. Stiamo progettando questi sistemi con un focus sui materiali per rilasciarli in modi che coinvolgeranno una cellula cancerosa e uccideranno in modo più efficace, dove i farmaci lavorano insieme e lo fanno con un effetto più potente, "dice Morton.

In diversi studi pubblicati a partire dal 2011, Hammond e colleghi hanno mostrato come i rivestimenti potrebbero essere depositati strato per strato per colpire le cellule tumorali e controllare il rilascio di farmaci dal nucleo. Questo approccio ha il vantaggio di aumentare la forza del farmaco contro la cellula tumorale e di diminuire gli effetti collaterali dannosi. Nel lavoro siRNA, Deng, Mortone, e colleghi hanno identificato la poli-L-arginina (PLA) come un candidato promettente perché offriva la capacità di trasportare una grande quantità di siRNA, oltre ad offrire stabilità del film e bassa tossicità alle cellule normali. Nello studio, hanno stimato che le loro nanoparticelle ne contenessero circa 3, 500 molecole di siRNA per strato con circa il 95% di rivestimento superficiale. Uno strato aggiuntivo di acido ialuronico ha conferito alle nanoparticelle la capacità "invisibile" di viaggiare attraverso il sangue fino al sito del tumore negli studi su animali vivi. "Il risultato qui dimostra che un gene bersaglio all'interno del tumore può essere efficacemente messo a tacere a seguito di un singolo, somministrazione sistemica di nanoparticelle di siRNA LbL, " scrissero.

Rafforzare gli impianti, migliorare la somministrazione dei farmaci

Shah è stato autore principale di diversi articoli sugli studi sugli impianti ossei, mostrando in un 2013 Scienza Medicina traslazionale riferiscono che i rivestimenti stratificati contenenti proteina morfogenetica ossea-2 (BMP-2) e idrossiapatite (HAP) hanno prodotto un legame più forte degli impianti alle ossa nei topi. Anche Morton faceva parte di quella squadra.

"In una piccola percentuale di persone, l'impianto non si lega molto bene con il tessuto osseo ospite esistente e causa il fallimento dell'impianto, " Shah spiega. Significativamente, i rivestimenti hanno favorito la crescita di nuovo tessuto osseo direttamente sugli impianti, indicando un potenziale per sostituire la giunzione di cemento che lega gli impianti attuali all'osso naturale. Un altro passaggio che può essere incluso nella tecnica strato per strato è l'aggiunta di antibiotici o polimeri antimicrobici che possono prevenire l'infezione.

Morton afferma di essersi unito alla collaborazione Hammond-Yaffe dopo che il gruppo di Yaffe aveva dimostrato che la somministrazione di erlotinib e doxorubicina in modo scaglionato aumentava l'effetto di ciascun farmaco chemioterapico contro il cancro, ma quando somministrato in modo indipendente, non hanno funzionato altrettanto bene. "In forma libera, ogni volta che lo applichi a un sistema biologico come un topo o un essere umano, le droghe vengono rapidamente eliminate e non vanno dove devono andare, " Spiega Morton. "Stavamo cercando di trovare modi migliori per fornire questi farmaci in un modo che promuovesse questa bella sinergia che hanno osservato nella cultura".

Morton ha creato lui stesso le nanoparticelle, ha lavorato con i colleghi per analizzare le colture di laboratorio e ha condotto esperimenti sui topi al Koch Institute. Gli esperimenti hanno mostrato il restringimento del tumore nei topi dopo 32 giorni di ricezione delle nanoparticelle che rilasciano sia erlotinib che doxorubicina in modo scaglionato nel tempo. In contrasto, la crescita del tumore è continuata in entrambi i topi non trattati, così come i topi a cui è stato somministrato un solo farmaco, doxorubicina. Gli studi sugli animali prevedevano l'iniezione di cellule cancerose umane nei topi. Studentessa del quarto anno, Morton ha un altro anno per difendere la sua tesi e completare il dottorato.

I ricercatori del laboratorio Hammond lo scorso anno hanno sviluppato una tecnica a base di spray per applicare strati sopra le nanoparticelle generate dal processo PRINT (Particle Replication In Non-wetting Templates), che è stato introdotto da Joseph DeSimone presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill. Morton era l'autore principale di quel documento, che ha mostrato che il rivestimento delle nanoparticelle con acido ialuronico le ha funzionalizzate per aderire ai recettori CD44 sulle cellule TNBC (BT-20).

"L'unione delle tecnologie PRINT e spray-LbL consente la fabbricazione di medicinali con un controllo squisito sulla composizione delle particelle, geometria, e proprietà superficiali, fornendo una piattaforma entusiasmante per la produzione su larga scala di particelle multifunzionali altamente controllate, " riferiscono. Sono in fase di commercializzazione sia la tecnologia spray coat che PRINT.

Morton e Shah hanno anche collaborato lo scorso anno a uno studio su nanoparticelle stratificate mirate contro l'osteosarcoma, una forma di cancro osseo che ha un basso tasso di trattamento. I loro esperimenti hanno mostrato il restringimento del tumore, e in alcuni casi, eliminazione, nei topi dal trattamento con nanoparticelle che trasportano una combinazione di chemioterapia (doxorubicina) e targeting tumorale (alendronato). "Per realizzare questo, un polielettrolita, poli(acido acrilico) (PAA), è stato funzionalizzato con un bifosfonato, alendronato, e successivamente assemblato elettrostaticamente in un rivestimento di nanoparticelle, " hanno riferito. Utilizzando materiali clinicamente sicuri, i topi trattati con nanoparticelle mirate alle cellule tumorali dell'osteosarcoma hanno mostrato un volume del tumore ridotto rispetto alle nanoparticelle di controllo del liposoma non rivestite caricate con doxorubicina.

Ripristino della crescita ossea

Scià, che ha difeso con successo la sua tesi di dottorato a maggio, utilizza la tecnologia strato per strato per rigenerare i tessuti danneggiati da lesioni o difetti congeniti, così come una migliore adesione degli impianti, come nelle ossa artificiali del ginocchio o dell'anca, ai tessuti naturali.

"Abbiamo anche cercato di prendere questi costrutti di impalcature che possono essere inseriti all'interno del corpo nel sito di una lesione, " Dice Shah. "Abbiamo rivestito le impalcature utilizzando l'approccio strato per strato, depositare uno strato di polimero, seguito da uno strato di farmaco biologico che può indurre la differenziazione delle cellule staminali presenti all'interno del corpo per formare cellule che possono iniziare a secernere tipi di tessuto molto specifici." Una volta attivato, le cellule staminali possono generare vasi sanguigni o ossa, e guarire i difetti del corpo.

Hammond e Shah hanno brevettato parte del loro lavoro e una startup, Strato Bio, sta tentando di commercializzare alcuni aspetti del lavoro nell'ingegneria del tessuto osseo e nella fornitura di farmaci da bende. Quelle bende potrebbero aiutare i pazienti diabetici oi soldati feriti. Shah agisce come consulente per l'azienda. Continuerà anche nell'Hammond Lab come postdoc per supervisionare un nuovo progetto.

Nel laboratorio, Shah ha assemblato nanoparticelle, realizzato scaffold ossei e scaffold e impianti rivestiti utilizzando la tecnologia layer-by-layer. Un componente importante è un polimero che si rompe in presenza di acqua, una proprietà del materiale chiamata degradabilità idrolitica. Ciò consente allo scaffold di dissolversi naturalmente man mano che si forma nuovo osso per sostituirlo. I polimeri possono essere modificati per abbattere più velocemente o più lentamente.

Il prossimo passo dal punto di vista della ricerca è riprodurre i risultati trovati in studi su piccoli animali su topi e conigli e su animali più grandi, come cani o capre. "Siamo fiduciosi nella tecnologia, quindi sappiamo cosa dobbiamo fare per fare questi grandi studi sugli animali per dimostrare che alla fine possiamo usarli nei pazienti. Questo è un passaggio necessario per qualsiasi approccio terapeutico, "Sah spiega.

Morton spera che ci possa essere abbastanza interesse per le nanoparticelle decorate con folati con la combinazione a doppio farmaco di erlotinib e doxorubicina per passare agli studi clinici sull'uomo senza studi sugli animali più ampi. "Anche questa potrebbe essere una possibilità, " Egli ha detto.

Le continue collaborazioni con il Brigham and Women's Hospital e il Massachusetts General Hospital stanno testando la piattaforma a doppio farmaco contro i tumori nei topi causati da cellule TNBC impiantate in essi. Le cellule tumorali primarie sono state isolate da donne che hanno avuto il cancro.

"Non esiste davvero una terapia specifica per il cancro al seno triplo negativo (TNBC), " spiega Shah. Una possibilità potrebbe essere un processo di approvazione accelerato attraverso la FDA per ottenere il nuovo approccio alla clinica ancora più velocemente (forse due anni), perché c'è un enorme bisogno di una strategia terapeutica specifica per il TNBC. "Questo sarebbe il primo della classe in questo senso, " Aggiunge.

Morton ha ancora un anno per completare il suo dottorato. Shah e Morton lavorano entrambi molto con gli animali:usano l'etichettatura fluorescente delle proteine, droghe, nanoparticelle, e substrati per tenere traccia di ciò che accade una volta impiantati negli animali da esperimento, in particolare come sono distribuiti nelle diverse parti del corpo. "Lo abbiamo esaminato ampiamente, "Dice Shah. Progresso del tumore, Per esempio, viene monitorato mediante micro TC, essenzialmente una TAC dell'animale. La stessa immagine può essere utilizzata per monitorare la formazione dell'osso.

Sebbene i loro studi precedenti non abbiano valutato le loro nanoparticelle per la tossicità per le cellule non cancerose, uno studio precedente sul cancro nei topi ha mostrato che le nanoparticelle si accumulano nel fegato, reni, e cervello. "Valuteremo la tossicità fuori bersaglio, ma ci ha anche permesso di avviare collaborazioni per la cura di altri tipi di malattie, " dice Morton. Una nuova collaborazione con un investigatore clinico del Koch Institute, Scott Floyd, sta guardando il glioblastoma, un cancro al cervello. I ricercatori studieranno la tossicità e cercheranno bersagli genetici del cancro nei tumori del glioblastoma, al fine di fornire inibitori specifici per quel cancro. "La bellezza del siRNA è che puoi indirizzarlo essenzialmente a qualsiasi gene. Puoi modificare la sequenza che incorpori nel tuo siRNA, e poi puoi indirizzarlo a qualsiasi gene di cui vuoi spegnere o controllare l'espressione di, " dice Morton. "In combinazione con i chemioterapici tradizionali, ad esempio, puoi davvero progettare una serie di combinazioni diverse che sono piuttosto potenti."

Dare un pugno da KO

Non è chiaro per quanto tempo l'effetto inibitore del siRNA rimane attivo contro una cellula cancerosa bersaglio, spiega Morton. "Ecco perché queste terapie combinate sono belle, " dice. "Se riesci a indurre questo tipo di perdita di proteine ​​a breve termine, o qualunque cosa stia causando il problema, quindi esporlo a un secondo farmaco per il pugno da KO, potrebbe essere tutto ciò di cui hai bisogno. Ma penso che ci sia ancora molto da scoprire nella comunità su quanto tempo diversi siRNA e diversi bersagli genici possono essere soppressi".

Poiché non esistono due malati di cancro con lo stesso profilo genetico, possono avere lo stesso tipo di cancro, ma con geni diversi che guidano la crescita aggressiva. Sulla base dello screening genetico per identificare i driver specifici per i singoli pazienti, siRNA può essere progettato per mirarli in modo specifico. "La nostra tecnologia può fornire questi farmaci molto bene e può farlo in un modo che incorporerà in modo indipendente tutti questi diversi tipi di terapie per la medicina personalizzata, "dice Morton.

"Certamente, una volta identificato il conducente, possiamo tornare indietro e progettare tipi specifici di terapia per quei pazienti, "Dice Shah.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.