I trattamenti contro il cancro, dalle radiazioni alla chirurgia alla chemioterapia, sono progettati per rimuovere o uccidere le cellule cancerose, ma le cellule sane spesso diventano danni collaterali nel processo. E se potessi usare i laser per individuare l'area da trattare e somministrare farmaci solo alle cellule tumorali?

Un gruppo di ricerca dell'Università del Delaware, guidata da Emily Day, un assistente professore di ingegneria biomedica, sta gettando le basi per un metodo per inibire i geni che promuovono il cancro nelle cellule tumorali lasciando intatte le cellule sane. In un nuovo articolo pubblicato su Nano lettere , il team rivela intuizioni senza precedenti su questo metodo promettente, che comporta il rivestimento di nanoparticelle con agenti di regolazione genica e quindi l'esposizione a una dose di luce laser per liberare quel materiale.

Poiché le nanoparticelle mantengono inattivi gli agenti regolatori del gene fino a quando il loro rilascio non viene attivato su richiesta con la luce, hanno un potenziale sostanziale per consentire una terapia del cancro ad alta precisione riducendo al minimo l'impatto sulle cellule sane non irradiate. Day e il suo team hanno testato il loro nuovo metodo contro le cellule tumorali cerebrali utilizzando le nanoparticelle per silenziare l'espressione della proteina fluorescente verde (GFP) nelle cellule.

Un nuovo modo di combinare laser e nanoparticelle

Come bisturi e suture, i laser sono spesso utilizzati nelle procedure mediche. Gli oftalmologi usano i laser per rimodellare le cornee nella chirurgia oculare per la correzione della vista. I dermatologi usano i laser per sbiadire le cicatrici sulla pelle. I cardiologi usano i laser per aprire le arterie ostruite. Gli oncologi usano i laser per distruggere le cellule cancerose e i tumori.

Il Day Lab mira a combinare i laser con nanoparticelle regolatrici di geni sensibili alla luce per annientare strategicamente le cellule tumorali e ridurre al minimo i danni collaterali.

Iniziano con piccoli RNA interferenti, noti come siRNA, che sono molecole costituite da filamenti complementari di RNA che possono ridurre l'espressione di alcuni geni nelle cellule tumorali. Gli siRNA sono rivestiti su nanoparticelle di silice e oro, che misurano meno della larghezza di un capello umano. Queste particelle proteggono i siRNA fino a raggiungere l'area di trattamento desiderata. La domanda è:come li rilasci esattamente nel punto giusto?

"In precedenza, se le persone volessero fornire RNA con nanoparticelle, potrebbero rivestire le nanoparticelle con un polimero o un peptide che penetra nelle cellule, un agente per facilitare l'assorbimento e la consegna delle cellule, " Day ha detto. "Il problema è che quegli agenti non sono specifici. Finisci per ottenere la regolazione genica in tutte le cellule, non solo le cellule cancerose che intendevi prendere di mira per la regolazione genica".

È qui che entra in gioco la precisione dei laser.

"Il rilascio di siRNA attivato dalla luce consente di silenziare i geni solo dove le particelle e la luce sono combinate, " Day ha detto. "Dal momento che scegli dove va la luce, e quindi dove viene rilasciato il siRNA, è possibile ottenere un silenziamento genico molto specifico nelle cellule tumorali, riducendo il potenziale di effetti fuori bersaglio."

Per questi esperimenti, Day e il suo team (guidato dalla studentessa laureata del Dipartimento di ingegneria biomedica Rachel Riley) hanno esposto le nanoparticelle rivestite di siRNA a luce a onda continua oa brevi impulsi di luce somministrati ogni quadrilionesimo di secondo. Entrambi i tipi di irradiazione hanno innescato il rilascio di siRNA in forme a doppio filamento e a filamento singolo, che è stata una sorpresa dal momento che studi precedenti nella letteratura scientifica suggerivano che l'irradiazione a onde continue avrebbe rilasciato solo singoli filamenti di siRNA (il che significa che i due filamenti complementari del siRNA separati l'uno dall'altro, piuttosto che l'intero duplex rilasciato dalla superficie delle nanoparticelle).

"Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato che è possibile ottenere sia duplex di siRNA che singoli filamenti di RNA da rilasciare da nanoparticelle utilizzando un laser a onda continua come fonte di eccitazione, " disse Day. "Tuttavia, i nostri studi rivelano anche che la luce pulsata è molto più efficiente nel rilasciare duplex di siRNA rispetto alla luce a onda continua. È imperativo che principalmente i duplex vengano rilasciati dalle nanoparticelle perché solo il siRNA duplex funzionerà all'interno delle cellule per silenziare l'espressione dei geni mirati".

Il giorno continuò, "Ulteriore, i nostri studi dimostrano che la luce pulsata non riscalda le cellule come fa la luce a onda continua. Questo è importante poiché troppo calore può causare il danneggiamento delle cellule da parte di meccanismi diversi dalla regolazione genica desiderata".

Il suo gruppo di laboratorio è ben attrezzato per scoprire tali intuizioni sul meccanismo del rilascio di RNA innescato dalla luce dalle nanoparticelle perché svolgono una ricerca interdisciplinare unica.

"Il mio laboratorio ha molta esperienza nella consegna dell'RNA e nella biologia del cancro, quindi abbiamo molte più competenze di biologia molecolare di quelle che potrebbe avere un laboratorio di nanotecnologia tradizionale, e questo ci permette di studiare la funzione dei nanocarrier di RNA con dettagli senza precedenti, " lei disse.

La nuova intuizione che la ricerca di Day getta sull'uso della luce a onda continua rispetto alla luce pulsata per il rilascio innescato di siRNA dalle nanoparticelle è un contributo importante al campo della somministrazione di farmaci. Oltre a dimostrare le differenze funzionali tra le due modalità di eccitazione della luce, il team ha anche dimostrato che il siRNA rilasciato dalle nanoparticelle dopo l'esposizione alla luce pulsata ha ridotto l'espressione del gene mirato (proteina fluorescente verde) meglio di un materiale disponibile in commercio spesso utilizzato per fornire siRNA nelle cellule negli esperimenti di laboratorio. Questa è stata un'osservazione entusiasmante che dimostra il potenziale impatto di questo nuovo sistema.

Questo lavoro è stato condotto in collaborazione con Lars Gundlach del Dipartimento di Chimica e Biochimica e del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UD, che possiede il laser pulsato utilizzato in questi esperimenti. Sono necessarie molte più ricerche prima che questo possa essere tradotto in un trattamento praticabile per i malati di cancro.

Qual è il prossimo?

"Il prossimo passo sarebbe mostrare che possiamo farlo con un carico di RNA più funzionale e biologicamente rilevante rispetto al siRNA che prende di mira la proteina fluorescente verde che è stata utilizzata in questo lavoro, " Day ha detto. "Ci sono molti geni diversi che sono noti per controllare la crescita del cancro, so we will deliver RNA that targets genes that we know to be important in tumor progression and see if we are delivering enough to have an impact."

The team is particularly interested in studying the delivery of siRNA targeting beta-catenin, which plays an important role in triple-negative breast cancer, and also the delivery of microRNA (which is similar to siRNA, but can regulate multiple genes simultaneously). Per esempio, Day's team hopes to deliver miR-34a, which is considered a master regulator of gene expression in cancer.

In addition to Day and Gundlach, the paper's authors include Rachel Riley, a doctoral student in the Department of Biomedical Engineering; Megan Dang, a doctoral student in Department of Biomedical Engineering; Maggie Billingsley, a senior undergraduate student in the Department of Biomedical Engineering; Baxter Abraham, a doctoral student in the Department of Chemistry and Biochemistry.

Riley, who will soon begin work as a postdoctoral associate at the University of Pennsylvania, started graduate school at UD because she wanted to do science that could make a real impact on the medical field. After losing an aunt to cancer, she was especially motivated to put her talents toward research that could someday help patients.

"The Day Lab's idea of incorporating nanoparticles for specific delivery of therapeutic agents was a really unique approach, " lei disse.

Billingsley has done research in the Day Lab since her first year at UD and wrote three peer-reviewed papers based on her work in the group. Nel 2017, she was the first author on a paper published in PLOS One . Prossimo, Billingsley will attend graduate school at the University of Pennsylvania, where she will study immunotherapy. (She and Riley, a duo Day calls a "dream team, " could likely work together in the future.)

"When interviewing with graduate schools, this experience with The Day Lab was the main thing that helped me stand out in interviews and also understand what I wanted out of graduate school, " Billingsley said. "I have had so many opportunities to go down my own path and also work with others on new methods, idee, and areas of research."

This paper also gave Billingsley a taste of an important aspect of scientific discovery.

"We found some results that conflicted with literature, which was a new experience for me, " she said. "That was more exciting that just confirming what was expected."

Globale, Day and her team are excited to further pursue this technology to reveal its potential as a high precision cancer therapy.