Un team interdisciplinare di tre membri della facoltà del Virginia Tech affiliato al Macromolecules Innovation Institute ha creato un sistema di somministrazione di farmaci che potrebbe espandere radicalmente le opzioni di trattamento del cancro.

Il metodo convenzionale di trattamento del cancro di iniettare farmaci a nanoparticelle nel flusso sanguigno si traduce in una bassa efficacia. A causa della complessità del corpo umano, pochissime di quelle nanoparticelle raggiungono effettivamente il sito del cancro, e una volta lì, c'è una distribuzione limitata attraverso il tessuto canceroso.

Il nuovo sistema creato presso Virginia Tech è noto come Nanoscale Bacteria-Enabled Autonomous Drug Delivery System (NanoBEADS). I ricercatori hanno sviluppato un processo per attaccare chimicamente nanoparticelle di farmaci antitumorali su cellule batteriche attenuate, che hanno dimostrato di essere più efficaci della somministrazione passiva di iniezioni nel raggiungere i siti del cancro.

NanoBEADS ha prodotto risultati in modelli sia in vitro (negli sferoidi tumorali) che in vivo (nei topi viventi) mostrando miglioramenti fino a 100 volte nella distribuzione e nella ritenzione delle nanoparticelle nei tessuti cancerosi.

Questo è un prodotto del premio quinquennale alla CARRIERA della National Science Foundation di Bahareh Behkam, professore associato di ingegneria meccanica. I collaboratori di questo team interdisciplinare sono Rick Davis, professore di ingegneria chimica, e Coy Allen, assistente professore di scienze biomediche e patobiologia presso il Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine.

"Puoi creare le droghe più incredibili, ma se non puoi consegnarlo dove deve andare, non può essere molto efficace, " Behkam ha detto. "Migliorando la consegna, puoi aumentare l'efficacia."

Questo lavoro, che unisce competenze in ingegneria meccanica, Ingegneria Biomedica, Ingegneria Chimica, e medicina veterinaria, è stato recentemente dettagliato in Scienze avanzate .

Usare la salmonella per sempre

Gli umani hanno notato, fin dall'Antico Egitto, che il cancro è andato in remissione se il paziente ha anche contratto un'infezione come la salmonella. Né sono ideali, ma gli esseri umani possono trattare le infezioni da salmonella in modo più efficace del cancro.

Nei tempi moderni, Allen ha affermato che l'idea di curare il cancro con infezioni risale alla fine del 1800 e si è evoluta in immunoterapia, in cui i medici cercano di attivare il sistema immunitario per attaccare le cellule cancerose.

Certo, la salmonella è dannosa per l'uomo, ma una versione indebolita potrebbe in teoria fornire i benefici dell'immunoterapia senza gli effetti dannosi dell'infezione da salmonella. Il concetto è simile agli esseri umani che ricevono un virus influenzale indebolito in un vaccino per costruire l'immunità.

Più di sei anni fa, Behkam ha avuto l'idea di aumentare l'immunoterapia batterica per attaccare anche il cancro con farmaci antitumorali convenzionali. Il problema era che la somministrazione passiva di farmaci antitumorali non funziona molto bene.

Data la sua esperienza nella microrobotica bioibrida, voleva usare i batteri della salmonella come veicoli autonomi per trasportare la medicina, in forma di nanoparticelle, direttamente al sito del cancro.

Il lavoro è iniziato con il primo studente di dottorato di Behkam, Mahama Aziz Traore, costruire la prima generazione di NanoBEADS assemblando decine di nanoparticelle di polistirene su batteri E. coli. Dopo aver studiato a fondo per alcuni anni gli aspetti dinamici e di controllo dei sistemi NanoBEADS, Behkam ha portato Davis nel progetto perché aveva esperienza nella creazione di nanoparticelle polimeriche per la somministrazione di farmaci.

"Ha menzionato questo approccio radicalmente diverso per la somministrazione di farmaci e nanoparticelle, "Ha detto Davis. "Mi sono allontanato dalla conversazione pensando, 'Uomo, se questa cosa potesse funzionare, sarebbe fantastico.'"

Behkam ha scelto questo particolare ceppo batterico, Salmonella enterica sierotipo Typhimurium VNP20009, perché è stato studiato a fondo e testato con successo in uno studio clinico di fase uno.

"Il suo compito (della salmonella) come agente patogeno è di penetrare attraverso il tessuto, "Behkam ha detto. "Quello che abbiamo pensato è che se i batteri sono così bravi a muoversi attraverso il tessuto, che ne dici di accoppiare la nanomedicina con il batterio per portare quella medicina molto più lontano di quanto si diffonda passivamente da sola?"

video grafico che mostra come le nanoparticelle sono attaccate alle cellule dei batteri della salmonella che si muovono tra le cellule per raggiungere i tumori

Descrizione dell'elemento grafico:Gli agenti NanoBEADS sono costruiti coniugando nanoparticelle di poli(acido lattico?co?glicolico) con Salmonella typhimurium mirata al tumore. NanoBEADS migliora la ritenzione e la distribuzione delle nanoparticelle nei tumori solidi fino a un notevole "100" volte, attraverso l'auto-replicazione e la traslocazione intercellulare (tra le cellule). Questo miglioramento del trasporto è ottenuto in modo autonomo, senza la necessità di alcuna forza motrice applicata esternamente o input di controllo.

Prove ed errori

Sebbene Behkam avesse una visione per il nuovo sistema di somministrazione dei farmaci, ci sono voluti diversi anni perché diventasse realtà.

"Il processo di creazione di nanoparticelle e poi di attaccarle ai batteri in modo robusto e ripetibile è stato impegnativo, ma aggiungi anche quello assicurandoti che i batteri rimangano in vita, scoprire il meccanismo di trasporto dei batteri nel tessuto canceroso, e ideare modi per descrivere quantitativamente l'efficacia di NanoBEADS, e questo era un progetto difficile, " ha detto Davis.

SeungBeum Suh, L'ex dottorato di ricerca di Behkam. alunno, e Amy Jo, L'ex dottorato di ricerca di Davis alunno, hanno lavorato insieme per attaccare le nanoparticelle mantenendo in vita i batteri. Non è stato fino al loro quarto tentativo che hanno iniziato a trovare il successo.

"Abbiamo collaborato per realizzare queste particelle, e li abbiamo attaccati ai batteri, "Behkam ha detto. "Allora la domanda era qual è il meccanismo della loro traslocazione nel tumore? Fino a che punto entrano nel tumore? Come possiamo presentare una misura quantitativa delle loro prestazioni?"

Behkam insieme a Suh e all'attuale studente di dottorato Ying Zhan hanno testato la loro salmonella attaccata alle nanoparticelle in tumori cresciuti in laboratorio. Hanno trovato miglioramenti fino a 80 volte nella penetrazione e nella distribuzione delle nanoparticelle utilizzando la piattaforma NanoBEADS, rispetto alle nanoparticelle a diffusione passiva.

Per di più, Suh e Behkam hanno scoperto che NanoBEADS penetra ampiamente nel tumore traslocando attraverso lo spazio tra le cellule tumorali.

Behkam voleva rafforzare i risultati di NanoBEADS oltre la fase in vitro. Con una scuola veterinaria di prim'ordine in fondo alla strada, ha arruolato Allen, il suo compagno di facoltà del MII, per testare il sistema NanoBEADS in vivo. I test sui tumori del cancro al seno nei topi hanno prodotto risultati che mostrano miglioramenti significativi rispetto al parto passivo.

I test hanno mostrato che c'era circa 1, 000 volte più cellule di salmonella nel tumore rispetto al fegato e 10, 000 volte più della milza.

"Soprattutto, la salmonella stessa ha contribuito a mantenere le particelle nel tumore fino a 100 volte migliori, il che suggerirebbe che sarebbe un veicolo di consegna efficace, " ha detto Allen.

Il prossimo passo nella ricerca è caricare le terapie antitumorali nel sistema NanoBEADS per testare il potenziale miglioramento dell'efficacia.

Dalla panca alla cuccia al capezzale

La collaborazione mette in evidenza la diversità della ricerca interdisciplinare possibile attraverso MII e Virginia Tech.

"L'integrazione sinergica di diverse competenze è stata essenziale per le scoperte ad alto impatto che sono risultate da questo lavoro, "Behkam ha detto.

Con l'aggiunta della Virginia Tech Carilion School of Medicine e del Fralin Biomedical Research Institute presso VTC, Allen ha affermato che Virginia Tech ha la possibilità di testare la ricerca scientifica "dal banco al canile al capezzale".

"Il progetto non potrebbe andare avanti senza ciascuna delle tre parti, "Ha detto Allen. "Lo studio non sarebbe stato pubblicato in una rivista di così alto impatto senza avere la chimica, lo sfondo del patogeno, l'idea, e avere la rilevanza fisiologica e clinica di testarlo in un tumore reale in un modello animale reale".

Davis ha affermato che tutti i meccanismi di somministrazione dei farmaci devono passare attraverso sperimentazioni sugli animali, quindi avere un college di medicina veterinaria "assolutamente fantastico" nel campus ha portato la ricerca a un livello superiore.

"Una cosa che mi ha attratto di questo progetto è stata la capacità di lavorare con persone come Bahareh e Coy che lavorano con cellule e studi sugli animali per tradurre davvero il lavoro, "Ha detto Davis. "È difficile trovare quella combinazione di persone in molte scuole".