Inženýři vyvinuli metodu pro hromadnou výrobu nanočástic dodávajících léky proti rakovině přímo do nádorů

Polymerem potažené nanočástice naplněné léčivými látkami slibují významný pokrok v léčbě rakoviny, včetně rakoviny vaječníků. Tyto částice lze cílit přímo na nádory, kde uvolňují svůj náklad, přičemž se vyhýbají mnoha nežádoucím účinkům tradiční chemoterapie.

V posledním desetiletí profesorka Paula Hammondová z MIT a její studenti vytvořili řadu těchto částic pomocí techniky zvané vrstvená montáž. V myších studiích prokázali, že částice účinně bojují proti rakovině.

Aby se tyto nanočástice přiblížily k lidskému použití, výzkumníci nyní vyvinuli výrobní techniku, která umožňuje generovat větší množství částic za zlomek času.

„S nanočásticovými systémy, které vyvíjíme, se pojí velký slib a v poslední době nás nadchly úspěchy, které jsme zaznamenali u zvířecích modelů, zejména při léčbě rakoviny vaječníků,“ říká Hammondová, která je také prorektorou MIT pro fakultu a členkou Koch Institute for Integrative Cancer Research. „V konečném důsledku musíme dosáhnout takové úrovně, aby společnost dokázala tyto nanočástice vyrábět ve velkém měřítku.“

Hammondová a Darrell Irvine, profesor imunologie a mikrobiologie na Scripps Research Institute, jsou hlavními autory nové studie, která vyšla v časopise Advanced Functional Materials. Hlavními autory článku jsou Ivan Pires PhD '24, nyní postdoktorand v Brigham and Women's Hospital a hostující vědec v Koch Institute, a Ezra Gordon '24. Spoluautorkou je také Heikyung Suh, výzkumná technička MIT.

Zjednodušený proces

Před více než deseti lety laboratoř Hammondové vyvinula novou techniku pro tvorbu nanočástic s vysoce kontrolovanou architekturou. Tento přístup umožňuje nanášet vrstvy s různými vlastnostmi na povrch nanočástice střídavým vystavením povrchu kladně a záporně nabitým polymerům.

Do každé vrstvy lze zabudovat molekuly léčiva nebo jiné terapeutické látky. Vrstvy mohou také nést cílící molekuly, které pomáhají částicím najít a vniknout do rakovinných buněk.

Při použití strategie, kterou původně vyvinula Hammondova laboratoř, se nanáší jedna vrstva najednou a po každé aplikaci se částice centrifugují, aby se odstranil přebytečný polymer. Výzkumníci tvrdí, že tento proces je časově náročný a obtížně se rozšiřuje na velkovýrobu.

Nedávno postgraduální student v Hammondově laboratoři vyvinul alternativní přístup k čištění částic, známý jako tangenciální průtoková filtrace. I když to zjednodušilo proces, stále bylo omezeno složitostí výroby a maximálním rozsahem výroby.

„Ačkoli použití tangenciální průtokové filtrace je užitečné, stále se jedná o proces s velmi malými dávkami a klinické studie vyžadují, abychom měli k dispozici mnoho dávek pro značný počet pacientů,“ říká Hammondová.

Pro vytvoření velkoplošné výrobní metody výzkumníci použili mikrofluidní směšovací zařízení, které umožňuje sekvenčně přidávat nové polymerní vrstvy, když částice protékají mikrokanálem v zařízení. Pro každou vrstvu mohou výzkumníci přesně vypočítat, kolik polymeru je potřeba, což eliminuje nutnost čištění částic po každém přidání.

„To je opravdu důležité, protože separace jsou v těchto typech systémů nejdražší a časově nejnáročnější kroky,“ říká Hammondová.

Tato strategie eliminuje potřebu ručního míchání polymerů, zefektivňuje výrobu a integruje procesy splňující požadavky správné výrobní praxe (GMP). Požadavky GMP FDA zajišťují, že produkty splňují bezpečnostní standardy a lze je vyrábět konzistentním způsobem, což by bylo u předchozího postupnéh dávkového procesu velmi náročné a nákladné. Mikrofluidní zařízení, které výzkumníci v této studii použili, se již používá pro GMP výrobu jiných typů nanočástic, včetně mRNA vakcín.

„S novým přístupem je mnohem menší šance na chybu obsluhy nebo nehody,“ říká Pires. „Jedná se o proces, který lze snadno implementovat do GMP, a to je zde skutečně klíčový krok. Můžeme vytvořit inovaci v oblasti vrstvených nanočástic a rychle ji vyrobit způsobem, který by nám umožnil přejít do klinických testů.“

Zvýšená výroba

Pomocí tohoto přístupu mohou výzkumníci vygenerovat 15 miligramů nanočástic (dost pro asi 50 dávek) za pouhých několik minut, zatímco původní technika by trvala téměř hodinu, aby se vytvořilo stejné množství. Výzkumníci tvrdí, že by to mohlo umožnit výrobu více než dostatečného množství částic pro klinické studie a použití u pacientů.

„Pro zvětšení škály s tímto systémem stačí nechat čip běžet a je mnohem jednodušší vyrobit více materiálu,“ říká Pires.

Pro demonstraci své nové výrobní techniky výzkumníci vytvořili nanočástice potažené cytokinem zvaným interleukin-12 (IL-12). Hammondova laboratoř již dříve ukázala, že IL-12 dodávaný vrstvenými nanočásticemi může aktivovat klíčové imunitní buňky a zpomalit růst nádorů vaječníků u myší.

V této studii výzkumníci zjistili, že částice s IL-12 vyrobené pomocí nové techniky vykazují podobný výkon jako původní vrstvené nanočástice. A tyto nanočástice se nejen váží na nádorovou tkáň, ale vykazují jedinečnou schopnost nepronikat do rakovinných buněk. To umožňuje nanočásticím sloužit jako markery na rakovinných buňkách, které lokálně aktivují imunitní systém v nádoru. U myších modelů rakoviny vaječníků může tato léčba vést jak k zpoždění růstu nádoru, tak dokonce k vyléčení.

Výzkumníci podali patent na tuto technologii a nyní spolupracují s Deshpande Center for Technological Innovation na MIT s nadějí na potenciální založení společnosti pro komercializaci této technologie. Zatímco se zpočátku zaměřují na nádory břišní dutiny, jako je rakovina vaječníků, tato práce by se mohla aplikovat i na jiné typy rakoviny, včetně glioblastomu, tvrdí výzkumníci.

Výzkum byl financován z prostředků Národních institutů zdraví USA, Marble Center for Nanomedicine, Deshpande Center for Technological Innovation a Koch Institute Support (core) Grant od Národního institutu pro rakovinu.