Nanomateriał z Korei otwiera perspektywę terapii łączonych

Trójwarstwowy nanomateriał z żelaza i złota opracowany przez koreańskich naukowców to przełom na rynku nanomedycyny. Łatwa do odtworzenia w produkcji nanostruktura zapewnia precyzyjne efekty terapeutyczne trzech różnych mechanizmów terapeutycznych – fototermiczne, hemodynamiczne i ferroptozę, które mogą być podane w jednym cyklu terapii. Nowa technologia umożliwia też obrazowanie w czasie rzeczywistym oraz akumulację nośnika w guzie i zaplanowanie podania energii w optymalnym momencie. Jednak niezbędne jest wykonanie długoterminowej oceny bezpieczeństwa zanim przeprowadzone zostaną badania z udziałem ludzi.

Naukowcy z Koreańskiego Instytutu Badań Standardów i Nauki (KRISS) w tym dr Eun Sook Lee, dr Jinhyung Lee, dr Na Hee-Kyung i prof. Chulhong Kim opracowali nową technologię onkologiczną – nanomateriał o trójwarstwowej strukturze złota i żelaza, który jednocześnie wykrywa i niszczy komórki raka na trzy różne sposoby. Łączy w sobie również możliwość obrazowania w czasie rzeczywistym oraz indukcji odpowiedzi immunologicznej w jednym dysku. Nowa technologia otwiera drogę do zupełnie nowej klasy terapii kombinowanych. Raport Grand View Research przewiduje, iż globalny rynek nanomedycyny wzrośnie z około 190,58 mld dolarów w 2023 roku do 410,15 mld w 2030 roku. Natomiast według BCC Research, wartość rynku nanotechnologii w leczeniu raka wyniosła 102,4 mld dolarów w 2023 roku, a do 2029 ma osiągnąć 265,4 mld.

Technologia nanoimprint lithography – formowania dysku stemplem w nanoskali – pozwala uzyskać bardzo precyzyjne i powtarzalne nanostruktury dyskowe. Dwie zewnętrzne warstwy złota umożliwiają niszczenie komórek nowotworowych pod wpływem ciepła, po aktywacji światłem lasera. Trzecia, środkowa warstwa – to żelazny rdzeń, wyzwalający reakcje chemiczne uszkadzające komórki nowotworowe poprzez utlenianie i ferroptozę. Taka konstrukcja pozwala cząsteczkom na jednoczesne dostarczanie trzech uzupełniających się terapii.

Połączenie to obiecuje znaczący postęp w porównaniu z obecną technologią nanomateriałów w onkologii (np. Doxil, Abraxane, Onivyde), które dostarczały jedynie chemioterapię w zmodyfikowanej formie i nie łączyły diagnostyki z innymi mechanizmami terapeutycznymi. Dotąd wiele nanocząstek powstawało metodami „bottom-up”, na przykład wytrącania czy syntezy hydrotermalnej, gdzie trudniej o powtarzalność i standaryzację w produkcji materiału.

Nanodysk może w sposób zintegrowany przeprowadzić trzy różne mechanizmy terapeutyczne – fototermiczne, hemodynamiczne i ferroptozę. Podczas gdy konwencjonalne nanomateriały wykorzystują jedynie terapię fototermiczną (PTT), polegającą na podgrzewaniu cząsteczek złota światłem lasera w celu eliminacji komórek nowotworowych. Nanodysk opracowany przez koreańskich naukowców może również przeprowadzać terapię chemiczno-dynamiczną (CDT), wykorzystując adekwatności żelaza do indukowania silnego stresu oksydacyjnego utleniając komórki guza. Trzecią opcją terapeutyczną nowej technologii jest ferroptoza powodująca nasiloną peroksydację lipidów dzięki wysyceniu żelazem i śmierć komórek opornych na apoptozę. Wszystkie trzy terapie mogą być wykonane w jednym cyklu terapeutycznym.

Właściwości magnetyczne żelaza umożliwiają naprowadzenie dysku w okolice zmian nowotworowych. Kiedy dysk jest już na adekwatnym miejscu, możliwe jest obrazowanie guza w czasie rzeczywistym, co przekłada się na mocny sygnał fotoakustyczny (PA). Obrazowaniu podlega zarówno lokalizacja guza, jak i proces dostarczania leku. PA to technika, która wizualizuje drgania (ultradźwięki) generowane przez ciepło, gdy laser jest skierowany na nanodysk. Dzięki tej funkcji podanie energii może być zaplanowane w optymalnym momencie, gdy nanomateriał dociera do guza, maksymalizując jego skuteczność.

W badaniach wykazano, iż maksymalna akumulacja materiału w guzie następuje po ok. 6 godzinach. Dzięki obrazowaniu fotoakustycznemu można w czasie rzeczywistym wyznaczyć optymalne okno terapeutyczne zamiast stosowania sztywnych protokołów czasowych. Zwiększa to selektywność i ogranicza skutki uboczne. Po zniszczeniu komórek nowotworowych nanodysk indukuje uwalnianie wzorców zagrożenia (DAMPs) i wzmacnia odpowiedź immunologiczną. W modelach zwierzęcych odnotowano wzrost komórek układu odpornościowego do trzykrotności wartości wyjściowych.

Najważniejsze wyniki przedkliniczne opublikowane w czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”, potwierdzają możliwość śledzenia akumulacji nośnika w guzie i precyzyjne „trafienie” fototermiczne w szczytowym czasie retencji. Zastosowanie magnesu przyspiesza i zwiększa napływ cząstek do guza. Potwierdzono też, iż skuteczne połączenie mechanizmów terapii fototermicznej, hemodynamicznej i ferroptozy może być wykonalne w jednym cyklu terapeutycznym. Wszystkie dane są przedkliniczne zrealizowane na modelach zwierzęcych.

Badania z udziałem ludzi wymagają długoterminowej oceny bezpieczeństwa ponieważ, nanocząstki złota i żelaza mogą akumulować się w wątrobie i śledzionie. Konieczna będzie standaryzacja parametrów i ustalenie mocy lasera, czasu ekspozycji i intensywności pola magnetycznego w warunkach klinicznych. Należy również poddać ocenie zmienności EPR (Enhanced Permeability and Retention) i penetrację pola magnetycznego w dużych narządach. Integracja tylu funkcji w jednym nośniku to wciąż nowość.