Forscher suchen nach Nanopartikeln zur Behandlung von Krebs

Von Duxin Sun für The Conversation

Wenn Sie das Wort „Nanomedizin“ hören, denken Sie vielleicht an Szenarien wie im Film „Fantastic Voyage“ von 1966. Der Film zeigt ein medizinisches Team, das geschrumpft ist, um mit einem mikroskopisch kleinen Roboterschiff durch den Körper eines Mannes zu fahren, um ein Blutgerinnsel in seinem Gehirn zu beseitigen.

Diese Entwicklungsstufe hat die Nanomedizin noch nicht erreicht. Obwohl Wissenschaftler kleinere Nanomaterialien als mehrere Nanometer erzeugen können – wobei das „Nano“ einen Milliardstel Meter angibt – war die heutige Nanotechnologie nicht in der Lage, funktionale elektronische Roboter zu erzeugen, die klein genug sind, um sie sicher in den Blutkreislauf zu injizieren. Aber seit das Konzept der Nanotechnologie erstmals in den 1970er Jahren eingeführt wurde, hat es sich in vielen Alltagsprodukten, darunter Elektronik, Stoffe, Lebensmittel, Wasser- und Luftbehandlungsverfahren, Kosmetika und Medikamente, einen Namen gemacht. Angesichts dieser Erfolge in verschiedenen Bereichen waren viele medizinische Forscher bestrebt, die Nanotechnologie zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten einzusetzen.

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Ich bin ein pharmazeutischer Wissenschaftler, der vom Versprechen der Nanomedizin inspiriert wurde. Mein Labor hat in den letzten 20 Jahren an der Entwicklung von Krebsbehandlungen unter Verwendung von Nanomaterialien gearbeitet. Während die Nanomedizin viele Erfolge verzeichnete, waren einige Forscher wie ich von ihrer insgesamt nicht überzeugenden Leistung bei Krebs enttäuscht. Um den Erfolg im Labor besser auf Behandlungen in der Klinik übertragen zu können, haben wir eine neue Methode zur Entwicklung von Krebsmedikamenten unter Verwendung von Nanomaterialien vorgeschlagen. Mit dieser Strategie haben wir eine Behandlung entwickelt, die bei Mäusen mit metastasiertem Brustkrebs eine vollständige Remission erreichen konnte.

Was ist Nanomedizin?

Nanomedizin bezieht sich auf die Verwendung von Materialien im Nanomaßstab zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Einige Forscher definieren Nanomedizin als alle medizinischen Produkte, die Nanomaterialien verwenden, die kleiner als 1.000 Nanometer sind. Andere verwenden den Begriff enger, um sich auf injizierbare Medikamente zu beziehen, die Nanopartikel verwenden, die kleiner als 200 Nanometer sind. Etwas Größeres kann möglicherweise nicht sicher in den Blutkreislauf injiziert werden.

Mehrere Nanomaterialien wurden erfolgreich in Impfstoffen eingesetzt. Die bekanntesten Beispiele sind heute die Covid-19-mRNA-Impfstoffe von Pfizer-BioNTech und Moderna. Diese Impfstoffe verwendeten ein Nanopartikel aus Lipiden oder Fettsäuren, das dabei hilft, die mRNA dorthin zu transportieren, wo sie im Körper hingehen muss, um eine Immunantwort auszulösen.

Forscher haben Nanomaterialien auch erfolgreich in der Diagnostik und medizinischen Bildgebung eingesetzt. Covid-19-Schnelltests und Schwangerschaftstests verwenden Goldnanopartikel, um die farbige Bande zu bilden, die ein positives Ergebnis anzeigt. Magnetresonanztomographie oder MRT verwendet oft Nanopartikel als Kontrastmittel, die helfen, ein Bild besser sichtbar zu machen.

Mehrere auf Nanopartikeln basierende Medikamente wurden für die Krebsbehandlung zugelassen. Doxil (Doxorubicin) und Abraxane (Paclitaxel) sind Chemotherapeutika, die Nanomaterialien als Abgabemechanismus verwenden, um die Wirksamkeit der Behandlung zu verbessern und Nebenwirkungen zu reduzieren.

Krebs und Nanomedizin

Das Potenzial der Nanomedizin, die Wirksamkeit eines Medikaments zu verbessern und seine Toxizität zu verringern, ist attraktiv für Krebsforscher, die mit Anti-Krebs-Medikamenten arbeiten, die oft starke Nebenwirkungen haben. Tatsächlich konzentrieren sich 65 Prozent der klinischen Studien mit Nanopartikeln auf Krebs.

Die Idee ist, dass Nanopartikel-Krebsmedikamente wie biologische Raketen wirken könnten, die Tumore zerstören und gleichzeitig Schäden an gesunden Organen minimieren. Da Tumore undichte Blutgefäße haben, glauben Forscher, dass dies Nanopartikeln ermöglichen würde, sich in Tumoren anzusammeln. Da Nanopartikel im Gegensatz dazu länger im Blutkreislauf zirkulieren können als herkömmliche Krebsbehandlungen, könnten sie sich weniger in gesunden Organen ansammeln und die Toxizität verringern.

Obwohl diese Designstrategien in Mausmodellen erfolgreich waren, haben sich die meisten Nanopartikel-Krebsmedikamente nicht als wirksamer als andere Krebsmedikamente erwiesen. Während einige auf Nanopartikeln basierende Medikamente die Toxizität für bestimmte Organe verringern können, können sie die Toxizität in anderen erhöhen. Während beispielsweise das auf Nanopartikeln basierende Doxil im Vergleich zu anderen Chemotherapieoptionen die Schädigung des Herzens verringert, kann es das Risiko für die Entwicklung des Hand-Fuß-Syndroms erhöhen.

Verbesserung von Krebsmedikamenten auf Nanopartikelbasis

Um Möglichkeiten zur Verbesserung des Designs von Krebsmedikamenten auf Nanopartikelbasis zu untersuchen, untersuchten mein Forschungsteam und ich, wie gut sich fünf zugelassene Krebsmedikamente auf Nanopartikelbasis im Vergleich zu denselben Krebsmedikamenten ohne Nanopartikel in Tumoren anreichern und gesunde Zellen vermeiden. Basierend auf den Ergebnissen unserer Laborstudie schlugen wir vor, dass das Design von Nanopartikeln, die spezifischer für ihr beabsichtigtes Ziel sind, ihre Übertragung von Tiermodellen auf den Menschen verbessern könnte. Dazu gehört die Herstellung von Nanopartikeln, die die Mängel eines bestimmten Medikaments beheben – beispielsweise häufige Nebenwirkungen – und sich auf die Zelltypen konzentrieren, auf die sie bei jedem bestimmten Krebstyp abzielen sollten.

Anhand dieser Kriterien haben wir eine Nanopartikel-basierte Immuntherapie für metastasierenden Brustkrebs entwickelt. Wir haben zuerst festgestellt, dass Brustkrebs eine Art von Immunzelle hat, die die Immunantwort unterdrückt und dem Krebs hilft, resistent gegen Behandlungen zu werden, die das Immunsystem dazu anregen, Tumore anzugreifen. Wir stellten die Hypothese auf, dass Medikamente zwar diese Resistenz überwinden könnten, sich aber nicht ausreichend in diesen Zellen anreichern können, um erfolgreich zu sein. Also haben wir Nanopartikel entwickelt, die aus einem gemeinsamen Protein namens Albumin bestehen, das Krebsmedikamente direkt dorthin transportieren könnte, wo sich diese immunsupprimierenden Zellen befinden.

Als wir unsere auf Nanopartikeln basierende Behandlung an Mäusen testeten, die gentechnisch verändert wurden, um Brustkrebs zu haben, konnten wir den Tumor eliminieren und eine vollständige Remission erreichen. Alle Mäuse waren 200 Tage nach der Geburt noch am Leben. Wir hoffen, dass es schließlich von Tiermodellen auf Krebspatienten übertragen wird.

Die glänzende, aber realistische Zukunft der Nanomedizin

Der Erfolg einiger Medikamente, die Nanopartikel verwenden, wie die COVID-19-mRNA-Impfstoffe, hat bei Forschern und der Öffentlichkeit Aufregung über ihren möglichen Einsatz bei der Behandlung verschiedener anderer Krankheiten ausgelöst, einschließlich Gespräche über einen zukünftigen Krebsimpfstoff. Ein Impfstoff gegen eine Infektionskrankheit ist jedoch nicht dasselbe wie ein Impfstoff gegen Krebs. Krebsimpfstoffe können unterschiedliche Strategien erfordern, um Behandlungsresistenzen zu überwinden. Die Injektion eines auf Nanopartikeln basierenden Impfstoffs in den Blutkreislauf hat auch andere Designherausforderungen als die Injektion in den Muskel.

Obwohl das Gebiet der Nanomedizin gute Fortschritte dabei gemacht hat, Medikamente oder Diagnostika aus dem Labor in die Klinik zu bringen, hat sie noch einen langen Weg vor sich. Aus vergangenen Erfolgen und Misserfolgen zu lernen, kann Forschern dabei helfen, Durchbrüche zu entwickeln, die es der Nanomedizin ermöglichen, ihr Versprechen einzulösen.

(Der Autor ist Professor für Pharmazeutische Wissenschaften, University of Michigan)

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