Wykorzystanie nanocząstek do podawania leków na raka daje możliwość uderzenia w guzy dużymi dawkami leków przy jednoczesnym uniknięciu szkodliwych skutków ubocznych, które często towarzyszą chemioterapii. Jednak do tej pory tylko garstka leków na raka opartych na nanocząsteczkach została zatwierdzona przez FDA.

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z MIT i Broad Institute na Harvardzie może pomóc w pokonaniu niektórych przeszkód w rozwoju leków opartych na nanocząsteczkach. Przeprowadzona przez zespół analiza interakcji pomiędzy 35 różnymi rodzajami nanocząstek a prawie 500 rodzajami komórek nowotworowych ujawniła tysiące cech biologicznych, które wpływają na to, czy komórki te przyjmują różne rodzaje nanocząstek.

Odkrycia mogą pomóc naukowcom lepiej dostosować cząstki dostarczające leki do konkretnych typów nowotworów lub zaprojektować nowe cząstki, które wykorzystują cechy biologiczne poszczególnych typów komórek nowotworowych.

„Jesteśmy podekscytowani naszymi odkryciami, ponieważ to naprawdę dopiero początek — możemy wykorzystać to podejście do mapowania, jakie typy nanocząstek są najlepsze do celowania w określone typy komórek, od raka do komórek odpornościowych i innych rodzajów zdrowych i chorych komórek organów. Dowiadujemy się, jak chemia powierzchni i inne właściwości materiału odgrywają rolę w ukierunkowaniu” – mówi Paula Hammond, profesor Instytutu MIT, kierownik Wydziału Inżynierii Chemicznej i członek Koch Institute for Integrative Cancer Research MIT.

Hammond jest głównym autorem nowego badania, które ukazało się w Science. Głównymi autorami pracy są Natalie Boehnke, postdoc z MIT, która wkrótce dołączy do grona wykładowców na Uniwersytecie Minnesoty, oraz Joelle Straehla, Charles W. and Jennifer C. Johnson Clinical Investigator w Koch Institute, instruktor w Harvard Medical School i onkolog dziecięcy w Dana-Farber Cancer Institute.

Interakcje komórka-cząsteczka

Laboratorium Hammonda opracowało wcześniej wiele rodzajów nanocząstek, które można wykorzystać do dostarczania leków do komórek. Badania w jej laboratorium i innych wykazały, że różne typy komórek nowotworowych często różnie reagują na te same nanocząstki. Boehnke, która badała raka jajnika, gdy dołączyła do laboratorium Hammonda, oraz Straehla, która badała raka mózgu, również zauważyli to zjawisko w swoich badaniach.

Naukowcy wysunęli hipotezę, że różnice biologiczne pomiędzy komórkami mogą być przyczyną zróżnicowania ich odpowiedzi. Aby dowiedzieć się, jakie to mogą być różnice, postanowili przeprowadzić badania na dużą skalę, w których mogliby przyjrzeć się ogromnej liczbie różnych komórek wchodzących w interakcje z wieloma rodzajami nanocząstek.

Straehla dowiedział się niedawno o platformie PRISM w Broad Institute, która została zaprojektowana tak, aby umożliwić naukowcom szybkie badanie tysięcy leków na setkach różnych typów raka w tym samym czasie. Przy współpracy z Angelą Koehler, profesorem nadzwyczajnym inżynierii biologicznej MIT, zespół postanowił spróbować przystosować tę platformę do badania interakcji komórka-nanocząstka zamiast interakcji komórka-lekarstwo.

„Używając tego podejścia, możemy zacząć zastanawiać się, czy istnieje coś w genotypie komórki, co pozwala przewidzieć, ile nanocząstek ona przyjmie” – mówi Boehnke.

Do badania naukowcy wykorzystali 488 linii komórek nowotworowych pochodzących z 22 różnych tkanek. Każdy typ komórek ma „kod kreskowy” z unikalną sekwencją DNA, która pozwala badaczom na późniejszą identyfikację komórek. Dla każdego typu komórek dostępne są również obszerne zestawy danych dotyczące ich profili ekspresji genów i innych cech biologicznych.

Jeśli chodzi o nanocząstki, naukowcy stworzyli 35 cząstek, z których każda miała rdzeń składający się z liposomów (cząstek wykonanych z wielu cząsteczek tłuszczu zwanych lipidami), polimeru znanego jako PLGA lub innego polimeru zwanego polistyrenem. Naukowcy pokryli również cząsteczki różnymi rodzajami cząsteczek ochronnych lub docelowych, w tym polimerami takimi jak glikol polietylenowy, przeciwciała i polisacharydy. Pozwoliło to na zbadanie wpływu zarówno składu rdzenia, jak i chemii powierzchni cząstek.

Współpracując z naukowcami z Broad Institute, w tym z Jennifer Roth, dyrektorem laboratorium PRISM, badacze poddali setki różnych komórek działaniu jednej z 35 różnych nanocząstek. Każda nanocząstka miała znacznik fluorescencyjny, więc badacze mogli użyć techniki sortowania komórek, aby oddzielić je na podstawie ilości fluorescencji, jaką wydzielały po ekspozycji trwającej cztery lub 24 godziny.

Na podstawie tych pomiarów, każdej linii komórkowej przypisano wynik reprezentujący jej powinowactwo do każdej nanocząstki. Następnie badacze wykorzystali algorytmy uczenia maszynowego do analizy tych wyników wraz z innymi danymi biologicznymi dostępnymi dla każdej linii komórkowej.

Analiza ta przyniosła tysiące cech, lub biomarkerów, związanych z powinowactwem do różnych typów nanocząstek. Wiele z tych markerów to geny, które kodują komórkową maszynerię potrzebną do wiązania cząstek, wprowadzania ich do komórki lub ich przetwarzania. Niektóre z tych genów były już znane jako zaangażowane w handel nanocząsteczkami, ale wiele innych było nowych.

„Znaleźliśmy kilka markerów, których się spodziewaliśmy, a także znaleźliśmy znacznie więcej, które naprawdę nie zostały zbadane. Mamy nadzieję, że inni ludzie mogą wykorzystać ten zbiór danych, aby pomóc rozszerzyć swój pogląd na to, jak nanocząstki i komórki wchodzą w interakcje” – mówi Straehla.