NUS-forskare utvecklar DNA-streckkodade nanopartiklar för riktad cancerterapi

NUS-forskare utvecklar DNA-streckkodade nanopartiklar för riktad cancerterapi

Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en ny metod för att förbättra precisionen vid cancerbehandling med guldnanopartiklar märkta med DNA-streckkoder.

Ledd av biträdande professor Andy Tay från institutionen för biomedicinsk teknik vid College of Design and Engineering och Institute of Health Innovation & Technology vid NUS, visar studien uppvärmning av tumörceller under fototermisk terapi. Dessa resultat avslöjade tumörcellers olika preferenser för vissa nanopartikelkonfigurationer, vilket skulle kunna möjliggöra utvecklingen av personliga cancerbehandlingar som är säkrare och mer effektiva.

Teamets nya teknik, avslöjad i en tidning publicerad iAvancerade funktionella materialDen 24 november 2024 möjliggör screening med hög genomströmning av nanopartiklars former, storlekar och förändringar, vilket minskar tillhörande screeningkostnader. Utöver cancerbehandling har metoden bredare terapeutiska tillämpningar, inklusive RNA-tillförsel och sjukdomsinriktning på organspecifik nivå.

Storlek och form spelar roll

Guld är mer än bara bling. När guldnanopartiklar reduceras till ungefär en tusendel av bredden på ett mänskligt hårstrå, lyser de som terapeutiska medel för cancerterapi. Till exempel används fläckar av den ädla metallen i fototermisk terapi, där partiklar som levereras till tumörstället omvandlar specifika våglängder av ljus till värme, vilket dödar omgivande cancerceller. Guldnanopartiklar kan också fungera som läkemedelsbudbärare för att leverera läkemedel direkt till specifika platser i en tumör.

Men för att dessa gyllene nanopartiklar ska fungera måste de först komma in på målplatserna. Se det som en leveransperson med en specialnyckel - om nyckeln inte passar i låset kommer paketet inte igenom. "

Biträdande professor Andy Tay, Institutionen för biomedicinsk teknik, College of Design and Engineering och Institute of Health Innovation and Technology vid NUS

För att uppnå denna precisionsnivå måste den rätta nanopartikeldesignen hittas – dess form, storlek och ytegenskaper måste matcha målcellernas preferenser. Men befintliga screeningmetoder för att bestämma optimal design är som att leta efter nålar i en höstack. Dessutom missar dessa metoder ofta preferenserna för olika celltyper i en tumör, från immunceller till endotelceller till cancerceller.

För att ta itu med dessa utmaningar vände sig NUS-forskare till DNA-streckkodning. Varje nanopartikel är märkt med en unik DNA-sekvens, som gjorde det möjligt för forskarna att markera och spåra individuella mönster, liknande att registrera ett paket redo att skickas med post i ett leveranssystem. Viktigt är att dessa streckkoder gjorde det möjligt för teamet att samtidigt övervaka flera nanopartikeldesigner in vivo eftersom deras sekvenser lätt kunde extraheras och analyseras för att lokalisera nanopartiklarnas placering i kroppen.

"Vi använde tiolfunktionalisering för att säkert förankra DNA-streckkoderna på ytan av guldnanopartiklarna. Detta säkerställer lagets arbete.

För att visa detta presenterade forskarna nanopartiklar i sex olika former och storlekar, där deras fördelning och upptag över olika celltyper övervakades. De fann att trots dåligt upptag i cellodlingsstudier var runda nanopartiklar utmärkta för tumörer i prekliniska modeller eftersom de var mindre benägna att rensas av immunsystemet. Å andra sidan har triangulära nanopartiklar uppstått från både in vitro och in vivo tester, vilket resulterat i högt cellulärt upptag och starka fototermiska egenskaper.

Gör cancerbehandlingar säkrare

Teamets arbete belyser interaktionerna mellan nanopartiklar i biologiska system och behovet av att överbrygga skillnaderna mellan in vitro och in vivo fynd, vilket framgår av de runda guld nanopartiklarna som avslöjas av de runda guld nanopartiklarna. Dessa fynd kan vägleda utvecklingen av formformande nanopartiklar eller intermediära konstruktioner skräddarsydda för att optimera olika stadier av läkemedelsleverans.

Dessutom belyser forskningen den outnyttjade potentialen att utforska nanopartikelformer bortom de sfärer som dominerar de som godkänts av U.S. Food and Drug Administration. Forskarnas DNA-streckkodningsmetod kan även sträcka sig till andra oorganiska nanopartiklar som järn och kiseldioxid in vivo, vilket utökar utrymmet för läkemedelsleverans och precisionsmedicin.

Ser fram emot, utökar forskarna sitt nanopartikelbibliotek med 30 konstruktioner för att identifiera kandidater som kan rikta in sig på subcellulära organeller. Lämpliga sådana testas sedan för deras effektivitet vid genljudning och fototermisk terapi för bröstcancer. Asst Prof Tay delade också att fynden avsevärt skulle kunna förbättra vår förståelse av RNA-biologi och utvecklingen av RNA-tillförseltekniker, som i allt högre grad används inom terapi för att behandla olika sjukdomar.

"Vi har tagit itu med en nyckelutmaning inom cancerbehandling - att skicka in läkemedel specifikt för cancervävnader med större effektivitet", säger professor Tay. "Akilleshälen för befintliga nanopartikelbaserade läkemedel är deras antagande om enhetlig leverans över alla organ, men verkligheten är att olika organ reagerar olika. Att designa optimalt formade nanopartiklar för organspecifik inriktning förbättrar säkerheten och effektiviteten av cancernanoterapeutika för cancerbehandling - och vidare."

Källor: