由Macromolecules創(chuàng)新研究所附屬的三名弗吉尼亞理工大學(xué)教師組成的跨學(xué)科團隊創(chuàng)建了一個藥物輸送系統(tǒng)，可以從根本上擴展癌癥治療方案。

將納米顆粒藥物注射到血流中的常規(guī)癌癥治療方法導(dǎo)致低效率。由于人體的復(fù)雜性，很少有這些納米粒子實際到達癌癥部位，并且一旦到達那里，癌癥組織的傳遞就會受限。

在弗吉尼亞理工大學(xué)創(chuàng)建的新系統(tǒng)被稱為納米級細菌實現(xiàn)自主藥物輸送系統(tǒng)(NanoBEADS)。研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種將抗癌藥物的納米顆?；瘜W(xué)附著到減毒細菌細胞上的過程，他們已經(jīng)證明這種方法比在達到癌癥部位的被動遞送注射更有效。

NanoBEADS在體外(在腫瘤球體中)和體內(nèi)(在活體小鼠中)模型中產(chǎn)生了結(jié)果，其顯示納米顆粒在癌組織中的分布和保留增加高達100倍。

這是機械工程副教授Bahareh Behkam五年國家科學(xué)基金會職業(yè)獎的產(chǎn)物。這個跨學(xué)科團隊的合作者是化學(xué)工程教授Rick Davis和弗吉尼亞 - 馬里蘭州獸醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和病理學(xué)助理教授Coy Allen。

“你可以制造出最令人驚奇的藥物，但是如果你無法將它送到需要去的地方，它就不會非常有效，”Behkam說。“通過改善分娩，你可以提高療效。”

這項工作結(jié)合了機械工程，生物醫(yī)學(xué)工程，化學(xué)工程和獸醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識，最近在Advanced Science中進行了詳細介紹。

使用沙門氏菌是好的

人們已經(jīng)注意到，即使早在古埃及，如果患者也感染沙門氏菌等感染，癌癥就會緩解。兩者都不理想，但人類可以比癌癥更有效地治療沙門氏菌感染。

在現(xiàn)代，艾倫說，感染癌癥的想法可追溯到19世紀后期，并已演變成免疫療法，醫(yī)生試圖激活免疫系統(tǒng)攻擊癌細胞。

當然，沙門氏菌對人類有害，但理論上弱化的病毒可以提供免疫療法的好處，而不會產(chǎn)生沙門氏菌感染的有害影響。該概念類似于人類在疫苗中接受弱化的流感病毒以建立免疫力。

六年多以前，Behkam提出了增加細菌免疫療法的想法，也用傳統(tǒng)的抗癌藥物來攻擊癌癥。問題是被動遞送的抗癌藥物效果不佳。

鑒于她在生物混合微機器人方面的背景，她希望使用沙門氏菌作為自動載體將納米顆粒形式的藥物直接運送到癌癥部位。

這項工作始于Behkam的第一位博士生Mahama Aziz Traore，他們通過將數(shù)十個聚苯乙烯納米粒子組裝到大腸桿菌上來構(gòu)建第一代NanoBEADS。在對NanoBEADS系統(tǒng)的動力學(xué)和控制方面進行了幾年的深入研究后，Behkam將Davis帶入了該項目，因為他有創(chuàng)建聚合物納米顆粒用于藥物輸送的經(jīng)驗。

“她提到了這種提供藥物和納米粒子的完全不同的方法，”戴維斯說。“我離開了談話，思考著，'伙計，如果這件事可行，那就太棒了。'”

Behkam選擇了這種特殊的細菌菌株Salmonella enterica serovar Typhimurium VNP20009，因為它已經(jīng)在一期臨床試驗中進行了徹底的研究和成功測試。

“它(沙門氏菌)作為病原體的工作是穿透組織，”Behkam說。“我們的想法是，如果細菌在組織中移動得如此擅長，那么如何將納米醫(yī)學(xué)與細菌結(jié)合起來，將藥物傳遞得遠遠超過它自身被動擴散的范圍?”

圖解視頻顯示納米粒子如何附著在沙門氏菌細菌上，這些細胞在細胞之間移動以到達腫瘤

圖解元素的描述：納米BEADS試劑通過將聚(乳酸→羥基乙醇酸)納米顆粒與靶向鼠傷寒沙門氏菌的腫瘤?結(jié)合而構(gòu)建。納米BEADS通過細胞間(細胞間)自我復(fù)制和易位，增強納米顆粒在實體瘤中的保留和分布達到顯著的~100倍。這種運輸增強是自動實現(xiàn)的，無需任何外部施加的驅(qū)動力或控制輸入。

試錯

盡管Behkam對新藥物輸送系統(tǒng)有一個愿景，但它需要幾年才能成為現(xiàn)實。

“制造納米顆粒然后以強大且可重復(fù)的方式將它們附著到細菌上的過程具有挑戰(zhàn)性，但最重要的是確保細菌保持活力，發(fā)現(xiàn)細菌在癌組織中的轉(zhuǎn)運機制，并設(shè)計定量描述細菌的方法。 NanoBEADS的有效性，這是一個艱難的項目，“戴維斯說。

SeungBeum Suh，Behkam的前博士 學(xué)生，艾米喬，戴維斯的前博士。學(xué)生，在保持細菌存活的同時，共同研究納米顆粒。直到第四次嘗試，他們才開始尋找成功。

“我們合作制造這些顆粒，并將它們附著在細菌上，”Behkam說。“那么問題是它們在腫瘤中易位的機制是什么?它們進入腫瘤的程度有多遠?我們?nèi)绾螌λ鼈兊谋憩F(xiàn)進行定量測量?”

Behkam和Suh以及現(xiàn)任博士生Ying Zhan在實驗室培養(yǎng)的腫瘤中測試了納米顆粒附著的沙門氏菌。與被動擴散納米粒子相比，使用NanoBEADS平臺，他們發(fā)現(xiàn)納米粒子滲透和分布的改善高達80倍。

此外，Suh和Behkam發(fā)現(xiàn)NanoBEADS通過轉(zhuǎn)移通過癌細胞之間的空間而在很大程度上穿透腫瘤。

Behkam希望在體外階段加強NanoBEADS結(jié)果。隨著一所頂級獸醫(yī)學(xué)校的到來，她邀請她的其他信息系統(tǒng)教員艾倫在體內(nèi)測試NanoBEADS系統(tǒng)。對小鼠乳腺癌腫瘤的測試產(chǎn)生的結(jié)果顯示與被動遞送相比顯著改善。

測試表明，與肝臟相比，腫瘤中的沙門氏菌細胞多出1,000倍，而脾臟則高出10,000倍。

“最值得注意的是，沙門氏菌本身有助于將腫瘤中的顆粒保持在100倍以上，這表明它將是一種有效的運載工具，”艾倫說。

該研究的下一步是將癌癥治療劑加載到NanoBEADS系統(tǒng)中，以測試潛在的功效增強。

從長凳到狗窩到床邊

該合作通過信息產(chǎn)業(yè)部和弗吉尼亞理工大學(xué)強調(diào)了跨學(xué)科研究的多樣性。

“各種專業(yè)知識的協(xié)同整合對于這項工作產(chǎn)生的高影響力發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，”Behkam說。

隨著弗吉尼亞理工學(xué)院Carilion醫(yī)學(xué)院和VTC的Fralin生物醫(yī)學(xué)研究所的加入，艾倫說弗吉尼亞理工大學(xué)有可能測試“從工作臺到狗窩到床邊”的科學(xué)研究。

艾倫說：“如果沒有這三個部分中的每個部分，項目都無法向前發(fā)展。” “如果沒有化學(xué)，病原體的背景，想法，并且在實際的動物模型中測試它在實際腫瘤中的生理和臨床相關(guān)性，這項研究就不會進入如此高影響力的期刊。”

戴維斯表示，所有藥物輸送機制都必須通過動物試驗，因此在校園里擁有一個“絕對精彩”的獸醫(yī)學(xué)院，將研究提升到了更高的水平。

戴維斯說：“吸引我參與這個項目的一件事就是能夠與Bahareh和Coy一起工作，他們與細胞和動物研究人員合作，真正翻譯工作。” “在很多學(xué)校里很難找到那些人。”