Neuartige Flüssigmetall-Nanopartikel gegen Krebs S

Forscher entwickeln ein neuartiges Krebs-Theranostikum, das Lichtenergie in Wärme umwandeln und so Krebszellen zerstören kann

Japan Advanced Institute of Science and Technology

Bild: Eine vielseitige Flüssigmetall (LM)-Gallium-Indium-Legierung wurde zur Entwicklung eines neuartigen LM-Nanopartikels verwendet, das ein Immunmodulans und einen Immun-Checkpoint-Inhibitor, Anti-PD-L1, enthält. Bei Bestrahlung mit nahem Infrarotlicht bindet Anti-PD-L1 spezifisch an die Krebszelle, während Immunstimulanzien T- und dendritische Zellen aktivieren. Diese synergistische Aktivierung in Verbindung mit dem photothermischen Effekt beseitigt die Krebszelle praktisch sofort.mehr sehen

Bildnachweis: Eijiro Miyako von JAIST.

Ishikawa, Japan – Flüssige Metalle (LM) wie reines Gallium (Ga) und Ga-basierte Legierungen sind eine neue Klasse von Materialien mit einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Eine der bekanntesten Anwendungen von LMs ist die photothermische Therapie gegen Krebs, bei der funktionelle LM-Nanopartikel Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln und so Krebszellen abtöten. Die LM-basierte Phototherapie ist der herkömmlichen Krebstherapie aufgrund ihrer hohen Spezifität, Wiederholbarkeit und geringen Nebenwirkungen überlegen.

In einer neuen, hochmodernen Studie synthetisierten außerordentlicher Professor Eijiro Miyako und seine Kollegen vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) multifunktionale Ga-basierte Nanopartikel, die Krebs-Phototherapie mit Immuntherapie kombinieren. Das synthetisierte neuartige LM-Nanopartikel (PEG-IMIQ-LM) enthält eine eutektische Gallium-Indium (EGaIn)-LM-Legierung und einen immunologischen Modulator Imiquimod (IMIQ), beide eingebettet in ein biokompatibles Tensid DSPE-PEG2000-NH2. Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie wurden in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

„Wir glauben, dass die Konvergenz von Nano-Immuntechnik und LM-Technologie eine vielversprechende Methode zur Auslösung idealer Immunantworten für die Weiterentwicklung der Krebsimmuntherapie darstellen könnte.“ In dieser Studie berichten wir über lichtaktivierbare multifunktionale LM-Nanopartikel mit Immunstimulanzien, um photothermische Therapie mit Immuntherapie zu kombinieren“, sagt Dr. Miyako, während er die Motivation des Teams zur Durchführung dieser Studie erörtert.

Zunächst bereitete das Forschungsteam wasserdispergierbare LM-Nanopartikel durch einen einfachen einstufigen Ultraschallprozess mit DSPE-PEG2000-NH2 vor, um IMIQ einzuführen. Dies gilt als großer Durchbruch, da EGaIn LM von Natur aus ein mit Wasser nicht mischbares Material ist. Weitere Untersuchungen bestätigten, dass LM zerfällt, um die IMIQ-Lieferung an das Ziel sicherzustellen. Darüber hinaus zeigte das hergestellte Nanopartikel einen linearen Anstieg der Absorption im Nahinfrarotbereich (NIR) bei 808 nm, was seine optisch aktivierbare Natur bestätigt.

Als die wässrige Lösung des LM-Nanopartikels mit dem NIR-Laser (808 nm) bestrahlt wurde, beobachtete das Team einen deutlichen Anstieg der Temperatur der Lösung, der proportional zum Anstieg der Nanopartikelkonzentration war. Diese Ergebnisse bestätigten, dass PEG-IMIQ-LM-Nanopartikel ein robuster und stabiler photothermischer Wirkstoffträger sind, der für die Immuntherapie geeignet ist.

Weitere Experimente ergaben, dass LM-Nanopartikel äußerst sicher waren und keine Zytotoxizität in menschlichen Fibroblasten- (MRC5) und Maus-Dickdarmkrebszellen (Colon26) verursachten. Um den Grad der Internalisierung und Verteilung der Partikel zu beurteilen, wurde ein fluoreszierender Farbstoff namens Indocyaningrün (ICG) durch Ultraschallbehandlung in das Partikel eingebracht, was zu PEG-ICG-IMIQ-LM-Partikeln führte. Mit einem Laserstrahl ausgestattete Fluoreszenzmikroskopie (FL) zeigte, dass das LM-Partikel bei verschiedenen NIR-Wellenlängen eine starke Fluoreszenz aufwies und die Colon26-Zellen sofort zerstörte. Somit könnten LM-Partikel nicht nur das Immunmodulans effizient abgeben, sondern auch deren Echtzeitverfolgung ermöglichen und bestimmte Krebszellen eliminieren.

Schließlich entwickelte das Team einen vielseitigen LM-Immun-Nanostimulator zur Krebstheranostik. Zu diesem Zweck fügten sie dem vorhandenen fluoreszierenden LM-Nanopartikel einen Anti-PD-L1-Antikörper (Anti-PD-L1) hinzu, einen der vielversprechendsten Immun-Checkpoint-Inhibitoren. Der modifizierte Partikel Anti-PD-L1‒PEG-ICG-IMIQ-LM wurde effizient mit deutlicher Fluoreszenz dispergiert. Mit zunehmender Zeit nach der Bestrahlung stieg die Temperatur der Tumoroberfläche linear an, was auf die Antitumorwirkung des Nanopartikels hinweist.

Die Zugabe von Anti-PD-L1 zum Nanopartikel ermöglichte die Bindung des LM-Partikels an PD-L1 auf den Krebszellen und markierte sie so für die Phagozytose durch Makrophagen und dendritische Zellen (DC). Laserinduzierte Anti-PD-L1-PEG-IMIQ-LM-Partikel zeigten die höchste und vollständige Krebsentfernung sowie eine schnellere Heilung und Genesung.

Darüber hinaus zeigten Mäuse, die mit laserinduzierten Anti-PD-L1-PEG-IMIQ-LM-Partikeln behandelt wurden, bei erneutem Auftreten des Tumors eine anhaltende Antitumorwirksamkeit und ein verlängertes Überleben.

Bei der Erörterung der zukünftigen Auswirkungen der Studie sinniert Dr. Miyako: „Wir glauben, dass diese synergistischen immunologischen Effekte und optischen Nanofunktionen von LMs breite therapeutische Anwendungen haben und zu innovativen theranostischen Krebstechnologien beitragen könnten.“ Wir hoffen, dass diese Technologie in 10 Jahren für klinische Studien verfügbar sein wird.“

Wir können es kaum erwarten zu sehen, wie die Erkenntnisse des Teams zu neuartigen und wirksamen Behandlungen gegen Krebs beitragen werden.

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Referenz

Titel der Originalarbeit:

Lichtaktivierbare Flüssigmetall-Immunstimulanzien zur Krebs-Nanotheranostik

Autoren:

Yun Qi, Mikako Miyahara, Seigo Iwata, Eijiro Miyako*

Tagebuch:

Fortschrittliche Funktionsmaterialien

DOI:

10.1002/adfm.202305886

Über das Japan Advanced Institute of Science and Technology, Japan

Das 1990 in der Präfektur Ishikawa gegründete Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) war die erste unabhängige nationale Graduiertenschule in Japan. Jetzt, nach 30 Jahren stetigen Fortschritts, hat sich JAIST zu einer der führenden Universitäten Japans entwickelt. JAIST verfügt über mehrere Außencampusse und ist bestrebt, fähige Führungskräfte mit einem hochmodernen Bildungssystem zu fördern, in dem Vielfalt im Mittelpunkt steht. Etwa 40 % der Alumni sind internationale Studierende. Die Universität verfügt über einen einzigartigen Stil der Graduiertenausbildung, der auf einem sorgfältig konzipierten, studiengangsorientierten Lehrplan basiert, um sicherzustellen, dass ihre Studierenden über eine solide Grundlage verfügen, auf der sie Spitzenforschung betreiben können. JAIST arbeitet auch eng mit lokalen und ausländischen Gemeinschaften zusammen, indem es die gemeinsame Forschung zwischen Industrie und Wissenschaft fördert.

Über den außerordentlichen ProfessorEijiro Miyakovom Japan Advanced Institute of Science and Technology, Japan

Dr. Eijiro Miyako ist außerordentlicher Professor am Materials Chemistry Frontiers Research Area des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Er war Gastwissenschaftler am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) (Frankreich) und an der Nanyang Technological University (Singapur). Er war außerdem als leitender Forscher am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan tätig. Seine Forschungsinteressen liegen in den Bereichen Bioingenieurwesen, Materialchemie, Nanotechnologie und Nanomedizin. Dr. Miyako erhielt 2006 seinen Doktortitel in chemischen Systemen und Ingenieurwissenschaften von der Kyushu-Universität (Japan). Er ist außerdem Redaktionsmitglied von iScience (Cell Press) und hat zahlreiche Veröffentlichungen in renommierten Fachzeitschriften mit einer beeindruckenden Zitierquote veröffentlicht. Dr. Miyako hat Forschungspreise und Auszeichnungen erhalten, darunter den PCCP-Preis der Royal Society of Chemistry und den Research Encouragement Award der Fullerenes, Nanotubes and Graphene Research Society.

Informationen zur Finanzierung

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (Grant-Nummer 23H00551), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering) (Grant-Nummer). 22K18440), die Japan Science and Technology Agency for Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D (Grant Number JPMJTR22U1), Institute for Fermentation, Osaka (IFO) und die Uehara Memorial Foundation.

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10.1002/adfm.202305886

Lichtaktivierbare Flüssigmetall-Immunstimulanzien zur Krebs-Nanotheranostik

28. Juli 2023

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