Co-Delivery of Paclitaxel and Thymoquinone via Polymeric Nanoparticles Induces Apoptosis and Suppresses Epithelial-Mesenchymal Transition Through Wnt/β-Catenin Signaling in MCF-7 Breast Cancer Cell Line

Kanker is een ziekte van ongecontroleerde groei, maar het is ook een ziekte van beweging. Het gevaarlijkste aspect van borstkanker is niet alleen de primaire tumor, maar het vermogen om naar andere delen van het lichaam te verspreiden. Om dit te doen, ondergaan kankercellen vaak een transformatie waarbij ze hun kleverige, stationaire natuur verliezen en veranderen in gladde, mobiele indringers. Wetenschappers noemen dit proces de epitheliale-naar-mesenchymale transitie. Het is een biologische schakelaar die cellen in staat stelt om los te komen van een tumor, door de bloedbaan te reizen en elders nieuwe kolonies te starten. Tegelijkertijd ontwikkelen veel kankercellen verdedigingsmechanismen die chemotherapiemedicijnen naar buiten pompen voordat ze kunnen werken, waardoor standaardbehandelingen in de loop van de tijd minder effectief worden. Een manier vinden om zowel de verspreiding als de resistentie van deze cellen te stoppen, is een centraal doel in de moderne geneeskunde.

Onderzoekers aan de Guru Jambheshwar University of Science and Technology en de Maharshi Dayanand University in India hebben een nieuwe aanpak voor dit probleem verkend door twee zeer verschillende stoffen te combineren in één enkel, minuscuul leveringssysteem. De ene stof is paclitaxel, een krachtig chemotherapeuticum afgeleid van de schors van de Pacifische taxusboom, dat cellen stopt met delen. De andere is thymoquinone, een natuurlijke verbinding gevonden in zwarte komijnzaden, die al eeuwenlang in de traditionele geneeskunde wordt gebruikt en bekend staat om het triggeren van celsterfte bij kanker. Hoewel beide op zichzelf veelbelovend zijn gebleken, zijn ze moeilijk op te lossen in water en kunnen ze toxisch zijn voor gezonde cellen wanneer ze in hun ruwe vorm worden toegediend. De onderzoekers vroegen zich af of het samen verpakken van deze twee medicijnen in een microscopische polymeeromhulling hen effectiever zou laten samenwerken dan afzonderlijk, en of deze combinatie specifiek de biologische schakelaar zou kunnen uitzetten die kankercellen in staat stelt om te verspreiden.

Om dit te testen, maakten het team piepkleine sferen, bekend als polymere nanodeeltjes, met een methode genaamd nanoprecipitatie. Ze mengden de medicijnen met een speciaal polymeer, Eudragit RS 100, dat een beschermende schil rond de medicatie vormt. Ze voegden ook een surfactant toe om de deeltjes stabiel te houden en te voorkomen dat ze samenklonteren. De resulterende nanodeeltjes waren ongelooflijk klein, ongeveer 134 nm groot wanneer ze met beide medicijnen waren geladen, een grootte die klein genoeg is om potentieel te accumuleren in tumoren. Het team bevestigde dat de medicijnen succesvol in deze schillen waren gevangen en dat ze langzaam over tijd werden vrijgegeven, in plaats van allemaal tegelijk. Deze langzame afgifte is cruciaal omdat het de concentratie van het medicijn langer hoog houdt bij de tumorlocatie, terwijl de polymeeromhulling de medicijnen beschermt tegen te vroeg afbreken in het lichaam.

Toen de onderzoekers deze nanodeeltjes in een laboratoriumschaal testten op MCF-7 borstkankercellen, waren de resultaten opmerkelijk. De combinatie van de twee medicijnen binnen de nanodeeltjes doodde aanzienlijk meer kankercellen dan elk van de medicijnen alleen, of zelfs de twee medicijnen gemengd zonder de nanodeeltjesdrager. De onderzoekers berekenden een synergie-score die bevestigde dat de twee medicijnen samenwerkten om elkaars effecten te versterken, in plaats van alleen hun individuele impact op te tellen. De nanodeeltjes waren in staat om de kankercellen te stoppen in hun groei en de vorming van nieuwe kolonies, waardoor het vermogen van de tumor om te regenereren effectief werd afgesneden. In tests die ontworpen waren om te meten hoe goed de cellen konden bewegen, verminderde de gecombineerde behandeling de migratie met ongeveer 91 procent, wat wijst op een krachtig vermogen om de verspreiding van de kanker te stoppen.

De studie ging dieper in om te begrijpen hoe dit gebeurde. Door de cellen onder een microscoop te bekijken en flowcytometrie te gebruiken, een techniek die cellen telt en sorteert op basis van hun eigenschappen, zagen de onderzoekers dat de nanodeeltjes de kankercellen in een staat van geprogrammeerde dood dwongen, bekend als apoptose. De cellen barstten niet zomaar open; ze volgden een gecontroleerd pad van zelfvernietiging. Het team observeerde dat de cellen vast kwamen te zitten in een specifieke fase van hun levenscyclus, onmachtig om te delen, terwijl hun DNA begon te fragmenteren. Deze dubbele actie van het stoppen van deling en het triggeren van dood werd bevestigd door het observeren van de kernen van de cellen, die de klassieke tekenen van apoptose vertoonden, zoals krimpen en uiteenvallen.

Misschien wel de meest significante bevinding was hoe de behandeling de biologische paden beïnvloedde die kankerverspreiding aansturen. De onderzoekers analyseerden de genen en eiwitten in de cellen en vonden dat de nanodeeltjesbehandeling de activiteit van een belangrijke signaalroute, bekend als Wnt/β-catenine, omlaag bracht. Deze route fungeert als een meesterregulator voor de epitheliale-naar-mesenchymale transitie. Wanneer deze route actief is, vertelt het de cel om mobiel en invasief te worden. De behandeling slaagde erin de niveaus van de eiwitten die deze beweging aansturen, zoals N-cadherine en vimentine, te verlagen, terwijl de niveaus van E-cadherine, een eiwit dat cellen helpt aan elkaar te plakken en op hun plaats te blijven, verhoogde. Deze omkering van de moleculaire schakelaar suggereert dat de nanodeeltjes de kankercellen niet alleen doden, maar hen ook hun vermogen ontnemen om te migreren en andere weefsels binnen te dringen.

De studie concludeert dat het gezamenlijk toedienen van paclitaxel en thymoquinone in deze polymere nanodeeltjes een krachtig therapeutisch effect creëert tegen borstkankercellen in het laboratorium. De combinatie induceert celsterfte, stopt de cellen met delen en keert de biologische veranderingen om die de verspreiding van kanker mogelijk maken. Hoewel deze resultaten momenteel beperkt zijn tot laboratoriumexperimenten op cellen en nog niet op mensen zijn getest, bieden de bevindingen een veelbelovend blauwdruk voor een nieuw type behandeling. Door een enkele drager te gebruiken om twee complementaire medicijnen toe te dienen, kan deze aanpak potentieel de resistentie en mobiliteit overwinnen die borstkanker zo moeilijk te behandelen maken, wat een effectievere manier biedt om de ziekte in de toekomst te beheersen.