PAMAM-PLGA nanocarrier as potential co-delivery system against liver cancer: in vitro studies

Kanker blijft een van de meest hardnekkige uitdagingen voor de menselijke gezondheid, een ziekte die wordt gedefinieerd door cellen die groeien en delen zonder te stoppen. Hoewel artsen al lang vertrouwen op chirurgie, bestraling en chemische middelen om het te bestrijden, worstelen deze behandelingen vaak met een moeilijk probleem: ze kunnen gezond weefsel net zozeer beschadigen als de tumor zelf. Chemotherapiemedicijnen zijn in het bijzonder als botte instrumenten; ze circuleren door het hele lichaam en vallen overal snel delende cellen aan, wat leidt tot ernstige bijwerkingen en er vaak niet in slaagt om een voldoende hoge dosis aan de tumor zelf af te leveren. Om dit op te lossen, heeft de wetenschap zich gericht op nanotechnologie, een veld dat microscopische machines bouwt om medicijnen direct naar de plek te brengen waar ze nodig zijn. Een veelbelovende aanpak houdt in dat men kleine, boomachtige structuren gebruikt die dendrimeren worden genoemd, die medicijnen in hun takken kunnen vasthouden, en deze bedekt met biologisch afbreekbare plastics die de lading beschermen en helpen om door de verdedigingsmechanismen van het lichaam te glippen. Het doel is om een afgiftesysteem te creëren dat zijn medicijnen pas vrijgeeft wanneer het de specifieke, zure omgeving van een tumor bereikt, waardoor de rest van het lichaam wordt gespaard.

In een recente studie stelden onderzoekers zich tot doel om een dergelijk systeem specif으로 te ontwikkelen voor leverkanker, een ziekte die honderdduizenden doden wereldwijd veroorzaakt. Ze richtten zich op de HepG2-cellijn, een veelgebruikt model voor menselijke leverkanker, en ontwierpen een nieuw type nanodrager door twee materialen te combineren: een generatie 4 polyamidoamine dendrimeer en een biologisch afbreekbaar polymeer dat bekend staat als PLGA. Het dendrimeer fungeert als een steiger met veel vertakkingen om de medicatie vast te houden, terwijl de PLGA-coating dient als een beschermende schil die de toxiciteit vermindert en het deeltje helpt om door de bloedbaan te bewegen. Het team laadde deze drager met twee verschillende kankerbestrijdende middelen: sorafenib, een medicijn dat groeisignalen van tumoren stopt, en curcumine, een natuurlijk bestanddeel met antioxidante eigenschappen dat kan helpen om kankercellen te doden. Door deze combinatie in een laboratoriumsetting te testen, wilden de onderzoekers zien of het gezamenlijk leveren van beide medicijnen in dit piepkleine pakketje effectiever en veiliger zou zijn dan het toedienen van de medicijnen alleen.

De eerste stap was om te bevestigen dat de nanodrager correct was opgebouwd. Met behulp van diverse analytische instrumenten onderzocht het team de chemische bindingen en de fysieke vorm van hun creatie. Ze vonden dat de twee materialen succesvol aan elkaar waren verbonden en dat de medicijnen veilig binnen de structuur werden vastgehouden. De resulterende deeltjes waren min of meer bolvormig en maten ongeveer 231 nanometer in diameter, een grootte die klein genoeg is om door bloedvaten te reizen maar groot genoeg om niet te snel door de nieren te worden gefilterd. Wanneer de onderzoekers naar de deeltjes keken onder een krachtige elektronenmicroscoop, verschenen ze als bolvormige objecten variërend van 100 tot 250 nanometer, wat bevestigde dat het mengsel uniform en stabiel was. Ze maten ook hoeveel medicijn de drager kon bevatten en vonden dat deze succesvol ongeveer 5,7 procent sorafenib en 4,4 procent curcumine per gewicht laadde, een veelbelovende hoeveelheid voor een afgiftesysteem van deze omvang.

Een cruciaal kenmerk van dit nieuwe systeem is hoe het zijn medicijnen afgeeft. In het menselijk lichaam heeft normaal bloed een neutraal pH-niveau, terwijl de omgeving binnen een tumor zuurder is vanwege de snelle groei en het metabolisme van kankercellen. De onderzoekers testten hun nanodrager in oplossingen die deze verschillende omstandigheden nabootsten. In een neutrale omgeving, vergelijkbaar met gezond bloed, werden de medicijnen zeer langzaam afgegeven, waarbij slechts een klein deel in de eerste twee uur ontsnapte. Echter, wanneer de omgeving zuur werd, wat de binnenkant van een tumor nabootst, nam de afgiftesnelheid in de loop van de tijd aanzienlijk toe. Hoewel slechts ongeveer 7,8% van de sorafenib en 5,7% van de curcumine binnen de eerste twee uur werd afgegeven, zelfs onder zure omstandigheden, versnelde de afgifte naarmate de tijd verstreek, waarbij het boven de 50% voor sorafenib en bijna 59% voor curcumine kwam bij pH 5,0 binnen hetzelfde tweeuurlijk venster zoals de samenvatting van de trend in het abstract vermeldt, of nauwkeuriger gezegd, de studie merkte op dat de afgifte 51,6% voor sorafenib en 58,9% voor curcumine bereikte bij pH 5,0, wat een duidelijke pH-gevoelige respons demonstreerde waarbij de drager opent om de medicatie vrij te geven zodra deze de zure micro-omgeving van de kanker bereikt.

De echte test voor de nanodrager kwam toen de onderzoekers leverkankercellen eraan blootstelden. Ze vergeleken de effecten van de lege drager, de drager met slechts één medicijn, de drager met beide medicijnen, en de medicijnen die alleen werden toegediend. De resultaten toonden een duidelijk patroon: de lege drager was veilig en beschadigde de cellen niet. De dragers met één enkel medicijn waren effectief, maar de drager die zowel sorafenib als curcumine bevatte, was het krachtigst. Na behandeling van de kankercellen met de dubbele-medicijn-drager gedurende 24 uur, daalde het aantal levende cellen naar ongeveer 21 procent. Wanneer de behandeling voortduurde tot 48 en 72 uur, daalde het overlevingspercentage van de kankercellen nog verder, naar respectievelijk 9,4 procent en 4,3 procent. In tegenstelling hiertoe, wanneer dezelfde cellen werden behandeld met de pure medicijnen zonder de nanodrager, overleefden veel meer cellen, wat aangeeft dat het leveringssysteem de medicijnen veel effectiever maakt in het doden van de kanker. Belangrijk is dat wanneer de onderzoekers dezelfde nanodrager testten op normale menselijke cellen, die cellen grotendeels gezond bleven, met overlevingspercentages boven de 78 procent, wat suggereert dat deze aanpak gezond weefsel zou kunnen sparen van de schade die gewoonlijk door chemotherapie wordt veroorzaakt.

Om te begrijpen hoe de nanodrager de kankercellen doodde, bestudeerde het team de genetische activiteit binnen de cellen. Ze maten de niveaus van specifieese genen die celdood, bekend als apoptose, controleren. De studie vond dat de dubbele-medicijn-nanodrager een dramatische toename veroorzaakte in de activiteit van genen die celdood triggeren, zoals Caspase9, P53 en Bax. De activiteit van deze genen steeg met bijna zeven keer vergeleken met onbehandelde cellen. Tegelijkertijd verminderde de nanodrager aanzienlijk de activiteit van Bcl2, een gen dat fungeert als een schild om te voorkomen dat cellen sterven. Deze verschuiving in genetische activiteit bevestigt dat de nanodrager niet alleen de kankercellen stopt met groeien, maar hen actief dwingt tot zelfvernietiging. De combinatie van de twee medicijnen die samen worden toegediend lijkt beter te werken dan elk van de medicijnen alleen, waardoor een sterker signaal voor de kankercellen om te sterven wordt gecreëerd, terwijl normale cellen grotendeels ongemoeid worden gelaten.

Dit onderzoek toont aan dat een nanodrager gemaakt van PAMAM- en PLGA-polymeren succesvol twee verschillende kankermedicijnen naar leverkankercellen kan dragen in een laboratoriumsetting. Het systeem bewees in staat te zijn de medicijnen te beschermen, ze specifiek af te geven in zure omstandigheden, en een sterke doodsrespons in kankercellen op te wekken terwijl het veilig bleef voor normale cellen. De studie suggereert dat deze co-delivery aanpak een waardevolle strategie kan zijn voor het verbeteren van de behandeling van leverkanker, waarbij een manier wordt geboden om de effectiviteit van bestaande medicijnen te vergroten terwijl de bijwerkingen worden verminderd. Hoewel deze bevindingen beperkt zijn tot laboratoriumexperimenten en nog niet in levende organismen zijn getest, bieden ze een sterke basis voor verdere ontwikkeling van gerichte therapieën die patiënten die met leverkanker kampen, op een dag een preciezere en minder toxische optie kunnen bieden.