การใช้อนุภาคนาโนเพื่อส่งยารักษามะเร็งเป็นวิธีที่จะโจมตีเนื้องอกด้วยยาปริมาณมาก ในขณะที่หลีกเลี่ยงผลข้างเคียงที่เป็นอันตรายซึ่งมักมาพร้อมกับเคมีบำบัด อย่างไรก็ตาม จนถึงตอนนี้ มียารักษามะเร็งที่มีอนุภาคนาโนเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ได้รับการอนุมัติจากองค์การอาหารและยา
การศึกษาใหม่จาก MIT และ Broad Institute ของ MIT และนักวิจัยของ Harvard อาจช่วยเอาชนะอุปสรรคบางประการในการพัฒนายาที่ใช้อนุภาคนาโน การวิเคราะห์ของทีมวิจัยเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคนาโน 35 ชนิดและเซลล์มะเร็งเกือบ 500 ชนิด เผยให้เห็นลักษณะทางชีววิทยาหลายพันชนิดที่มีอิทธิพลต่อว่าเซลล์เหล่านั้นใช้อนุภาคนาโนชนิดต่างๆ หรือไม่
การค้นพบนี้สามารถช่วยให้นักวิจัยปรับแต่งอนุภาคการส่งยาให้เข้ากับมะเร็งบางชนิดได้ดีขึ้น หรือออกแบบอนุภาคใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากลักษณะทางชีววิทยาของเซลล์มะเร็งบางชนิด
“เรารู้สึกตื่นเต้นกับการค้นพบของเราเพราะว่านี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น เราสามารถใช้แนวทางนี้ในการค้นหาว่าอนุภาคนาโนชนิดใดดีที่สุดในการกำหนดเป้าหมายเซลล์บางประเภท ตั้งแต่มะเร็งไปจนถึงเซลล์ภูมิคุ้มกัน และเซลล์อวัยวะที่มีสุขภาพดีและเป็นโรคอื่นๆ เรากำลังเรียนรู้ว่าเคมีพื้นผิวและคุณสมบัติของวัสดุอื่นๆ มีบทบาทอย่างไรในการกำหนดเป้าหมาย” Paula Hammond ศาสตราจารย์สถาบัน MIT หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมเคมี และสมาชิกของสถาบัน Koch Institute for Integrative Cancer Research ของ MIT กล่าว
แฮมมอนด์เป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาใหม่ ซึ่งปรากฏในวันนี้ในวิทยาศาสตร์ ผู้เขียนนำรายงานฉบับนี้คือ Natalie Boehnke ซึ่งเป็น MIT postdoc ซึ่งจะเข้าร่วมคณะที่ University of Minnesota และ Joelle Straehla นักวิจัยทางคลินิกของ Charles W. และ Jennifer C. Johnson ที่ Koch Institute ผู้สอนที่ Harvard Medical School และกุมารแพทย์ด้านเนื้องอกวิทยาที่สถาบันมะเร็ง Dana-Farber
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และอนุภาค
ห้องปฏิบัติการของ Hammond ได้พัฒนา อนุภาคนาโนหลายประเภทก่อนหน้านี้ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการส่งยาไปยังเซลล์ได้ การศึกษาในห้องปฏิบัติการของเธอและอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่าเซลล์มะเร็งประเภทต่างๆ มักจะตอบสนองต่ออนุภาคนาโนที่เหมือนกันต่างกัน Boehnke ผู้ซึ่งกำลังศึกษามะเร็งรังไข่เมื่อเธอเข้าร่วมห้องทดลองของ Hammond และ Straehla ซึ่งกำลังศึกษามะเร็งสมองก็สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในการศึกษาของพวกเขาด้วย
นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าความแตกต่างทางชีวภาพระหว่างเซลล์สามารถผลักดันให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการตอบสนองของพวกเขา เพื่อหาว่าความแตกต่างเหล่านั้นคืออะไร พวกเขาจึงตัดสินใจทำการศึกษาในวงกว้าง โดยจะพิจารณาเซลล์ต่างๆ จำนวนมากที่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคนาโนหลายประเภท
เมื่อเร็ว ๆ นี้ Straehla ได้เรียนรู้เกี่ยวกับ แพลตฟอร์ม PRISM ของ Broad Institute ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อให้นักวิจัยสามารถตรวจคัดกรองยาหลายพันชนิดอย่างรวดเร็วในมะเร็งชนิดต่างๆ หลายร้อยชนิดในเวลาเดียวกัน ด้วยการทำงานร่วมกันด้วยเครื่องมือจาก Angela Koehler รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพของ MIT ทีมงานจึงตัดสินใจที่จะพยายามปรับแพลตฟอร์มดังกล่าวเพื่อคัดกรองปฏิกิริยาระหว่างเซลล์และอนุภาคนาโน แทนที่จะเป็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับยา
“เมื่อใช้วิธีนี้ เราสามารถเริ่มคิดว่ามีบางอย่างเกี่ยวกับลายเซ็นจีโนไทป์ของเซลล์ที่คาดการณ์ว่าจะใช้อนุภาคนาโนจำนวนเท่าใด” Boehnke กล่าว
สำหรับหน้าจอของพวกเขา นักวิจัยได้ใช้เซลล์มะเร็ง 488 เซลล์จากเนื้อเยื่อต้นกำเนิด 22 ชนิด เซลล์แต่ละประเภทมี “บาร์โค้ด” ด้วยลำดับดีเอ็นเอที่ไม่ซ้ำกันซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุเซลล์ได้ในภายหลัง สำหรับเซลล์แต่ละประเภท ยังมีชุดข้อมูลที่กว้างขวางเกี่ยวกับโปรไฟล์การแสดงออกของยีนและลักษณะทางชีววิทยาอื่นๆ
ในด้านอนุภาคนาโน นักวิจัยได้สร้างอนุภาค 35 อนุภาค ซึ่งแต่ละอนุภาคมีแกนกลางที่ประกอบด้วยไลโปโซมอย่างใดอย่างหนึ่ง (อนุภาคที่ทำจากโมเลกุลไขมันจำนวนมากที่เรียกว่าไขมัน) โพลีเมอร์ที่เรียกว่า PLGA หรือพอลิเมอร์อื่นที่เรียกว่าโพลีสไตรีน นักวิจัยยังได้เคลือบอนุภาคด้วยโมเลกุลป้องกันหรือกำหนดเป้าหมายประเภทต่างๆ รวมทั้งพอลิเมอร์ เช่น พอลิเอทิลีนไกลคอล แอนติบอดี และพอลิแซ็กคาไรด์ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาศึกษาอิทธิพลของทั้งองค์ประกอบหลักและเคมีพื้นผิวของอนุภาค
การทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ของ Broad Institute รวมถึง Jennifer Roth ผู้อำนวยการห้องทดลอง PRISM นักวิจัยได้เปิดโปงเซลล์ต่างๆ หลายร้อยเซลล์ต่ออนุภาคนาโน 35 ชนิด อนุภาคนาโนแต่ละตัวมีแท็กเรืองแสง ดังนั้นนักวิจัยจึงสามารถใช้เทคนิคการเรียงลำดับเซลล์เพื่อแยกเซลล์โดยพิจารณาจากปริมาณการเรืองแสงที่ปล่อยออกมาหลังจากการสัมผัสเป็นเวลาสี่หรือ 24 ชั่วโมง
ตามการวัดเหล่านี้ แต่ละเซลล์ได้รับคะแนนที่แสดงถึงความสัมพันธ์ของแต่ละอนุภาคนาโน จากนั้นนักวิจัยได้ใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อวิเคราะห์คะแนนเหล่านั้นพร้อมกับข้อมูลทางชีววิทยาอื่น ๆ ทั้งหมดที่มีอยู่สำหรับแต่ละเซลล์
การวิเคราะห์นี้ให้ผลคุณสมบัติหรือไบโอมาร์คเกอร์นับพันที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนประเภทต่างๆ เครื่องหมายเหล่านี้จำนวนมากเป็นยีนที่กำหนดรหัสสำหรับกลไกของเซลล์ที่จำเป็นในการจับอนุภาค นำเข้าไปในเซลล์ หรือประมวลผล ยีนเหล่านี้บางส่วนเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามีส่วนเกี่ยวข้องกับการลักลอบค้าอนุภาคนาโน แต่ยีนอื่นๆ อีกจำนวนมากยังเป็นยีนใหม่
“เราพบเครื่องหมายบางอย่างที่เราคาดไว้ และเรายังพบอีกมากที่ยังมิได้สำรวจจริงๆ เราหวังว่าคนอื่นๆ จะสามารถใช้ชุดข้อมูลนี้เพื่อช่วยขยายมุมมองว่าอนุภาคนาโนและเซลล์มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร” Straehla กล่าว
การดูดซึมอนุภาค
นักวิจัยได้เลือกไบโอมาร์คเกอร์ตัวหนึ่งที่พวกเขาระบุ ซึ่งเป็นโปรตีนที่เรียกว่า SLC46A3 เพื่อการศึกษาเพิ่มเติม หน้าจอ PRISM แสดงให้เห็นว่าโปรตีนในระดับสูงมีความสัมพันธ์กับการดูดซึมอนุภาคนาโนที่มีไขมันต่ำมาก เมื่อนักวิจัยทดสอบอนุภาคเหล่านี้ในรูปแบบเมลาโนมาของเมาส์ พวกเขาพบว่ามีความสัมพันธ์แบบเดียวกัน ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าไบโอมาร์คเกอร์นี้สามารถใช้เพื่อช่วยแพทย์ระบุผู้ป่วยที่มีเนื้องอกมีแนวโน้มที่จะตอบสนองต่อการบำบัดด้วยอนุภาคนาโน
ขณะนี้ นักวิจัยกำลังพยายามค้นพบกลไกของวิธีที่ SLC46A3 ควบคุมการดูดซึมอนุภาคนาโน หากพวกเขาสามารถค้นพบวิธีใหม่ในการลดระดับเซลล์ของโปรตีนนี้ ซึ่งจะช่วยให้เนื้องอกมีความอ่อนไหวต่อยาที่ดำเนินการโดยอนุภาคนาโนไขมันมากขึ้น นักวิจัยกำลังดำเนินการสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับไบโอมาร์คเกอร์อื่นๆ ที่พวกเขาพบ
วิธีการคัดกรองนี้ยังสามารถใช้เพื่อตรวจสอบอนุภาคนาโนประเภทอื่น ๆ อีกมากมายที่นักวิจัยไม่ได้ศึกษาในการศึกษานี้
“ท้องฟ้ามีขีดจำกัดในแง่ของสิ่งที่ไบโอมาร์คเกอร์อื่นๆ ที่ยังไม่ได้ค้นพบ ซึ่งเรายังไม่ได้จับภาพเพราะเราไม่ได้คัดกรองพวกมัน” Boehnke กล่าว “หวังว่าจะเป็นแรงบันดาลใจให้คนอื่นๆ เริ่มมองระบบอนุภาคนาโนในลักษณะเดียวกัน”
งานวิจัยบางส่วนได้รับทุนจากการระดมทุน SPARC ให้กับ Broad Institute, Marble Center for Cancer Nanomedicine ที่ Koch Institute และ Koch Institute Support (core) Grant จาก National Cancer Institute
