MIT Nanobots: millimeterprecisie tegen kanker

Onderzoekers van MIT hebben een methode ontwikkeld voor de massaproductie van gespecialiseerde nanodeeltjes – virtuele medische "nanobots" – die kankermedicijnen rechtstreeks naar tumoren kunnen brengen. Deze technologie belooft een revolutie in de kankerbehandeling teweeg te brengen, de effectiviteit te verhogen en verwoestende bijwerkingen te verminderen.

Nanotechnologie, de wetenschap die materie op ongelooflijk kleine schaal manipuleert (een nanometer is een miljardste van een meter), opent revolutionaire grenzen in de geneeskunde. Binnen dit vakgebied verwijst nanomedicijnen naar het gebruik van nanometergrote instrumenten en apparaten om ziekten op moleculair niveau te diagnosticeren, voorkomen en behandelen. Medische "nanobots", hoewel de term misschien sciencefictionbeelden van kleine robots oproept, verwijzen in de huidige praktijk vaak naar nanodeeltjes die slim ontworpen zijn om op specifieke manieren met biologische systemen te interacteren.

Aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) loopt het laboratorium van professor Paula Hammond voorop in de ontwikkeling van dit soort nanodeeltjes. Haar werk richt zich op meerlagige, met polymeer gecoate deeltjes, geladen met therapeutische medicijnen. Deze nanodeeltjes zijn ontworpen om te functioneren als uiterst precieze afgiftesystemen. Het idee is dat ze door de bloedbaan kunnen navigeren en specifiek tumorcellen kunnen targeten, waarbij hun medicijnlading direct op de kankerplek wordt afgegeven. Deze 'slimme pomp'-aanpak heeft de potentie om het effect van het medicijn op kankercellen te maximaliseren en tegelijkertijd de blootstelling aan de gezonde cellen in het lichaam te minimaliseren, waardoor veel van de slopende bijwerkingen van traditionele chemotherapie worden verminderd. Het vermogen van deze nanodeeltjes om kankerweefsel te herkennen en te targeten, maakt ze veelbelovend voor effectievere en minder invasieve kankerbehandelingen.

Een van de grootste uitdagingen bij het brengen van veelbelovende therapieën op basis van nanodeeltjes van het laboratorium naar de kliniek is de moeilijkheid om deze op grote schaal en op een consistente en efficiënte manier te produceren. Oorspronkelijke laag-voor-laag assemblagetechnieken, hoewel effectief in het creëren van deeltjes met precieze eigenschappen, zijn arbeidsintensief en tijdrovend. Ze vereisen meerdere stappen van polymeerapplicatie en centrifugatie om overtollig materiaal te verwijderen. Latere pogingen om de zuivering te optimaliseren, zoals tangentiële flowfiltratie, verbeterden het proces, maar vertoonden nog steeds beperkingen wat betreft de complexiteit van de productie en de maximale productieschaal.

De recente doorbraak van het MIT-team, onder leiding van Paula Hammond, Ivan Pires en Ezra Gordon, ligt juist in het overwinnen van dit productieprobleem. Ze hebben een methode ontwikkeld die gebruikmaakt van een microfluïdisch mengapparaat om nanodeeltjes snel en in grote hoeveelheden te assembleren. Met dit apparaat kunnen nieuwe polymeerlagen sequentieel worden toegevoegd terwijl de deeltjes door een microkanaal stromen. Cruciaal is dat de onderzoekers de benodigde hoeveelheid polymeer voor elke laag nauwkeurig kunnen berekenen, waardoor kostbare en tijdrovende zuiveringsstappen na elke toevoeging overbodig zijn.

Deze technische innovatie is net zo belangrijk als het ontwerp van het nanodeeltje zelf en ontsluit de mogelijkheden voor productie op klinische schaal. Het gebruikte microfluïdische apparaat wordt al gebruikt in Good Manufacturing Practices (GMP)-productie voor andere soorten nanodeeltjes, zoals mRNA-vaccins, wat de acceptatie ervan vergemakkelijkt en de veiligheidsnormen en consistentie waarborgt. Met deze nieuwe methode kunnen onderzoekers in slechts enkele minuten 15 milligram nanodeeltjes (voldoende voor ongeveer 50 doses) genereren, vergeleken met bijna een uur met de oorspronkelijke techniek.

"De nanodeeltjessystemen die we hebben ontwikkeld, zijn veelbelovend... We zijn de laatste tijd vooral enthousiast over de successen die we hebben gezien in diermodellen voor onze behandelingen van eierstokkanker." – Paula Hammond, MIT.

De werkzaamheid van nanodeeltjes die met deze nieuwe massaproductiemethode zijn vervaardigd, is gevalideerd in preklinische studies. Onderzoekers van MIT creëerden nanodeeltjes geladen met interleukine-12 (IL-12), een cytokine die bekendstaat om zijn vermogen om het immuunsysteem te activeren tegen kankercellen. In muismodellen van eierstokkanker vertoonden deze nanodeeltjes vergelijkbare prestaties als die welke met de oorspronkelijke techniek waren vervaardigd: ze vertraagden de tumorgroei en in sommige gevallen zelfs de ziekte.

Een bijzonder interessant en uniek aspect van deze nanodeeltjes is hun werkingsmechanisme. Ze leveren niet alleen medicijnen, maar interageren ook op een geavanceerde manier met het immuunsysteem. Ze binden zich aan kankerweefsel, maar dringen, opmerkelijk genoeg, de kankercellen zelf niet binnen. In plaats daarvan fungeren ze als markers op het oppervlak van deze cellen, waardoor het immuunsysteem lokaal, direct in de tumor, kan worden geactiveerd. Deze mogelijkheid om gerichte medicijnafgifte te combineren met lokale immuunstimulatie, vertegenwoordigt een krachtige synergie die een veelzijdige aanval op kanker mogelijk maakt.

Hoewel het eerste onderzoek zich richtte op kanker in de buikholte, zoals eierstokkanker, geloven de onderzoekers dat deze technologie ook kan worden toegepast op andere soorten kanker, waaronder glioblastoom, een agressieve hersentumor. Het team heeft al patent aangevraagd voor deze technologie en werkt samen met het Deshpande Center for Technology Innovation van MIT met het oog op mogelijke commercialisering. Dit zou de komst van deze medische "nanobots" naar patiënten die ze nodig hebben, kunnen versnellen. Deze doorbraak onderstreept hoe de convergentie van materiaalkunde, chemische technologie en immunologie de toekomst van precisie-oncologie vormgeeft.