Multifunctional nanoparticles for drug delivery across the blood-brain barrier

Nanopartikler, mikrobobler og ultralyd forbedrer levering av legemidler over blod-hjerne barrieren En av hovedutfordringene ved behandling av sykdommer i sentral-nervesystemet er å levere legemidler til hjernen. Hjernevev er beskyttet av blod-hjernebarrieren der cellene som danner blodåreveggen er bundet tett sammen slik at uønskede stoffer ikke kan gå over dette cellelaget og komme inn i hjernevevet og skade det. I tillegg er cellene utstyrt med en pumpe som aktiveres dersom uønskede stoffer allikevel skulle komme inn i cellene som danner blodåreveggen, og uønskede stoffer pumpes tilbake til blodet. Disse beskyttelsesmekanismene begrenser leveringen av legemidler til hjernen. Det siste tiåret har det blitt påvist at ultralyd i kombinasjon med gassbobler kan lage midlertidige små åpninger eller porer i blod-hjernebarrieren og dermed gjøre det mulig for legemidler å passere. Vi kombinerer ultralyd og gassbobler med levering av legemidler innkapslet i nanopartikler. Nanoteknologi har gjort det mulig å utvikle en rekke interessante multifunksjonelle nanopartikler som kan benyttes både i avbildning og i terapi. Innkapsling av legemidler har flere farmakokinetiske fordeler sammenliknet med frie legemidler, blant annet reduseres bivirkningene og skadene på friskt vev. Vi har utviklet en ny polymerisk nanopartikkel som kan legge seg som et skall rundt gassbobler. Dermed har vi en unik partikkel bestående av en gassboble med nanopartikler som inneholder ønsket legemiddel. Nanopartiklene inneholder også et fluorescerende fargestoff slik at vi kan avbilde dem. Nanopartiklene-gassboblene injiseres i forsøksrotter eller -mus og hjernen eksponeres for fokusert ultralyd. Ved bruk av magnetisk resonans avbildning (MRI) og avanserte lysmikroskopteknikker har vi påvist at vi har lykkes å få nanopartikler og MRI kontrastmidler over lod-hjernebarrieren. Ulike ultralydparametre er testet og nanopartiklene-gassboblene optimaliseres kontinuerlig slik at vi kan få en stor mengde nanopartikler over blod-hjernebarrieren uten å skade hjernevevet og indusere store blødninger. Vi har også vist at åpningen av blod-hjernebarrieren er midlertid, etter en til to dager er den lukket igjen. Etter å ha påvist at vi får nanopartikler over blod-hjernebarrieren gjorde vi liknende forsøk i mus som hadde metastaser i hjernen. I denne studien bestemte vi mengde nanopartikler og undersøkte hvor langt fra blodårene nanopartiklene kunne «dyttes». Vi fant store mengder nanopartikler i det normale hjernevevet, men i metastasene var det få nanopartikler og i hovedsak var de i periferien av svulsten der det også var påvist mest blodårer. Metastasene hadde på det tidspunktet vi utførte forsøkene etablert få blodårer og det forklarer hvorfor opptaket av nanopartikler var begrenset. I tillegg til å gjøre forsøk med rotter og mus, har vi etablert to modeller der celler i kultur danner en blod-hjernebarriere. Disse modellene er viktige verktøy for å studere mekanismene for ultralyd-indusert åpning av blod-hjernebarrieren, og spørsmål vi stiller er: går nanopartiklene mellom cellene eller gjennom dem, eller er det en kombinasjon av disse to mekanismene som finner sted? Forsøkene våre tyder på det siste. Nanopartiklene og gassboblene optimaliseres og karakteriseres kontinuerlig. Vi lager nye nanopartikler med forskjellige polymerer og undersøker dem med hensyn på toksisitet, sirkulasjonstid i blodet i mus, hvor effektivt de tas opp i celler og frigjøringen av de innkapslede fargestoff som benyttes som modeller for cellegift. For å øke sirkulasjonstiden av nanopartikler er det vanlig å dekke overflaten med polyethylene glycol (PEGylering). Vi studerer også ulike PEGylering-strategier med hensyn på sirkulasjonstid og opptak i celler. Akustiske og mekaniske egenskaper av gassboblene karakteriseres, slik som demping og tilbakespredning av ultralydbølgen og stivheten av nanopartikkel-gass bobblene. Prosjektet er et tverrfaglig samarbeid mellom NTNU som er prosjektleder, SINTEF i Trondheim som lager nanopartiklene-gassboblene, Universitetet i Bergen som har interessante modeller for hjernesvulst og metastaser i hjernen som vi benytter, samt internasjonale samarbeidspartnere.

Nanotechnology has made it possible to develop multifunctional nanoparticles (NP) used for imaging and therapy. NP assisted delivery of therapeutic agents has several advantages compared to the delivery of the drug alone, such as improved pharmacokinetics and increased specificity to the target. One important potential application of NP is treating diseases in the central nervous system. The access of drugs to the brain is controlled by specialized endothelial cells constituting the blood-brain barrier (B BB), where restriction of passage results from a combination of physical, metabolic and transport barriers. Potentially harmful molecules entering the brain are efficiently effluxed back to the blood by transport proteins. Several approaches have been pr oposed to penetrate the BBB, and focused ultrasound in the presence of gas bubbles is shown to transiently open the BBB in animals. The novelty of our project is transporting NP across the BBB by combining 1) silencing of the efflux transporters using siR NA functionalized gold-coated-iron NP before 2) temporarily opening the BBB using focused ultrasound in combination with NP and gas bubbles. We have developed polymeric NP with the unique capability to stabilize gas bubbles. The two NP platforms will be o ptimized for respectively silencing the efflux pumps and penetrating the BBB. To study the penetration of BBB, in vitro models consisting of co-cultures of endothelial cells and astrocytes will be used as well as in vivo models of human glioma xenografts, and brain tissue in cranial window in rodents. BBB disruption in vivo and tracking of the NP will be monitored by MRI and optical imaging. Optimal ultrasound exposure (frequency, intensity exposure time) will be determined. The project addresses priority areas of NANO2021 such as applying nanotechnology to improve health, and the development of a generic method for efficient transport across the BBB has the potential for further innovation and commercialization.