Ultrasound-enhanced delivery of multifunctional nanoparticles: Improving therapy of cancer and diseases in the central nervous system

Nanoteknologi har gjort det mulig å lage nanopartikler som kan brukes til å forbedre diagnostikk og behandling av en rekke sykdommer. Kreft kan ha stort utbytte av nanopartikler. En utfordring med bruk av cellegift er at den ikke er spesifikk mot kreftcellene, men også dreper friske celler. En strategi for å gjøre kreftbehandlingen mer spesifikk er å kapsle inn cellegiften i en nanopartikkel. Årsaken er at blodårene i en svulst lekker mer enn normale blodårer. Når nanopartikler injiseres, vil de kunne passere over blodåreveggen i en svulst, men ikke i normalt friskt vev. Dermed akkumuleres flere nanopartikler med cellegift i svulsten og det blir mindre skadelige effekter på friskt vev og mindre bivirkninger for pasienten. En av årsakene til at behandlingen med nanopartikler ikke alltid lykkes, er at nanopartiklene og cellegiften ikke kommer fram til alle kreftcellene og dreper dem. Ved å kombinere nanopartikler med mikrobobler og ultralyd kan nanopartiklene dyttes innover i kreftvevet og nå fram til langt flere kreftceller. Vi har laget en ny nanopartikkel som legger seg som et skall rundt en gassboble. Vi har påvist meget lovende resultater i dyreforsøk der gassboblene-nanopartiklene med cellegift er injisert i forsøksdyr og svulsten behandlet med fokusert ultralyd. Alle svulstene forsvant og musene ble kurert. Vi forsker nå på å forstå mekanismene bak de lovende resultatene. Den positive effekten av ultralyd skyldes enten termiske (varme) eller mekaniske effekter. De mekaniske effektene er enten såkalt kavitasjon, det vil si at gassboblen vibrerer i det akustiske feltet og genererer mikrostrømmer. Den vibrerende gassboblen kan også kollapse og danne jetstrømmer. Mikrostømmene og jetstrømmene kan lage åpninger i blodåreveggen og gjøre dem mer lekke. En annen mekanisk effekt er akustisk strålingskraft som dytter nanopartiklene direkte eller lager en væskestrøm nanopartiklene kan bevege seg i. Vi jobber eksperimentelt ved bruk av geler som modeller for vev og i forsøksmus, og med matematiske modeller og computer simuleringer for å undersøke i hvilken grad akustisk strålingskraft kan bidra til en bedre levering av nanopartikler i vevet. For å forstå mekanismene er det viktig å vite hvordan gassboblene og nanopartiklene oppfører seg under og etter ultralydbehandlingen. Vi benytter avansert fluorescensmikroskopi til å avbilde svulster som gror i vinduskammer i mus. Gjennom vinduet kan vi studere hvordan de injiserte nanopartiklene- gassboblene oppfører seg når svulster behandles med fokusert ultralyd. Vi har påvist at nanopartikler kommer ut av blodårene i en «eksplosjon» og at disse «eksplosjonen» opptrer i blodårenes forgreiningspunkter. Videre får vi informasjon om hvor langt og hvor raskt inn i ekstracellulær matrix nanopartiklene dyttes ved ulike akustiske intensiteter. Sykdommer i hjernen er meget vanskelig å behandle fordi hjernevevet er beskyttet av en såkalt blod-hjernebarriere som forhindrer legemidler i komme inn i hjernevev. Blod-hjernebarrieren skyldes både den tette koplingen mellom cellene som danner blodåreveggen og en protein-pumpe i blodåreveggen som pumper cellegift tilbake til blodet. Vi har vist at vi kan benytte våre nanopartikler-gassbobler i kombinasjon med ultralyd til å lage små åpninger i blod-hjernebarrieren slik at nanopartikler med medisiner slipper gjennom. Neste skritt har vært å kapsle inn cellegiften cabazitaxel i nanopartikler og behandle mus med hjernesvulst (gliom) med fokusert ultralyd i kombinasjon med nanopartiklene med cabazitaxel og mikrobobler. Vi fant at fritt cabazitaxel kunne passere blod-hjernebarrieren og var like effektivt i å redusere veksten av hjernesvulsten som ultralyd pluss nanopartikler-mikrobobler. Vi påviste at mengde pumper som pumper cabazitaxel tilbake til blodet var mye mindre i svulsten sammenliknet med frist vev og at dette kan forklare den gode behandlingseffekten av cellegiften. Vi har også oppnådd vellykket åpning av blod-hjerne barrieren med ultralyd kombinert med en annen mikroboble utviklet av firmaet Phoenix Solution AS. Denne mikroboblen skiller seg ut ved at den er meget stor og de mekaniske kreftene på blodårveggen større. Alzheimer er en sykdom som rammer mange. Tidlig diagnose og behandling er viktig. Vi jobber med å detektere Alzheimer plakk. Vi har tidligere utviklet en spesiell probe, et lite fluorescerende molekyl kalt oligothiofen og vist at proben kan passere blod-hjerne barrieren og gjenkjenne og binde seg til Alzheimers plakk i mus. Nå har vi også bundet et gadolinium basert MRI-kontrastmiddel til proben, og vi finner at kontrastøkningen med MRI tilsvarer fluorescens fra plakk i hjernen. Vår ambisjon var å detektere plakk tidligere enn kognitive forandringer, men det oppnådde vi ikke. Allikevel mener vi at den nye proben kan bli verdifull for ikke-invasiv deteksjon av Alzheimers plakk.

-The nanoparticle-microbbuble platform and focus ultrasound show promising therapeutic results in human tumours growing under the skin in mice. However, more relevant tumour and mouse models need to be tested. -New knowledge on the mechanisms of ultrasound-mediated delivery of nanoparticles have been obtained by imaging for the first time the behaviour of the NPs in tumour tissue in real time during US exposure. -Our results, together with promising preclinical results from other international research groups, have laid the ground for clinical studies. At St. Olavs hospital in Trondheim, we are now performing two clinical studies to investigate whether treatment with cytotoxic drugs in cancer patients is more efficient when combined with FUS and clinically used MBs.

Nanotechnology has made it possible to develop multifunctional nanoparticles (NP) used for imaging and therapy. Treatment of cancer has obtained most attention, but if the blood-brain barrier (BBB) could be opened, treatment of diseases in the central nervous system (CNS) that today is not possible to cure will have the potential of being treated. One of the major challenges in treating diseases in the CNS is the delivery of drugs to the brain due to the specialized and tight capillary endothelium that constitutes the BBB. NPs improve the delivery of drugs to tumours and reduce toxic effects towards normal tissue due to the leaky tumour blood vessels. However, the uptake and distribution of NPs is low and heterogeneous. Thus, it is essential to improve the delivery to solid tumours and to penetrate the BBB. We have developed a novel NP-MB platform consisting of a polymeric NP forming a shell around gas bubbles. Recently, we demonstrated that these integrated NP-MBs in combination with focused ultrasound (FUS) improved the delivery of NPs to prostate xenografts in mice, and safely opened the BBB in rats temporarily. Now these promising NP-MBs will be used to improve cancer therapy and treat disorders in the CNS. Various drugs will be encapsulated in the NP and the NP-MBs have to be characterized after the encapsulation. The delivery of NP to solid tumours depends on the vascular density and vascular permeability. Tumour models which have different vascularity will be used to determine which, if not all, tumour types can be treated and thereby which patients can benefit from FUS-mediated delivery of NP. The NP-MBs will be used to study the delivery of NP and drugs to gliomas growing in rats, and to study the therapeutic effect on gliomas. Furthermore, we want to open the BBB using FUS and MBs for another NP being a MRI contrast agents and functionalized with luminescent conjugated oligothiophenes which have high affinity toward in plaques in Alzheimer's disease.