Sonoporation-Emhanced Therapy for the treatment of Pancreatic Adenocarcinoma

Pankreatisk (bukspyttkjertel) adenokarsinom av duktal type (PAKD) utgjør den fjerde hyppigste dødsårsak i Europa forårsaket av kreft, og er den eneste kreftformen som ikke har vist noen forbedring i dødelighet på over 40 år. Faktisk er overlevelse kun anekdotisk med en 5-års overlevelsesrate på bare 3 % og en median overlevelse på mindre enn 6 måneder. Kirurgi supplert med cellegift er den eneste behandlingsform som i dag kan kurere sykdommen. Kun 15 - 20 % av pasienter med PAKD lar seg operere ved diagnosetidspunkt, og av denne pasientgruppen vil median overlevelse fremdeles utgjøre kun 15 måneder. Av dette følger det store utfordringer som innebærer et presserende behov for en ny og meningsfull behandlingsstrategi for pasienter med denne sykdommen. Dette forslaget tar sikte på å angripe denne dødelige sykdommen ved bruk av det helt nye konseptet sonoporasjon-målrettet terapi. SONOPORASJON er midlertidige dannelser av nano - til mikrometer store porer i cellemembranen ved hjelp av ultralyd eller ultralyd sammen med mikrobobler. Dette muliggjør intracellulært opptak av medisiner og gener. Anvendelsen av av sonoporasjon for kreftbehandling er foreløpig i innledende fase, men våre prekliniske og kliniske pilotforsøk har vist stort potensiale i behandling av PAKD. Effektiviteten av klinisk translasjon er imidlertid begrenset av manglende prekliniske modellerings-plattformer. Vi foreslår, gjennom nyskapende flerfaglige teknologiplattformer og neste generasjons prekliniske modelleringssystemer, å korte ned den translasjonelle avstanden. Vi vil framstille en innovativ mikroboble-basert legemiddelform spesielt utformet for å muliggjøre sonoporasjon-målrettet terapi. I tillegg vil vi utvikle helt nye organoide-vevs modeller samt dyremodeller med PAKD. Det er også et viktig poeng at teknologien som utvikles i dette prosjektet generelt har stor overføringsverdi til utvikling av bedre kreftbehandling. Framdrift til nå Optimalisering av sonoporering Ved å bruke det første state-of-the-art sonoporeringskammer i sitt slag har SonoCURE-gruppen fullført over 800 forsøk for å evaluere sonoporeringseffekt ved ulike ultralydinnstillinger, mikroboble formuleringer, mikroboble konsentrasjon (dose) og cellelinjer for å bestemme og predikere hvilke innstillinger som gir mest mulig økning i legemiddelopptak in vitro. Resultatene våre viser at ved å optimalisere disse betingelsene kan vi øke opptak mer enn 100 ganger. Disse resultatene vil videre overføres til dyrestudier og utvikling av nye bobleformuleringer. Fremstilling av innovativ mikroboble SonoCURE-gruppen har fortsatt utviklingen av antibobler og har stadig forbedret funksjonen av disse. Det siste året har vi forbedret framstillingsmåten, og har ved dette blandt annet forbedret størrelsen på boblene og halvert ultralydintensiteten som kreves for å frisette legemiddel fra dem. Boblene har nå 5 ganger lenger halveringstid i blodsirkulasjon i mus, og kan detekteres med kommersielt tilgjengelige ultralyd systemer for å kunne se hvor man frisetter innkapslet legemiddel. Pasientderiverte xenograft modeller (PDX) Svulstmateriale fra 9 ulike pasienter er implantert in immunokomprimitterte musemodeller og karakterisert med tanke på vekst, metastatisk potensiale og vevsstruktur. I nærmest framtid vil disse PDX-modellene bli brukt I sonoporeringsstudier. En biobank av immun stamceller er opprettet av prøver isolert fra navlestrengblod fra donorer. Disse cellene bli i framtiden bli brukt til å lage et mer humant immunsystem i disse musemodellene. Innsamling av pasientmateriale fra PAKD pågår i samarbeid med Kirurgisk avdeling på Haukeland Universitetssykehus, Katalansk Institutt for onkologi (Barcelona), Oslo Universitetssykehus og Saint Vincent`s universitetssykehus (Dublin). Organoide modeller En organoid modell er en 3D kultur med en blanding av forskjellige celletyper. Et samarbeid med Fraunhofer Institute er etablert for å utvikle PAKD organoide modeller, ved å bruke naturlig matriks isolert fra gris. Teknologi har blitt utviklet for å dyrke celler på disse matriksene, og monitorere cellevekst ved bruk av mikroskopi og for å behandle med sonoporering. Primære celler isolert fra PAKD pasientmateriale vil snart bli sådd ut på disse matriksene for å utvikle pasientderiverte organoider som vil bli brukt i sonoporeringsstudier.

Undoubtedly the completion of the project was badly impacted by the problems with the animal facility in addition to the arrival of COVID in which this very international team dispersed mostly back to their countries of origins. However, the work on the organoid model has continued in a new guise by shifting the frame of reference to ovarian cancer. PhD Christiane Heglestad Gjerde continued the work and will submit her thesis in March 2024, with article submission anticipated also in March 2024. Actual impacts of the project were the development of novel preclinical PDX models of PDAC (Schultz et al. Cancer Ther Biol. 2021) , and high throughput screening of sonoporation enhanced therapies (Haugse et al. Pharmaceutics 2019, 2020; Kotopoulis et al. Pharmaceutics 2022, Ultrason. Sonochem 2022; Schultz et al. Cancer Biol Ther 2021; Bjånes et al. Pharmaceutics 2020, Drug Metab Dispos 2020). Evaluation of novel therapies in these new models, as proposed in the grant application was impossible in the project period owing to a the aforementioned issues in the animal facility problems and COVID.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is the fourth leading cause of cancer death in Europe and the only cancer, which has not seen an improvement in mortality figures in over 40 years. In fact, survival from PDAC is only anecdotal, with a 5- year survival rate of only 3% and a median survival of less than 6 months. Current therapy approaches often combining chemotherapy and surgery carry the only possibility of cure. However, only 15 - 20% of patients are considered resectable at the time of diagnosis, and of these patients who present with surgically amenable disease their median overall survival is still only 15 months. Consequently, this constitutes an extraordinary challenge and the urgent need to provide society with a novel, meaningful therapeutic strategy for this disease. This proposal aims to usher in the radically new concept of sonoporation-enhanced targeted therapy for combating this deadly disease. SONOPORATION is the transient formation of nanometre- to micrometre-sized pores in cell membranes by the use of ultrasound or ultrasound and microbubbles, allowing for intracellular uptake of drugs or genes. The application of sonoporation in enhancing cancer-therapies is only in its preliminary stages but our pilot preclinical and clinical data demonstrate great promise in treatment of PDAC. However, the effective clinical translation is limited by lack of preclinical modelling platforms. We propose through the innovation of multidisciplinary technology platforms and next generation preclinical modelling systems to bridge the translational divide. We will fabricate innovative microbubble drug delivery formats designed specifically to the needs of sonoporation-enhanced therapy in addition to developing radically new tissue organoid models and animal models of PDAC. Importantly, the results of this project will not only impact the future of PDAC therapy, but the novel technologies will effect all aspects of preclinical oncology drug development.