Acoustic Cluster Therapy (ACT) for improved treatment of cancer and brain diseases

Kjemoterapi gitt alene eller i kombinasjon med strålebehandling eller kirurgi, er en vanlig kreft-behandlingsform. Et stort problem ved kjemoterapi er å få tilstrekkelig cellegift inn i svulsten og unngå at friskt vev ødelegges. Behandling av sykdommer i hjernen som for eksempel hjernesvulster eller Alzheimers sykdom, er enda mer utfordrende å behandle fordi hjernevev er beskyttet av blod-hjernebarrieren. Forskere jobber derfor med å utvikle nye metoder for å få en kreftspesifikk behandling og for å trenge gjennom blod-hjernebarrieren. «Akustisk klynge terapi» (ACT) er en ny teknologi som har vist lovende resultater både i behandlingen av kreft og i å åpne blod-hjernebarrieren i forsøksdyr. Teknologien er utviklet av bedriften EXACT-Tx i Oslo og er basert på at klynger av mikrobobler-mikrodråper injiseres i blodet i pasienten og deretter behandles svulsten eller hjernen med ultralyd. Ultralyd fører til at mikroboblene vibrerer og overfører energi til mikrodråpene som gjennomgår en væske-til-gass faseovergang og dermed vokser i størrelse og danner store mikrobobler (ACT bobler) som midlertidig blokkerer en liten andel av de små kapillærene. Ved å gi en ny ultralydbehandling vil de store ACT boblene vibrere og virke på blodåreveggen slik at disse åpnes og cellegift kan gå inn i svulsten eller hjernevevet. Ultralyd vil også dytte legemidlet videre innover i vevet. Vi har allerede vist at ved å kombinere ACT med injeksjon av fri cellegift eller nanopartikler med cellegift, ble behandlingen av svulster som grodde i mus mer effektiv. Faktisk ble de fleste musene helt friske. Vi har også vist at ACT kan åpne blod-hjernebarrieren på en trygg måte. Vi ønsker nå å forstå mekanismene for den lovende behandlingen. Å forstå mekanismene vil bidra til å optimalisere behandlingen slik at den kan bli mer effektiv. De første kliniske forsøkene på pasienter startet i 2019. I disse studiene blir ACT gitt i kombinasjon med standard kjemoterapi for pasientgruppen. For å forstå mer om hvordan ACT gassbobler oppfører seg når de behandles med ultralyd, har vi benyttet ultrarask avbildning for å studere dynamikken i dannelsen og vibrasjonene av ACT boblene. Avbildningen viste at det ble dannet ACT bobler med ulik størrelse og form, og utslaget på vibrasjonene avhenger av størrelsen og formen på boblene. Videre benyttes den såkalte «kylling chorioallantoic membran» modellen, som er en membran med mange blodårer. Fluorescerende makromolekyler ble injisert i blodårene og effekten av ACT behandlingen studert med fluorescensmikroskopi. Flere observasjoner ble gjort: store bobler som blokkerte blodårene og blodstrøm som endret retning; makromolekyler som diffunderte ut av blodårene enten i en sakte prosess eller en rask mer jet-liknende prosess. Disse studiene har gitt oss nyttig informasjon om vibrering av ACT bobler og hvordan de oppfører seg i blodårer. Pasienter med ikke-operable bukspyttkjertel-kreft har ekstremt dårlig prognose. Fem år etter at denne krefttypen har blitt påvist, lever i gjennomsnitt bare 2-5% av pasientene. Det er derfor svært viktig å utvikle nye effektive behandlingsformer. En lovende nanopartikkel (CriPec) utviklet av den nederlandske bedriften Cristal Therapeutics ble injisert i mus med bukspyttkjertelkreft. Vi fant store variasjoner i mengde nanopartikler i svulstene, både i de ubehandlede og ACT behandlede svulstene. For å forstå hva denne variasjonen skyltes, ble opptak av nanopartikler korrelert med blodåretetthet og mengde av collagen fibre. Vi fant at svulster med mye collagen hadde mindre nanopartikler, mens blodåretettheten ikke syntes å bestemme opptaket av nanopartikler. Vi har studert effekten ACT har på en rekke parametere: I hvilken grad ACT induserer en immunrespons, dvs om immuncellene makrofager og nøytrofiler infiltrerer bukspyttkjertel svulster; Endring i andel funksjonelle blodårer og i blodårediameter; Endring i svulstens elastisitet eller det interstitielle væsketrykket. Resultantene av alle disse forsøkende er ennå ikke klare. Vi har tidligere vist at ACT kan åpne blod-hjerne barrieren. Nå har vi påvist at ACT kan sørge for at CriPec nanopartiklene trenger inn i hjernevev. Nanopartiklene ble observert i grupper i hjernevevet. For å forstå mer av mekanismene, ble ACT bobler og makromolekyler avbildet i hjernevev gjennom et glassvindu plassert i kraniet. En spesiell ringformet ultralydtransduser ble plassert rundt objektivet på et avansert multifoton mikroskop, og dette muliggjorde avbildning i hjernevevet mens ultralydbehandling pågikk. Vi observerte at makromolekylene passerte blodåreveggen på spesielle steder langs blodåreveggen og distribusjonen av makromolekylene i hjernevev synes å samsvare med distribusjonen av nanopartiklene tidligere avbildet i hjernevev. Det påviste økte opptak av nanopartikler og makromolekyler i hjernevev er lovende med hensyn på behandling av en rekke sykdommer i hjernen slik som neurodegenerative sykdommer som Alzheimer og hjernesvulster.

Outcome Establishing the cranial window model to be used to image brain tissue during ultrasound treatment. Characterize and apply a novel 2 frequency US transducer. New knowledge on the activation and oscillation of ACT bubbles using high-speed imaging. New knowledge on delivery of nanoparticles to pancreatic tumours growing in mice and impact of tumour properties such as vascular density and collagen network. Impact The finding that ACT efficiently opens the blood-brain barrier and nanoparticles enter brain tissue is of great importance for the companies EXACT Therapeutics who have included this finding in one of their patents, and for Cristal Therapeutics making the nanoparticles. This finding opening new possible applications for both companies. Our findings provide new knowledge in ultrasound-mediated drug delivery which are valuable for other research groups working in this field and aiming at developing new efficient therapies for various diseases.

A major problem in cancer therapy is that less than 1 % of drugs accumulate in solid tumors. Even less is reaching the brain tissue as the blood-brain barrier (BBB) effectively blocks drugs from entering brain tissue. Acoustic Cluster Therapy (ACT) is a novel microtechnology delivery platform based on clusters of microbubbles (MBs) and microdroplets, developed by our collaborator Phoenix Solutions. After injecting these clusters, focused ultrasound (FUS) is applied to the targeted pathology whereby the MBs transfer energy to the microdroplets, which undergo a liquid-to-gas phase shift. Growing in size, these large bubbles transiently lodge and block blood flow. Further exposure of FUS causes these large bubbles to oscillate and induce biomechanical effects on the capillary wall, enhancing extravasation of molecular or NP drugs to the diseased area. We have already demonstrated that combining ACT with co-injection of the drugs paclitaxel and Abraxane®, induce a very strong increase in the therapeutic efficacy of human prostate tumors in mice. Furthermore, we have shown that ACT can open the BBB safely, allowing macromolecules to enter brain tissue. In the present project we aim to understand the underlying mechanisms of the enhanced therapeutic response. This will allow us to optimize the concept further. The behavior of ACT bubbles during US exposure will be studied using a unique high speed camera. It is of crucial importance to understand the effect of US frequency and intensity on bio-and microdistribution of differently sized therapeutic agents in different tumor models. This will be measured using advanced fluorescently-based imaging techniques. The effects induced by ACT bubbles on the capillary wall influence the transport processes and will be measured, i.e. transcapillary pressure gradient and diffusion. Based on the results from the above-mentioned studies, several therapeutic studies will be performed. The aim is to enter clinical trials in 2018.