Полимерные наночастицы, способные доставлять лекарства непосредственно к опухолям, представляют собой многообещающий подход в лечении рака, позволяющий минимизировать побочные эффекты традиционной химиотерапии. Эти частицы, разработанные за последнее десятилетие в Массачусетском технологическом институте (MIT) под руководством профессора Полы Хаммонд и ее учеников с использованием техники послойной сборки, могут быть загружены терапевтическими препаратами и нацелены на высвобождение своего содержимого непосредственно в опухоли. Эффективность такого подхода была доказана в исследованиях на мышах, в частности, при лечении рака яичников.
Однако переход от лабораторных успехов к клиническому применению у людей требовал создания метода крупномасштабного и эффективного производства. «В конечном счете, мы должны иметь возможность довести это до такого масштаба, чтобы компания могла производить их [наночастицы] на высоком уровне,» – отмечает Пола Хаммонд. Первоначальный метод послойной сборки, разработанный более десяти лет назад, включал нанесение одного полимерного слоя за раз с последующим этапом центрифугирования для удаления излишков полимера. Этот процесс был трудоемким и трудно масштабируемым.
Последующее усовершенствование, предложенное аспирантом лаборатории Хаммонд, заключалось в использовании тангенциальной поточной фильтрации (TFF) для очистки, что ускорило процесс по сравнению с центрифугированием. Тем не менее, даже этот метод оставался сложным в производстве, имел ограничения по максимальному объему и описывался как «процесс очень мелкосерийного производства», недостаточный для удовлетворения клинических потребностей. Необходимость в кардинально новом подходе была очевидна.
Инженеры MIT и их сотрудники разработали инновационную технологию производства на основе микрофлюидики, которая позволяет значительно ускорить и увеличить объемы производства, открывая путь к клиническому применению. Техника использует микрофлюидное смесительное устройство, через микроканал которого пропускаются наночастицы. По мере их продвижения последовательно добавляются новые слои полимера, причем система точно рассчитывает необходимое количество полимера для каждого слоя.
Ключевым преимуществом нового метода является исключение дорогостоящих и трудоемких этапов очистки (таких как центрифугирование или TFF) после нанесения каждого слоя. Это также устраняет необходимость ручного смешивания полимеров, оптимизирует весь производственный процесс и снижает вероятность ошибок оператора. Важно, что процесс интегрирован с требованиями Надлежащей производственной практики (GMP), установленными Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), что обеспечивает безопасность и стабильность качества продукции.
Новый метод демонстрирует впечатляющее увеличение скорости и масштаба производства. Система способна генерировать 15 миллиграммов наночастиц – количество, достаточное примерно для 50 доз – всего за несколько минут. Для сравнения, создание такого же количества с использованием оригинальной методики занимало около часа. Для дальнейшего масштабирования производства достаточно просто продолжать работу микрофлюидного чипа.
Для подтверждения эффективности исследователи создали с помощью нового метода наночастицы, покрытые цитокином интерлейкином-12 (IL-12). Ранее лаборатория Хаммонд показала, что наночастицы с IL-12, произведенные старым методом, активируют иммунные клетки и замедляют рост опухолей яичников у мышей. Частицы, полученные с помощью микрофлюидной технологии, продемонстрировали аналогичную эффективность в моделях рака яичников у мышей.
Механизм действия этих наночастиц уникален: они связываются с раковой тканью, но не проникают внутрь раковых клеток. Вместо этого они действуют как маркеры на поверхности клеток, локально активируя иммунную систему непосредственно в опухоли. Такое лечение привело к замедлению роста опухоли и даже к полному излечению в некоторых случаях на мышиных моделях рака яичников.
Ведущими авторами исследования, опубликованного в журнале Advanced Functional Materials, являются Айвен Пирес (Ph.D. '24, ныне постдок в Brigham and Women's Hospital и приглашенный ученый в Институте Коха) и Эзра Гордон ('24). Старшими авторами выступили Пола Хаммонд (профессор MIT, вице-проректор по работе с преподавателями MIT, член Института интегративных исследований рака имени Коха) и Даррелл Ирвайн (профессор иммунологии и микробиологии в Исследовательском институте Скриппса). В работе также участвовала Хейкюнг Су, научный сотрудник MIT.
Исследователи уже подали заявку на патент на разработанную технологию и сотрудничают с Центром технологических инноваций Дешпанде при MIT для продвижения разработки. Рассматривается возможность создания компании для коммерциализации технологии. Первоначальной целью являются виды рака, поражающие брюшную полость, такие как рак яичников, но в будущем возможно применение технологии и для лечения других видов рака, включая глиобластому.
Изображение носит иллюстративный характер
Однако переход от лабораторных успехов к клиническому применению у людей требовал создания метода крупномасштабного и эффективного производства. «В конечном счете, мы должны иметь возможность довести это до такого масштаба, чтобы компания могла производить их [наночастицы] на высоком уровне,» – отмечает Пола Хаммонд. Первоначальный метод послойной сборки, разработанный более десяти лет назад, включал нанесение одного полимерного слоя за раз с последующим этапом центрифугирования для удаления излишков полимера. Этот процесс был трудоемким и трудно масштабируемым.
Последующее усовершенствование, предложенное аспирантом лаборатории Хаммонд, заключалось в использовании тангенциальной поточной фильтрации (TFF) для очистки, что ускорило процесс по сравнению с центрифугированием. Тем не менее, даже этот метод оставался сложным в производстве, имел ограничения по максимальному объему и описывался как «процесс очень мелкосерийного производства», недостаточный для удовлетворения клинических потребностей. Необходимость в кардинально новом подходе была очевидна.
Инженеры MIT и их сотрудники разработали инновационную технологию производства на основе микрофлюидики, которая позволяет значительно ускорить и увеличить объемы производства, открывая путь к клиническому применению. Техника использует микрофлюидное смесительное устройство, через микроканал которого пропускаются наночастицы. По мере их продвижения последовательно добавляются новые слои полимера, причем система точно рассчитывает необходимое количество полимера для каждого слоя.
Ключевым преимуществом нового метода является исключение дорогостоящих и трудоемких этапов очистки (таких как центрифугирование или TFF) после нанесения каждого слоя. Это также устраняет необходимость ручного смешивания полимеров, оптимизирует весь производственный процесс и снижает вероятность ошибок оператора. Важно, что процесс интегрирован с требованиями Надлежащей производственной практики (GMP), установленными Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), что обеспечивает безопасность и стабильность качества продукции.
Новый метод демонстрирует впечатляющее увеличение скорости и масштаба производства. Система способна генерировать 15 миллиграммов наночастиц – количество, достаточное примерно для 50 доз – всего за несколько минут. Для сравнения, создание такого же количества с использованием оригинальной методики занимало около часа. Для дальнейшего масштабирования производства достаточно просто продолжать работу микрофлюидного чипа.
Для подтверждения эффективности исследователи создали с помощью нового метода наночастицы, покрытые цитокином интерлейкином-12 (IL-12). Ранее лаборатория Хаммонд показала, что наночастицы с IL-12, произведенные старым методом, активируют иммунные клетки и замедляют рост опухолей яичников у мышей. Частицы, полученные с помощью микрофлюидной технологии, продемонстрировали аналогичную эффективность в моделях рака яичников у мышей.
Механизм действия этих наночастиц уникален: они связываются с раковой тканью, но не проникают внутрь раковых клеток. Вместо этого они действуют как маркеры на поверхности клеток, локально активируя иммунную систему непосредственно в опухоли. Такое лечение привело к замедлению роста опухоли и даже к полному излечению в некоторых случаях на мышиных моделях рака яичников.
Ведущими авторами исследования, опубликованного в журнале Advanced Functional Materials, являются Айвен Пирес (Ph.D. '24, ныне постдок в Brigham and Women's Hospital и приглашенный ученый в Институте Коха) и Эзра Гордон ('24). Старшими авторами выступили Пола Хаммонд (профессор MIT, вице-проректор по работе с преподавателями MIT, член Института интегративных исследований рака имени Коха) и Даррелл Ирвайн (профессор иммунологии и микробиологии в Исследовательском институте Скриппса). В работе также участвовала Хейкюнг Су, научный сотрудник MIT.
Исследователи уже подали заявку на патент на разработанную технологию и сотрудничают с Центром технологических инноваций Дешпанде при MIT для продвижения разработки. Рассматривается возможность создания компании для коммерциализации технологии. Первоначальной целью являются виды рака, поражающие брюшную полость, такие как рак яичников, но в будущем возможно применение технологии и для лечения других видов рака, включая глиобластому.
