За последнее десятилетие профессор Массачусетского технологического института Пола Хаммонд и ее студенты создали множество таких частиц, используя технику, известную как послойная сборка. Они показали, что частицы могут эффективно бороться с раком в ходе исследований на мышах.

Чтобы приблизить эти наночастицы к использованию человеком, исследователи теперь разработали технологию производства, которая позволяет им генерировать большее количество частиц за меньшую долю времени.

"Системы с наночастицами, которые мы разрабатываем, многообещающи, и совсем недавно мы были действительно взволнованы успехами, которые мы наблюдаем на животных моделях для наших методов лечения рака яичников, в частности", - говорит Хэммонд, который также является вице-проректором Массачусетского технологического института по преподавательской работе и членом из Института интегративных исследований рака имени Коха. "В конечном счете, мы должны быть в состоянии довести это до такого масштаба, при котором компания сможет производить их на высоком уровне".

Хэммонд и Даррелл Ирвайн, профессора иммунологии и микробиологии в Исследовательском институте Скриппса, являются старшими авторами нового исследования, которое опубликовано сегодня в журнале Advanced Functional Materials. Иван Пирес, доктор философии, 24 года, в настоящее время постдок в Бригаме и женской больнице и приглашенный ученый в Институте Коха, и Эзра Гордон, 24 года, являются ведущими авторами статьи. Хейкьюнг Су, научный сотрудник Массачусетского технологического института, также является автором.

Упрощенный процесс

Более десяти лет назад лаборатория Хэммонда разработала новую технологию создания наночастиц с высоко контролируемой архитектурой. Этот подход позволяет наносить слои с различными свойствами на поверхность наночастицы путем попеременного воздействия на поверхность положительно и отрицательно заряженных полимеров.

В каждый слой могут быть встроены молекулы лекарственного средства или другие терапевтические средства. Слои также могут содержать молекулы-мишени, которые помогают частицам находить раковые клетки и проникать в них.

Используя стратегию, первоначально разработанную лабораторией Хаммонда, наносится по одному слою за раз, и после каждого нанесения частицы проходят стадию центрифугирования для удаления излишков полимера. По словам исследователей, это требует много времени, и его будет трудно масштабировать до крупномасштабного производства.

Совсем недавно аспирант лаборатории Хаммонда разработал альтернативный подход к очистке частиц, известный как фильтрация тангенциальным потоком. Однако, несмотря на то, что это упростило процесс, он по-прежнему был ограничен сложностью изготовления и максимальным масштабом производства.

"Несмотря на то, что использование тангенциальной фильтрации потока полезно, это все еще очень мелкосерийный процесс, и клиническое исследование требует, чтобы у нас было много доступных доз для значительного числа пациентов", - говорит Хэммонд.

Чтобы создать более масштабный способ производства, исследователи использовали микрожидкостное смесительное устройство, которое позволяет им последовательно добавлять новые слои полимера по мере того, как частицы проходят через микроканал внутри устройства. Для каждого слоя исследователи могут точно рассчитать, сколько полимера необходимо, что избавляет от необходимости очищать частицы после каждого добавления.

"Это действительно важно, потому что разделение является наиболее дорогостоящим и трудоемким этапом в системах такого рода", - говорит Хэммонд.

Эта стратегия устраняет необходимость в ручном смешивании полимеров, упрощает производство и интегрирует процессы, соответствующие надлежащей производственной практике (GMP). Требования GMP FDA гарантируют, что продукция соответствует стандартам безопасности и может быть произведена последовательным образом, что было бы весьма сложным и дорогостоящим при использовании предыдущего поэтапного процесса серийного производства. Микрофлюидное устройство, которое исследователи использовали в этом исследовании, уже используется для GMP-производства других типов наночастиц, включая вакцины с мРНК.

"Благодаря новому подходу гораздо меньше шансов на какую-либо ошибку оператора или несчастные случаи", - говорит Пирес. "Это процесс, который может быть легко внедрен в GMP, и это действительно ключевой шаг здесь. Мы можем создать инновацию внутри наночастиц слой за слоем и быстро произвести ее таким образом, чтобы мы могли приступить к клиническим испытаниям".

Расширенное производство

Используя этот подход, исследователи могут генерировать 15 миллиграммов наночастиц (достаточно примерно для 50 доз) всего за несколько минут, в то время как при первоначальном методе на создание такого же количества потребовалось бы около часа. Исследователи говорят, что это могло бы позволить производить более чем достаточное количество частиц для клинических испытаний и использования пациентами.

"Чтобы расширить использование этой системы, вы просто продолжаете использовать чип, и гораздо проще производить больше вашего материала", - говорит Пирес.

Чтобы продемонстрировать свою новую технологию производства, исследователи создали наночастицы, покрытые цитокином под названием интерлейкин-12 (IL-12). Лаборатория Хаммонда ранее показала, что IL-12, доставляемый наночастицами слой за слоем, может активировать ключевые иммунные клетки и замедлять рост опухоли яичников у мышей.

В этом исследовании исследователи обнаружили, что частицы, нагруженные IL-12, изготовленные с использованием новой технологии, показали те же характеристики, что и исходные послойные наночастицы. И эти наночастицы не только связываются с раковой тканью, но и демонстрируют уникальную способность не проникать в раковые клетки. Это позволяет наночастицам служить маркерами на раковых клетках, которые активируют иммунную систему локально в опухоли. На мышиных моделях рака яичников это лечение может привести как к задержке роста опухоли, так и даже к излечению.

Исследователи подали заявку на патент на эту технологию и сейчас работают с Центром технологических инноваций Дешпанде Массачусетского технологического института в надежде потенциально создать компанию для коммерциализации технологии. По словам исследователей, хотя первоначально они сосредоточились на раковых заболеваниях брюшной полости, таких как рак яичников, эта работа также может быть применена к другим типам рака, включая глиобластому.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения США, Центром наномедицины Марбл, Центром технологических инноваций Дешпанде и Институтом поддержки Коха (core). Грант Национального института рака.