由Macromolecules創(chuàng)新研究所附屬的三名弗吉尼亞理工大學(xué)教師組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)藥物輸送系統(tǒng)，可以從根本上擴(kuò)展癌癥治療方案。

將納米顆粒藥物注射到血流中的常規(guī)癌癥治療方法導(dǎo)致低效率。由于人體的復(fù)雜性，很少有這些納米粒子實(shí)際到達(dá)癌癥部位，并且一旦到達(dá)那里，癌癥組織的傳遞就會(huì)受限。

在弗吉尼亞理工大學(xué)創(chuàng)建的新系統(tǒng)被稱為納米級(jí)細(xì)菌實(shí)現(xiàn)自主藥物輸送系統(tǒng)(NanoBEADS)。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種將抗癌藥物的納米顆?；瘜W(xué)附著到減毒細(xì)菌細(xì)胞上的過(guò)程，他們已經(jīng)證明這種方法比在達(dá)到癌癥部位的被動(dòng)遞送注射更有效。

NanoBEADS在體外(在腫瘤球體中)和體內(nèi)(在活體小鼠中)模型中產(chǎn)生了結(jié)果，其顯示納米顆粒在癌組織中的分布和保留增加高達(dá)100倍。

這是機(jī)械工程副教授Bahareh Behkam五年國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)獎(jiǎng)的產(chǎn)物。這個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的合作者是化學(xué)工程教授Rick Davis和弗吉尼亞 - 馬里蘭州獸醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和病理學(xué)助理教授Coy Allen。

“你可以制造出最令人驚奇的藥物，但是如果你無(wú)法將它送到需要去的地方，它就不會(huì)非常有效，”Behkam說(shuō)。“通過(guò)改善分娩，你可以提高療效。”

這項(xiàng)工作結(jié)合了機(jī)械工程，生物醫(yī)學(xué)工程，化學(xué)工程和獸醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，最近在Advanced Science中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

使用沙門(mén)氏菌是好的

人們已經(jīng)注意到，即使早在古埃及，如果患者也感染沙門(mén)氏菌等感染，癌癥就會(huì)緩解。兩者都不理想，但人類可以比癌癥更有效地治療沙門(mén)氏菌感染。

在現(xiàn)代，艾倫說(shuō)，感染癌癥的想法可追溯到19世紀(jì)后期，并已演變成免疫療法，醫(yī)生試圖激活免疫系統(tǒng)攻擊癌細(xì)胞。

當(dāng)然，沙門(mén)氏菌對(duì)人類有害，但理論上弱化的病毒可以提供免疫療法的好處，而不會(huì)產(chǎn)生沙門(mén)氏菌感染的有害影響。該概念類似于人類在疫苗中接受弱化的流感病毒以建立免疫力。

六年多以前，Behkam提出了增加細(xì)菌免疫療法的想法，也用傳統(tǒng)的抗癌藥物來(lái)攻擊癌癥。問(wèn)題是被動(dòng)遞送的抗癌藥物效果不佳。

鑒于她在生物混合微機(jī)器人方面的背景，她希望使用沙門(mén)氏菌作為自動(dòng)載體將納米顆粒形式的藥物直接運(yùn)送到癌癥部位。

這項(xiàng)工作始于Behkam的第一位博士生Mahama Aziz Traore，他們通過(guò)將數(shù)十個(gè)聚苯乙烯納米粒子組裝到大腸桿菌上來(lái)構(gòu)建第一代NanoBEADS。在對(duì)NanoBEADS系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和控制方面進(jìn)行了幾年的深入研究后，Behkam將Davis帶入了該項(xiàng)目，因?yàn)樗袆?chuàng)建聚合物納米顆粒用于藥物輸送的經(jīng)驗(yàn)。

“她提到了這種提供藥物和納米粒子的完全不同的方法，”戴維斯說(shuō)。“我離開(kāi)了談話，思考著，'伙計(jì)，如果這件事可行，那就太棒了。'”

Behkam選擇了這種特殊的細(xì)菌菌株Salmonella enterica serovar Typhimurium VNP20009，因?yàn)樗呀?jīng)在一期臨床試驗(yàn)中進(jìn)行了徹底的研究和成功測(cè)試。

“它(沙門(mén)氏菌)作為病原體的工作是穿透組織，”Behkam說(shuō)。“我們的想法是，如果細(xì)菌在組織中移動(dòng)得如此擅長(zhǎng)，那么如何將納米醫(yī)學(xué)與細(xì)菌結(jié)合起來(lái)，將藥物傳遞得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它自身被動(dòng)擴(kuò)散的范圍?”

圖解視頻顯示納米粒子如何附著在沙門(mén)氏菌細(xì)菌上，這些細(xì)胞在細(xì)胞之間移動(dòng)以到達(dá)腫瘤

圖解元素的描述：納米BEADS試劑通過(guò)將聚(乳酸→羥基乙醇酸)納米顆粒與靶向鼠傷寒沙門(mén)氏菌的腫瘤?結(jié)合而構(gòu)建。納米BEADS通過(guò)細(xì)胞間(細(xì)胞間)自我復(fù)制和易位，增強(qiáng)納米顆粒在實(shí)體瘤中的保留和分布達(dá)到顯著的~100倍。這種運(yùn)輸增強(qiáng)是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需任何外部施加的驅(qū)動(dòng)力或控制輸入。

試錯(cuò)

盡管Behkam對(duì)新藥物輸送系統(tǒng)有一個(gè)愿景，但它需要幾年才能成為現(xiàn)實(shí)。

“制造納米顆粒然后以強(qiáng)大且可重復(fù)的方式將它們附著到細(xì)菌上的過(guò)程具有挑戰(zhàn)性，但最重要的是確保細(xì)菌保持活力，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在癌組織中的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，并設(shè)計(jì)定量描述細(xì)菌的方法。 NanoBEADS的有效性，這是一個(gè)艱難的項(xiàng)目，“戴維斯說(shuō)。

SeungBeum Suh，Behkam的前博士 學(xué)生，艾米喬，戴維斯的前博士。學(xué)生，在保持細(xì)菌存活的同時(shí)，共同研究納米顆粒。直到第四次嘗試，他們才開(kāi)始尋找成功。

“我們合作制造這些顆粒，并將它們附著在細(xì)菌上，”Behkam說(shuō)。“那么問(wèn)題是它們?cè)谀[瘤中易位的機(jī)制是什么?它們進(jìn)入腫瘤的程度有多遠(yuǎn)?我們?nèi)绾螌?duì)它們的表現(xiàn)進(jìn)行定量測(cè)量?”

Behkam和Suh以及現(xiàn)任博士生Ying Zhan在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的腫瘤中測(cè)試了納米顆粒附著的沙門(mén)氏菌。與被動(dòng)擴(kuò)散納米粒子相比，使用NanoBEADS平臺(tái)，他們發(fā)現(xiàn)納米粒子滲透和分布的改善高達(dá)80倍。

此外，Suh和Behkam發(fā)現(xiàn)NanoBEADS通過(guò)轉(zhuǎn)移通過(guò)癌細(xì)胞之間的空間而在很大程度上穿透腫瘤。

Behkam希望在體外階段加強(qiáng)NanoBEADS結(jié)果。隨著一所頂級(jí)獸醫(yī)學(xué)校的到來(lái)，她邀請(qǐng)她的其他信息系統(tǒng)教員艾倫在體內(nèi)測(cè)試NanoBEADS系統(tǒng)。對(duì)小鼠乳腺癌腫瘤的測(cè)試產(chǎn)生的結(jié)果顯示與被動(dòng)遞送相比顯著改善。

測(cè)試表明，與肝臟相比，腫瘤中的沙門(mén)氏菌細(xì)胞多出1,000倍，而脾臟則高出10,000倍。

“最值得注意的是，沙門(mén)氏菌本身有助于將腫瘤中的顆粒保持在100倍以上，這表明它將是一種有效的運(yùn)載工具，”艾倫說(shuō)。

該研究的下一步是將癌癥治療劑加載到NanoBEADS系統(tǒng)中，以測(cè)試潛在的功效增強(qiáng)。

從長(zhǎng)凳到狗窩到床邊

該合作通過(guò)信息產(chǎn)業(yè)部和弗吉尼亞理工大學(xué)強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科研究的多樣性。

“各種專業(yè)知識(shí)的協(xié)同整合對(duì)于這項(xiàng)工作產(chǎn)生的高影響力發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，”Behkam說(shuō)。

隨著弗吉尼亞理工學(xué)院Carilion醫(yī)學(xué)院和VTC的Fralin生物醫(yī)學(xué)研究所的加入，艾倫說(shuō)弗吉尼亞理工大學(xué)有可能測(cè)試“從工作臺(tái)到狗窩到床邊”的科學(xué)研究。

艾倫說(shuō)：“如果沒(méi)有這三個(gè)部分中的每個(gè)部分，項(xiàng)目都無(wú)法向前發(fā)展。” “如果沒(méi)有化學(xué)，病原體的背景，想法，并且在實(shí)際的動(dòng)物模型中測(cè)試它在實(shí)際腫瘤中的生理和臨床相關(guān)性，這項(xiàng)研究就不會(huì)進(jìn)入如此高影響力的期刊。”

戴維斯表示，所有藥物輸送機(jī)制都必須通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)，因此在校園里擁有一個(gè)“絕對(duì)精彩”的獸醫(yī)學(xué)院，將研究提升到了更高的水平。

戴維斯說(shuō)：“吸引我參與這個(gè)項(xiàng)目的一件事就是能夠與Bahareh和Coy一起工作，他們與細(xì)胞和動(dòng)物研究人員合作，真正翻譯工作。” “在很多學(xué)校里很難找到那些人。”