Tümörde heterojen EPR | Doğa Portföyü Biyomühendislik Topluluğu

1986’da gelişmiş geçirgenlik ve tutma (EPR) fenomeninin keşfinden bu yana1, nanomedicines tasarımı için ilke olarak kabul edilmiştir. PEGile edilmiş lipozomal doksorubisin olan Doxil, 1995 yılında FDA tarafından onaylanan ve sistemik dolaşım süresinin uzamasının EPR bazlı tümör birikimini arttırdığı konseptini onaylayan ilk nanotıptı. On yıl sonra, Abraxane adlı albümine bağlı bir paklitaksel, klinikte metastatik meme kanseri için kullanıldı ve onayı, aktif hedefleme stratejilerinin EPR tabanlı nanotıp dağıtımını geliştirdiği kavramını doğruladı. Bununla birlikte, bu FDA onaylı nanoilaçların birincil avantajı, kardiyotoksisite gibi azaltılmış yan etkilerdi, terapötik etkinlik hala tatmin edici değildi. EPR etkisine dayalı olarak nanomedicinlerin terapötik etkinliğini artırmak için birçok strateji denenmiştir. Nanoilaçların hayvan modellerinde kanser tedavisi için başarılı bir şekilde uygulanmasına rağmen, nanotıpların klinik sonuçları hala beklentilerin çok altındaydı. Son zamanlarda Chan’ın grubu, nanopartiküllerin %97’ye varan oranda tümörlere EPR etkisi yerine aktif bir trans-endotelyal taşıma mekanizması yoluyla girdiğini gösterdi.2. Sonuç, nanotıp dağıtımı için iyi kabul edilen mekanizma ile tartışmalı olsa da, araştırmacıları klinik tedavide nanomedicinlerin başarısızlığının nedenlerini kullanmaya yönlendirdi. Tümör tipleri, evreleri ve boyutları gibi tümörün yüksek heterojenliği, nanomedikallerin klinik deneylerindeki zayıf dağıtım etkinliğinin ve başarısızlığının potansiyel nedeni olarak kabul edilmiştir. Bununla birlikte, bunlar belirsizliğini koruyan birkaç konu: i) Vasküler geçirgenliğin heterojenliği kantitatif olarak nasıl analiz edilir? ii) Tümörlere nanoparçacık girişinin heterojenliğinin mekanizması nedir? iii) Vasküler geçirgenliklerini modüle etmek için nanoparçacıkların rasyonel tasarımı nasıl yapılır? Nature Nanotechnology’nin bu sayısında, vasküler geçirgenliğin heterojenliğinin potansiyel mekanizmasını göstermek için, protein tabanlı nanoproblar ve Nano-ISML adlı görüntü segmentasyonu tabanlı ML teknolojisi temelinde tek damarlı bir analiz yaklaşımı tanımladık.

Homojen boyutundan dolayı model nanopartiküller olarak genetik olarak rekombinant insan ferritin nanokafeslerini (FTn) seçtik. Da gösterildiği gibi Şekil 1a, tümör taşıyan farelere iv uygulandıktan sonra, Cy5 etiketli FTn’nin ayrı damarlardaki vasküler geçirgenliği, vasküler geçirgenliğin heterojenliğini göstermek için güçlü bir manipülasyon sağlayabilen makine öğrenimi (ML) tabanlı görüntü segmentasyonu ile analiz edildi. Nano-ISML’yi kullanarak, önce görüntülerden dört özellik çıkardık, her gemi için toplam FTn kapsama alanı (Aeflatun), her geminin kapsama alanı (Ayeşil), her damar için toplam Cy5 floresan yoğunluğu (Feflatun) ve her damar lümenindeki Cy5 floresan yoğunluğu (BENeflatun). Dört özelliğe dayalı olarak, tek damarlı kantitatif analiz için dokuz endeks tanımlanmıştır. 32 tip tümör modelinden 67.000’den fazla ayrı damarı analiz ettikten sonra, dokuz indeks normalleştirildi ve ısı haritası olarak gösterildi ve sonuçlar, farklı tümör modeli tiplerinde kan damarı geçirgenliğinin oldukça heterojen olduğunu ve en yüksek damar FTn penetrasyon alanı oranının ( PR), en düşük damar PR’sinden (Şekil 1b). Temsili bireysel gemiler ve bunlara karşılık gelen FTn penetrasyonu, Şekil 1c.

Ayrıca Zombie modelini kullandık (Şekil 2a) ve TEM görüntüleri (Şekil 2b) farklı tümör tiplerinde pasif ekstravazasyonun (EPR etkisi) ve aktif trans-endotelyal taşınımın (transsitoz) katkısının boyutunu değerlendirerek FTn’nin penetrasyon mekanizmasını araştırmak. Sonuçlar, yüksek geçirgenliğe sahip (HP)-tümörlerde FTn penetrasyonunun esas olarak inter-endotelyal boşluklar ve vezikülo-vakuolar organel (VVO) yoluyla pasif ekstravazasyona bağlı olduğunu, oysa esas olarak pinositoz ile aktif trans-endotelyal taşınımın öncü bir rol oynadığını ima etti. düşük geçirgen (LP)-tümörler (Şekil 2c).

Ayrıca, FTn’nin LP tümörlerinde ilaç verme etkinliğini vasküler geçirgenliği modüle ederek geliştirmek için, lizozom yakalamasını azaltarak aktif trans-endotelyal taşımayı iyileştirmek için FTn’yi genetik olarak değiştirdik. Bir endozomolitik (H2e)9 peptit kaynaşmış FTn ve insan serum albümini (HSA) bağlı FTn genetik olarak tasarlanmıştır (Şekil 3a). Ardından, FTn ve varyantlarının vasküler geçirgenliği, Nano-ISML kullanılarak HP tümörlerinde ve LP tümörlerinde kantitatif olarak değerlendirildi. FTn varyantlarının vasküler geçirgenliği, LP tümörlerinde önemli ölçüde iyileşirken, HP tümörlerinde iyileşmedi. Son olarak, in vivo anti-tümör etkinliği, FTn ve varyantlarının boşluğuna bir kemoterapötik ilaç olan doksorubisin (Dox) yüklenerek değerlendirildi. Beklendiği gibi, FTn varyantları, LP tümörlerinde sinerjistik bir terapötik etki gösterdi (Şekil 3b). Bu sonuçlar, LP tümörlerinde nanoparçacıkların vasküler geçirgenliğinin iyileştirilmesinin terapötik sonuçlarla ilişkili olduğunu ortaya koydu.

Burada, vasküler geçirgenliği kantitatif olarak değerlendirebilen ve vasküler geçirgenliğin farklı tümör tipleri arasında oldukça heterojen olduğunu ve nanopartiküllerin vasküler geçirgenliğinin trans-endotelyal taşımayı iyileştirerek modüle edilebileceğini gösteren ML tabanlı tek damar analiz yöntemi oluşturduk. bu, tümör penetrasyonunu ve LP-tümörlerin ilaç dağıtım etkinliğini arttırmak için ideal bir tasarım ilkesidir. Bu yenilikçi Nano-ISML teknolojisi, vasküler biyolojinin gelişimini ilerletecek ve vasküler biyolojinin moleküler mekanizması, ilaç taraması, ilaç dağıtımı, nanotıp tasarımı vb. gibi temel araştırmalardan uygulamalı araştırmalara kadar genişletilebilir. Bu çalışmada ortaya çıkarılan nanotıp, yeni nesil kişiselleştirilmiş nanotıp için teorik temel ve tasarım ilkeleri sağlayacaktır. Nanoteknoloji, yapay zeka ve sentetik biyolojiyi derinden bütünleştiren bu çalışma, aynı zamanda disiplinler arası temel bilimsel soruları çözmek için yeni bir paradigma sağlıyor.

Referanslar

  1. Matsumura, Y. & Maeda, H. Kanser kemoterapisinde makromoleküler terapötikler için yeni bir konsept: proteinlerin tümöritropik birikim mekanizması ve antitümör ajan smancs. kanser tedavisi 466387-6392 (1986).
  2. Sindhwani, S. et al. Nanopartiküllerin katı tümörlere girişi. Nat Mater 19566-575 (2020).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir