in de zoektocht naar nieuwe methoden voor een vroegere diagnose en meer effectieve behandeling van kanker vormt de nanogeneeskunde een belangrijk nieuw onderzoeksdomein. nanogeneeskunde wil de nanotechnologie inschakelen om medische diagnoses en behandelingen te verbeteren. hierbij spelen magnetische nanopartikels en magnetothermie een belangrijke rol. al zal het nog een hele tijd duren voor ze in ziekenhuizen worden ingezet om kankerpatiënten te helpen.
Kanker genezen met magnetische nanopartikels?
Binnen de wetenschap was nanotechnologie lange tijd een hype. Langzaamaan echter vinden vele afgeleide producten hun weg naar de markt, vaak in onverwachte toepassingen. Kenmerkend voor nanopartikels (partikels met een dimensie kleiner dan 100 nm) is dat ze andere eigenschappen vertonen dan het materiaal waaruit ze gemaakt zijn. Magnetische nanopartikels bijvoorbeeld gedragen zich niet meer als magneten maar als superparamagneten, die hun magnetische eigenschappen bij lage magneetvelden verliezen door thermische schommelingen.
Het nieuwe veld van de magnetothermie onderzoekt de zeer lokale thermische behandeling van tumoren op basis van het opwarmen van magnetische partikels
Hoewel een ijzervloeistof bestaande uit nanopartikels van ijzeroxide gewoon commercieel kan worden aangekocht, is het niet mogelijk om die zonder meer voor kankertoepassingen te gebruiken. Een nieuwe toepassing stelt immers ook nieuwe eisen aan de fysicochemische eigenschappen van de magnetische partikels. Voor beeldvorming bijvoorbeeld moeten de partikels een zeer hoog beeldcontrast genereren, zodat zij de kankercellen zichtbaar maken ten opzichte van het omhullende weefsel. Voor opwarmingseffecten zoals magnetothermie worden partikels gebruikt die een hoge efficiëntie vertonen bij magnetische warmte-inductie op een bepaalde frequentie. Bij zogenaamde ‘cell targeting’-toepassingen moeten de partikels effectief de doelcellen – in dit geval de kankercellen – bereiken. Dit kan ofwel door binding aan externe receptoren op het celmembraan, ofwel door opname door de doelcellen. De commercieel beschikbare partikels zijn niet geoptimaliseerd voor een bepaalde toepassing en een blind gebruik zou een zeer slecht resultaat opleveren.
Het succes van magnetische partikels in biomedische toepassingen heeft niet alleen te maken met hun magnetische eigenschappen maar ook met hun mogelijke toxiciteit. Het ijzeroxide dat gebruikt wordt in de magnetische kern van het partikel, is veel minder toxisch dan andere contraststoffen, zoals bijvoorbeeld quantum dots en radioactieve contraststoffen. Naast de kern is de omhullende laag of coating ook zeer belangrijk bij het bepalen van de toxiciteit. Die is nodig om een partikel chemisch te stabiliseren in een waterige oplossing en ervoor te zorgen dat de partikels niet samenklonteren. De coating zal bepalen hoe een partikel reageert op zijn omgeving, en of het dispergeerbaar is in een biologische vloeistof. Hij zorgt er ook voor dat atomen van de kern niet weglekken in de omgeving. Daarnaast speelt de omhullende coating ook een belangrijke rol bij de opname van partikels door cellen: het is immers de interactie met de cellen die de toxiciteit zal bepalen. Coatings worden doorgaans aangebracht door de toevoeging van een ligand (bijvoorbeeld de biocompatibele lipidenlagen die ‘liposomen’ vormen rond het bestaande partikel) of door uitwisseling van liganden (in plaats van bestaande moleculen op het partikel).
Die coatings kunnen echter nog krachtiger worden gemaakt. Zo kunnen ze zelf kleine moleculen met therapeutische werking bevatten. Ook kan de coating worden gemodificeerd met liganden, vaak antilichamen, die ervoor moeten zorgen dat de partikels zich binden aan receptoren op het celmembraan of op interne celstructuren. Het partikel wordt bijgevolg ook een transportvehikel dat medicijnen aflevert op de plaats waar ze nodig zijn. Actieve targeting is het proces waarbij het partikel zijn doelcel vindt op basis van de liganden die aan het partikel worden toegevoegd. Dit werkt al bij in-vitroweefselstudies waar partikels alleen koppelen aan de tumorcellen. In reële in-vivomodellen zou het moeten leiden tot een meer effectieve therapie, omdat een kleinere concentratie kan worden toegediend die uit zichzelf de weg vindt naar de zieke cellen en gezonde cellen links laat liggen.
In het onderzoek naar de diagnose en de behandeling van kanker wordt nu met deze partikels op verschillende manieren geëxperimenteerd. Een eerste experimentele toepassing is in de diagnose met beeldvorming. Elk klinisch onderzoekscentrum beschikt vandaag over verschillende beeldvormingsmodaliteiten. De verschillende technieken genereren meestal overlappende en complementaire informatie. Het selecteren van de meest geschikte methode hangt af van de diagnostische vraagstelling, de ruimtelijke en tijdsresolutie, de gevoeligheid en specificiteit, de toegelaten straling, of het volume en de diepte van de penetratie van de straling. MR-beeldvorming is interessant omwille van haar multidimensionale tomografische mogelijkheden gecombineerd met de hoge ruimtelijke resolutie van 25-100 um. Magnetische resonantie wordt daarom meestal gebruikt in hooggespecialiseerde radiologieafdelingen voor hoge kwaliteitsbeelden van het menselijk lichaam. Ook voor kanker is het vaak de ultieme keuze om het bestaan van een tumor te bevestigen.
Het fysische principe bij MR is als volgt. Na excitatie door een radiofrequentiepuls zullen de protonen beginnen tollen en relaxeren in de richting van het magnetische veld. De snelheid van die relaxatie hangt sterk af van het lokale magnetische veld dat het proton voelt. Bijgevolg geven verschillende weefsels aanleiding tot verschillende relaxatiesnelheden, en dat geeft het contrast in het MR-beeld. De gevoeligheid van MR en het contrast tussen verschillende weefsels zijn vandaag echter het zwakke punt. Daarom werden verschillende contraststoffen ontwikkeld die bepaalde weefsels, zoals die van kanker, kunnen benadrukken. In het verleden werden vaak paramagnetische stoffen gebruikt, zoals gadoliniumderivaten. Meer recent werd ook superparamagnetisch ijzeroxide gebruikt. Desondanks is er slechts een beperkte commerciële beschikbaarheid van deze nanopartikels, meestal voor klinisch onderzoek. Slechts een handvol onderzoekers heeft de goedkeuring van regulatoren zoals de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) voor het gebruik als diagnostische contraststof, en dan alleen voor zeer specifieke humane beeldvormingstoepassingen, zoals Resovist en Feridex. De markt is echter nog erg jong en wellicht komen er in de toekomst meer dergelijke goedgekeurde stoffen op de markt.
De perfecte therapie zou zeer lokaal moeten werken en alle kankercellen doden zonder ander weefsel te beschadigen
Een tweede groep experimentele toepassingen ligt in de behandeling van kanker. Kanker wordt vaak behandeld via bestraling van grote delen van het lichaam om de kankercellen te doden, of via systemische chemotherapie. In vele gevallen zijn die therapieën succesvol, maar zijn er ook de typische ongewenste neveneffecten. De perfecte therapie zou zeer lokaal moeten werken en alle kankercellen doden, zonder ander weefsel te beschadigen. Dat is precies de bedoeling van magnetische hyperthermie. Nanopartikels worden zo gecoat dat zij specifiek het kankerweefsel als target hebben. Ze worden bovendien zo ontworpen dat ze heel efficiënt energie in warmte omzetten. Ze vormen dan lokale hittebronnen die de cellen in hun onmiddellijke omgeving opwarmen, zodat die afsterven. In het geval van magnetische hyperthermie wordt een wisselend magnetisch veld gebruikt om met partikels geladen kankerweefsel op te warmen. Je kunt het toestel vergelijken met een inductieve kookplaat, die eveneens een hoog frequent magneetveld gebruikt om magnetisch materiaal (in de bodem van de kookpot) op te warmen.
De praktische toepassing van dit idee werd tot nu toe vooral gehinderd door weinig efficiënte warmteconversie. Zeer recent werd voor het eerst een aanvraag gedaan bij de FDA voor het gebruik van deze partikels voor therapeutische doeleinden. (Die is nodig om aanvaard te worden als therapie door kankerspecialisten). De aanvraag gebeurde door het Duitse bedrijf Magforce, na een aantal succesvolle magnetische hyperthermiestudies (in combinatie met radiotherapie) bij patiënten met recurrente glioblastoma. De technologie is echter nog steeds in volle evolutie en betere partikels worden verkregen door te spelen met de condities van de synthesereactie. In een recent artikel in Nature Nanotechnology tonen onderzoekers hoe de warmteconversie sterk kan worden verbeterd via een meerstappenproces waarbij magnetische ‘zaadjes’ worden toegevoegd aan het reactiemengsel, om op een gecontroleerde wijze een tweede magnetisch zachtere laag rond de harde magnetische kern te laten groeien. Door de partikels direct te injecteren in een xenograft (of artificieel ingeplante tumor) in een muis, tonen ze aan dat de therapeutische efficiëntie beter is dan die van een vaak gebruikt kankermedicijn. Toch zijn er nog verdergaande studies nodig om het potentieel van hyperthermie gebaseerd op nanopartikels te bewijzen en de medische wereld te overtuigen. De moeilijkste uitdaging werd bovendien nog niet aangegaan. Het is namelijk zeer belangrijk om de nanopartikels te richten op de kankercellen, zodat zo weinig mogelijk gezond weefsel wordt geraakt. Het toevoegen van liganden zoals peptides of antilichamen aan de coating van de nanopartikels laat toe direct en specifiek te binden aan de oppervlaktereceptoren van de tumorcellen en zo de warmteoverdracht van partikels naar cellen te verbeteren.
De eerste humane klinische proef op basis van thermotherapie na directe injectie van magnetische nanopartikels in recurrent maligne hersentumoren heeft voor het eerst aangetoond dat dit veilig en effectief kan gebeuren bij menselijke patiënten. Dat is een enorme mijlpaal voor de nanogeneeskunde. Latere studies zullen toelaten die therapie verder te ontwikkelen voor het verbeteren van de partikeleigenschappen en belangrijker nog, ze zullen ertoe bijdragen de impact op de behandeling van hersentumoren volledig te begrijpen en zo ook de weg te effenen voor de behandeling van andere kankers. De warmteconversie van elektromagnetische energie door magnetische nanopartikels heeft nog veel meer biotechnologische en therapeutische mogelijkheden. Zo kan de warmte ook worden gebruikt om bepaalde chemische reacties in gang te zetten en op die manier het therapeutische effect te versterken, bijvoorbeeld via warmtegeïnduceerde vrijzetting van geneesmiddelen of ‘remote control’ van celfuncties. Dit is voorlopig nog toekomstmuziek, maar de wetenschappers experimenteren voort.
Regeneratieve geneeskunde is een ander veelbelovend veld dat een alternatief wil bieden voor de behandeling en genezing van ziektes, zoals hartziektes, hartaanvallen, kanker, neurodegeneratieve ziektes en diabetes. Deze richting heeft een enorm momentum gekregen door de ontdekking van stamcellen, die dankzij hun differentiatiecapaciteiten gebruikt kunnen worden om beschadigde weefsels te regenereren. Dergelijke celgebaseerde therapieën hebben nog meer aandacht gekregen door de ontdekking van de ‘induced pluripotent stem cells’, waarbij normale somatische cellen stamcelcapaciteiten kunnen krijgen. Op die manier worden immers ethische bezwaren weerlegd in verband met het gebruik van embryonale stamcellen en het opschalen van de productie ervan.
Bijgevolg worden nu dagelijks nieuwe cytotherapeutica ontwikkeld. De behandeling van kanker is een belangrijk toepassingsdomein. Zo is al aangetoond dat stamcellen kunnen migreren naar en binnen hersentumoren zoals glioma’s en zelfs in staat zijn om de tumorsatellieten vanzelf te vinden. De cellen kunnen dus ook worden gebruikt als ‘targeting agents’ om geneesmiddelen te transporteren. Een belangrijk probleem bij het ontwikkelen van al die mogelijkheden van cytotherapeutica is het interpreteren van alle effecten van die therapieën. Waar gaan de stamcellen naartoe na injectie? Alleen naar de tumor? Blijven ze daar, en voor hoe lang? Niet-invasieve beeldvorming is noodzakelijk om de eerste preklinische onderzoeksresultaten om te zetten in klinisch relevante behandelingsopties. In dit veld waar we objecten die zo klein zijn als een toegediende cel willen volgen, is MR-beeldvorming de krachtigste in-vivo-imagingtechniek.
Zoals reeds opgemerkt is MR echter niet zo gevoelig – en zeker niet gevoelig genoeg – om individuele cellen te zien. De stamcellen moeten dus eerst gelabeld worden met magnetische partikels vooraleer ze worden geïmplanteerd. Hierbij moeten nanopartikels worden geoptimaliseerd voor uniforme en voldoende hoge opname in de cellen, voor een maximaal signaal per cel, en moet het signaal stabiel en langdurig zijn zodat de cellen over verschillende dagen en weken na implantatie kunnen worden gevolgd. Betere nanopartikels verkrijgt men bijvoorbeeld door het vergroten van de ijzeroxidekern, of door dotering met andere elementen zoals Mn2+ of Zn2+ . Zulke geoptimaliseerde contraststoffen laten toe stamcellen te volgen na toediening en kunnen het succes (maar ook de mogelijke neveneffecten) van de therapeutische cellen veel sneller blootleggen. Ze vormen dus een sleutel op de toekomst van de regeneratieve geneeskunde.
Dit zijn enkele veelbelovende trends in het gebruik van magnetische nanopartikels voor kankerdiagnostiek en -therapie. Het mechanisme van MR-contrast en warmtegeneratie met behulp van magnetische partikels is echter veel complexer dan men kon vermoeden. Zo kan de accumulatie van de partikels in de celstructuur of op het celmembraan leiden tot klontering van partikels, zodat de voorspelde waarden voor relaxatie (contrast) niet uitkomen. Ook als partikels vastzitten op een celmembraan zal de opwarming anders verlopen, omdat hun brownse bewegingen beperkt worden en omdat zij in direct contact staan met de op te warmen cel. Hoewel er al veel onderzoek is gebeurd naar nanopartikels, moet men zoveel mogelijk het hele biologische systeem karakteriseren en niet alleen de partikels.
De meeste fysicochemische onderzoekers beschouwen de directe injectie van nanopartikels in muistumoren als het eindpunt van hun verhaal, maar in feite is dit nog maar het begin. Dit modelsysteem is immers het meest eenvoudige biologische systeem, dat de complexiteit van een reële kankerpatiënt verre van benadert. Nanopartikels hebben bovendien nog zeer vele biofunctionalisatiemogelijkheden, door het koppelen van liganden aan het partikel die enerzijds de toxiciteit kunnen beïnvloeden, maar anderzijds ook gebruikt kunnen worden om betere targeting van tumoren te bekomen, bijkomende geneesmiddelen te vervoeren en zo de efficiëntie verder op te voeren. Het ultieme doel blijft om via actieve targeting partikels vanuit de bloedstroom ook onbekende ‘kankersites’ te laten vinden. Het realiseren van partikels met die ultieme eigenschappen kan alleen door zeer nauwe samenwerking van nanotechnologen en biomedische specialisten.
Het ultieme doel blijft om via actieve targeting partikels vanuit de bloedstroom ook onbekende ‘kankersites’ te laten vinden
Waar commerciële partikels vaak gefaald hebben, blijken partikels in experimentele academische settings wel resultaten te hebben geboekt. Zulke onderzoekspartikels zijn nuttig voor een eerste demonstratie van de mogelijkheden en om enthousiasme te creëren. Als men er echter een klinisch product wil van maken, zullen deze partikels op een extreem stabiele, betrouwbare en niet-toxische wijze moeten worden geproduceerd, waarbij de regulerende overheden meekijken over de schouders van de partikelproducenten. Bovendien zal een reeks klinische studies moeten aantonen dat ze hun therapeutische effect kunnen bereiken zonder neveneffecten, en dat kost enorm veel geld. Het zal nog wel een tijdje duren vooraleer nanopartikels in het ziekenhuis ingezet worden om kankerpatiënten te helpen. De indrukwekkende weg die al werd afgelegd door nanotechnologen verdient opvolging, waarbij ook de biomedische en farmaceutische sector kan helpen om de nanotechnologie matuur te laten worden.
Miriam Colombo, Susana Carregal-Romero, Maria F. Casula, Lucía Gutiérrez, María P. Morales, Ingrid B. Böhm, Johannes T. Heverhagen , Davide Prosperi and Wolfgang. J. Parak, ‘Biological applications of magnetic nanoparticles’ in: Chemical Society Reviews, 2012, 41 (11), 4306-4334.
Miroslaw Janowski, Jeff W.M. Bulte en Piotr Walczak, ‘Personalized nanomedicine advancements for stem cell tracking’, in: Advanced Drug Delivery Reviews, 2012, 64 (13), 1488–1507.
Daniel Bexell, Andreas Svensson, and Johan Bengzon, ‘Stem cell-based therapy for malignant glioma’, in: Cancer Treatment Reviews, 2013, 39 (4), 358–365.
Zhiliang Cheng, Ajlan Al Zaki, James Z. Hui, Vladimir R. Muzykantov, Andrew Tsourkas, ‘Multifunctional Nanoparticles: Cost Versus Benefit of Adding Targeting and Imaging’, in: Science, 2012, 338 (6109), 903-910.
Liesbet Lagae is als nanobiotechnoloog verbonden aan IMEC en KU Leuven.
Jesse Trekker is als nanobiotech ondernemer verbonden aan IMEC en KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License