目前，膠質母細胞瘤很少有好的治療方案，這是一種死亡率很高的侵襲性腦癌類型。這種疾病如此難以治療的一個原因是，大多數化療藥物無法穿透環繞大腦的血管。麻省理工學院（MIT）的一個科學家團隊現在正在開發攜帶藥物的納米粒子，它似乎比單獨給葯更有效地進入大腦。科學家們利用他們設計的一個精確複製血腦屏障的人體組織模型，表明這些顆粒能夠進入腫瘤並殺死膠質母細胞瘤細胞。
過去，許多潛在的膠質母細胞瘤治療方法在動物模型中顯示出成功，但隨後在臨床試驗中卻以失敗告終。麻省理工學院科赫綜合癌症研究所的查爾斯-W.和詹妮弗-C.約翰遜臨床研究員、哈佛醫學院的一名講師和丹娜法伯癌症研究所的一名兒童腫瘤學家Joelle Straehla說，這表明需要一種更好的模型。
她說：“我們希望通過在一個更現實的模型中測試這些納米粒子，我們可以減少大量的時間和精力，這些時間和精力被浪費在嘗試那些不起作用的東西上。不幸的是，對於這種類型的腦瘤，已經有數百次試驗取得了負面的結果。”
Straehla和Dana-Farber的博士后Cynthia Hajal 是這項研究的主要作者，該研究於2022年6月1日發表在《美國國家科學院院刊》上。麻省理工學院研究所教授、化學工程系主任、科赫研究所成員Paula Hammond；以及生物和機械工程系Cecil and Ida Green傑出教授Roger Kamm是該論文的資深作者。
對血腦屏障進行建模
幾年前， Kamm的實驗室開始研究大腦和構成血腦屏障的血管的微流體模型。
由於大腦是一個重要的器官，大腦周圍的血管比身體的其他血管更有限制性，以阻止潛在的有害分子。為了在一個組織模型中模擬這種結構，研究人員在一個微流控設備中培養了病人來源的膠質母細胞瘤細胞。然後，他們使用人類內皮細胞在腫瘤細胞球周圍的小管中生長血管。該模型還包括周細胞和星形膠質細胞，這兩種細胞類型參與了跨越血腦屏障的分子運輸。
當Hajal作為Kamm實驗室的研究生研究這個模型時，她與Straehla取得了聯繫，Straehla當時是Hammond實驗室的博士后，他對尋找新的方法來模擬納米顆粒藥物輸送到大腦感興趣。讓藥物穿過血腦屏障對於改善膠質母細胞瘤的治療至關重要，這種疾病通常是通過手術、放射和口服化療替莫唑胺的組合進行治療。這種疾病的五年生存率不到10%。
Hammond的實驗室開創了一種被稱為逐層組裝的技術，他們可以用這種技術創造出表面功能化的納米粒子，在其核心中攜帶藥物。研究人員為這項研究開發的粒子上塗有一種叫做AP2的肽，在以前的工作中，AP2已經被證明可以幫助納米粒子通過血腦屏障。然而，如果沒有準確的模型，就很難研究這些肽是如何幫助跨越血管和進入腫瘤細胞的運輸。
當研究人員將這些納米粒子輸送到膠質母細胞瘤和健康腦組織的模型中時，他們發現塗有AP2肽的粒子在穿透腫瘤周圍的血管時表現得更好。他們還表明，運輸的發生是由於結合了一種叫做LRP1的受體，這種受體在腫瘤附近比在正常腦血管中更豐富。
研究人員隨後將順鉑（一種常用的化療藥物）填充到這些粒子中。當這些粒子上塗有靶向肽時，它們能夠有效地殺死組織模型中的膠質母細胞瘤腫瘤細胞。然而，沒有肽的粒子最終損害了健康血管，而不是針對腫瘤。
“我們看到，與裸納米粒子或自由藥物相比，用肽塗層納米粒子處理的腫瘤中的細胞死亡增加。”Hajal說：“這些塗層顆粒顯示了殺死腫瘤的更多特異性，而不是以非特異性的方式殺死一切。”
研究人員隨後嘗試向小鼠提供納米粒子，使用專門的外科顯微鏡跟蹤納米粒子在大腦中的移動。他們發現，這些顆粒穿越血腦屏障的能力與他們在人體組織模型中看到的非常相似。
他們還表明，攜帶順鉑的塗層納米粒子可以減緩小鼠的腫瘤生長，但其效果並不像他們在組織模型中看到的那樣強烈。研究人員說，這可能是因為腫瘤處於更晚的階段。他們現在希望測試由各種納米粒子攜帶的其他藥物，看看哪種藥物可能具有最大的效果。他們還計劃用他們的方法來模擬其他類型的腦瘤。
Straehla說：“這是一個我們可以用來設計更有效的納米粒子的模型。我們只測試了一種類型的腦瘤，但我們真的想擴大範圍，用很多其他的腦瘤進行測試，特別是那些難以研究的罕見腫瘤，因為可能沒有那麼多的樣本可用。”