Nanotekniken kan revolutionera behandlingen av cancer

Traditionell läkemedelsbehandling av cancer innebär oral eller intravenös tillförsel av en substans som dödar eller hämmar tumörvävnad. Det terapeutiska fönstret innebär att nå en tillräckligt hög koncentration i tumörvävnad utan att det uppstår farliga eller oacceptabla effekter i normala vävnader. Nobelpristagaren Paul Ehrlich, kemoterapins grundare, myntade begreppet »magisk kula«, som han hämtade från Carl Maria von Webers opera »Friskytten«, där den magiska kulan träffade endast det avsedda målet [1]. 

Kan tillverkade nanopartiklar vara de magiska kulorna i framtidens terapi? Vi beskriver här olika material och metoder och ger exempel på användningar.

Inkapslade celler – lovande resultat men svår process

Konceptet att använda inkapslade terapeutiska verktyg för mer riktad behandling skapades för mer än 50 år sedan med tanken att använda inkapslade levande celler för medicinsk behandling [2]. Det började med insulinproducerande betaceller för att behandla diabetes [3]. Med åren har andra celltyper prövats vid dia­gnoser som hypoparatyreoidism [4] och Huntingtons sjukdom [5]. Inkapslingstekniken har stadigt förbättrats [6]. Cellinnehållande partiklar prövas också på solida tumörer. Dessa partiklar har oftast en diameter mellan 200 och 500 µm. Tekniken har prövats vid behandling av t ex pankreascancer. 

Ett aktuellt exempel är ifosfamid som är en så toxisk substans att den i praktiken knappast används vid cancerbehandling, framför allt inte hos äldre, på grund av allvarliga biverkningar. Ifosfamid är en prekursor som via ett särskilt P450-cytokromenzym i levern (CYP2B1) metaboliseras till en starkt tumör­toxisk metabolit. Allogena celler från en givare har genmodifierats för att överuttrycka CYP2B1. Sådana celler har kapslats in i partiklar av cellulosafosfat. Med angiografisk teknik har partiklarna injicerats i artärer till tumören [7, 8]. Parallellt gavs ifosfamid intravenöst i låg dos som passerade in via den porösa kapselväggen och konverterades av CYP2B1 från cellerna och frigjordes i tumören [9]. 

Trots lovande resultat har det inte varit möjligt att få processen att kapsla in celler att leva upp till regulatoriska krav från myndigheterna. 

Material i nanostorlek får nya egenskaper

Material i nanostorlek får helt andra egenskaper än i större dimensioner. Det är dessa annorlunda egenskaper som är grunden till nanoteknikens möjligheter att revolutionera diagnostik och behandling. Men samma mekanismer som medför terapeutisk nytta kan också leda till oväntade biverkningar. Det är en stor utmaning i utvecklingsarbetet.

Nanoskalan innebär storlekar <900 nanometer (nm), och partiklar <100 nm definieras i EU som nano­partiklar [10]. Men funktionalitet är inte strikt knuten till storleksnivån <100 nm. Nanopartiklar kan ha samma storlek som cellers organeller, receptorer och kanaler. Små nanopartiklar kan passera biologiska barriärer och cellmembran in i cellkärnor [11]. Nanopartiklars funktioner är extremt varierande beroende på t ex vad de är tillverkade av, deras form, storlek, ytladdning och löslighet. Nanopartiklar kan tillverkas av metaller, metallsalter, organiska eller sammansatta material. Den vanligaste formen är sfärisk. 

Ett illustrativt exempel på hur nanoformatet ändrar egenskaper är guld, som i sin vanliga form är en inert metall. I nanoformat är den dock reaktiv och potentiellt möjlig att använda i målstyrd läkemedelsbehandling [12].

Med nanoteknik öppnar sig flera möjligheter att lösa stora problem med läkemedelsbehandling:  

• stabilisera och kontrollera frisättning av stora peptider och proteiner som används i biologiska läkemedel
• öka biotillgängligheten av svårlösliga substanser
• minska biverkningar och målstyra cancermediciner i optimala mängder till tumörvävnad. 

Nanotekniken ger cancerterapin särskild fördel

Just cancerterapi med starkt toxiska läkemedel har dragit särskild nytta av nanoteknikens fördelar. I denna artikel illustrerar vi utvecklingen av nanoläkemedel med exempel från onkologin, särskilt behandling av pankreascancer. 

I Fakta 1 beskrivs principer för hur nanopartiklar kan användas för målsökande behandling med toxiska läkemedel. 

Liposomer används ofta, och för att förhindra att de tas upp i blodbanan med fagocytos kan de pegyleras, vilket beskrivs som »smygteknik« (Fakta 1). Liposomer i nanoskala medför 

• förlångsammad elimination från blodbanan
• lägre maximal plasmakoncentration, vilket reducerar biverkningar
• ökat upptag av läkemedlet i tumörvävnaden. 

Den sistnämnda effekten beror på att kärlnybildningen i tumörvävnad leder till defekta, mycket tunnväggiga vida kapillärer som är lätt genomträngliga för nanopartiklar, vilka sedan avger läkemedel i målvävnaden (den s k EPR-effekten [enhanced permeability and retention]) (Fakta 1) [13].

I Tabell 1 beskrivs godkända läkemedel som baseras på nanoteknik och som finns tillgängliga i Sverige. För mindre toxiska läkemedel kan andra nanotekniker användas för att få svårlösliga substanser användbara för peroralt bruk. Genom att framställa nanokristaller med mycket liten diameter ökar substansens löslighet och biotillgänglighet. Exempel på sådana läkemedel är aprepitant och sirolimus för att förhindra illamående respektive avstötning efter transplantation (Tabell 1). 

Caelyx, som innehåller doxorubicin och används mot bl a metastaserande bröstcancer, godkändes redan för 20 år sedan av den amerikanska läkemedels­myndigheten Food and Drug Administration (FDA). Principen baseras här på en liposomal partikel som rymmer optimal mängd läkemedel samtidigt som den är tillräckligt liten för att utnyttja EPR-effekten [14]. Partikelns lipidvägg har en komposition som medger att doxorubicin i hög grad släpps ut i tumörvävnaden.

Intensiv utveckling för behandling av pankreascancer

Cancer i bukspottkörteln diagnostiseras oftast sent i förloppet, har mycket dålig prognos [15] och har blivit indikation för att producera särläkemedel (orphan drugs) (http://ec.europa.eu/health/documents/community-register/html/o419.htm). Det har inte funnits någon effektiv behandling förutom operation i tidigt stadium, men nu pågår en intensiv läkemedelsutveckling. 

EndoTAG-1 är en liposomal nanopartikel som innehåller paklitaxel (Tabell 1). Partikelns lipidväggar är positivt laddade och interagerar med negativt laddade endotelceller i nybildade blodkärl till tumören. Därmed ansamlas nanopartiklarna i tumören och brister, varvid paklitaxel i hög dos gör att tumörväxten hämmas [16].

Irinotekan kommer från växtriket och har cyto­toxiska effekter genom att påverka tumör-DNA. Det är en prekursor som kan aktiveras lokalt i tumörvävnad. Irinotekan i liposomala nanopartiklar skyddas från metabolisering i lever och minskar svåra biverkningar. Detta läkemedel är godkänt för andra linjens behandling av metastaserad pankreascancer [17].

Albumin binder reversibelt till icke-vattenlösliga molekyler och ökar passagen av läkemedel genom kapillärväggar till det extravaskulära rummet i tumörvävnad genom receptormedierade processer. Pan­kreascancer medför ofta ett överuttryck i tumören av ett albuminbindande protein, som ytterligare ökat värdet av albumininnehåll i nanopartiklar [18]. Detta har utnyttjats i nab-paklitaxel (Abraxane), som är en 130 nm stor albumininbunden nanopartikel som används vid pankreascancer [19] och andra tumörsjukdomar (Tabell 1).

Mer komplexa system väntas i framtiden

Mer komplexa system för nanoläkemedel är att förvänta och kan redan skönjas. Små interfererande RNA-molekyler (siRNA; small interfering RNA) är molekyler som har egenskapen att kunna tysta genuttryck. Genen RRM2 svarar för syntes av enzymet ribonukleosiddifosfatreduktas, subenhet M2, som spelar en viktig roll för cellproliferation i tumörvävnad. 

Dessa kunskaper har utnyttjats för att tillverka ­siRNA-molekyler som hämmar RRM2-genens uttryck av det nämnda enzymet, för att därmed minska tumörtillväxt. Detta används i ett sammansatt nanobaserat cancerläkemedel, som illustrerar utvecklingsmöjligheterna i framtiden [20]. Vid intravenös injektion av detta läkemedel blandas innehållet i två ampuller, varvid det spontant bildas nanopartiklar med en diameter om 75 nm. Ampull 1 innehåller tre komponenter: positivt laddad polymer, icke-vattenlöslig polymer och ligand på nanopartikelns yta för att fästa mot receptorer för humant transferrin. Sådana receptorer är överuttryckta på humana cancerceller. Ampull 2 innehåller siRNA, som hämmar RRM2-genens uttryck och därmed tumörtillväxt. Initiala studier på försöksdjur och människa visar att detta administra­tionssätt fungerar med acceptabla biverkningar. Framtida studier får visa om det kommer att leda till ett godkänt läkemedel i klinisk verksamhet.

Nanoteknik kan också användas på andra sätt för att förbättra medicinsk behandling. Sfäriska nanopartiklar av guld för fototermisk ablation av tumörer samt nanostrukturerade material och nanoimplantat är några exempel utanför ramen för denna artikel. »Thera­nostics« är ett begrepp som innebär att nanoteknik kan användas i en och samma process för att både dia­gnostisera och behandla sjukdomar. 

Biverkningar och andra utmaningar

En viktig aspekt av tillverkade nanopartiklars unika egenskaper, förutom att de är i samma storleksordning som subcellulära strukturer, är partikelytans funktionalitet. Små förändringar av en nanopartikels fysikaliska och kemiska ytkaraktär kan helt ändra dess funktion. Det innebär, å ena sidan, att det finns ett stort spelrum att identifiera och utnyttja olika effekter. Å andra sidan innebär det också stor risk för icke önskvärda effekter som kan leda till oacceptabla biverkningar. 

Som beskrivs i en annan artikel i detta tema förvärvar nanopartiklar som befinner sig i den mänskliga kroppen en biologisk identitet genom att biomolekyler adsorberas, varvid immunsystemet kan aktiveras och ge upphov till inflammation och olika biverkningar. Pegylering (Fakta 1) är ett sätt att försöka minska nanopartiklars immunogena effekter, vilket inte alltid lyckas [21]. Nanopartikelytor kan också interagera med komponenter i koagulationskaskaden eller åstadkomma hemolys, för att nämna några and­ra problem [22].

I utvecklingen av nya nanopartiklar är det också en utmaning att säkerställa att den aktiva substansen frigörs på önskat sätt från nanopartikeln. Den får inte frigöras i blodbanan utan måste frisättas när den når målvävnaden. Det gäller också att ha mätmetoder för att säkerställa dessa funktioner och veta att substansen metaboliseras eller utsöndras på ett säkert sätt.

Det är ett fortsatt problem att på ett systematiskt och jämförbart sätt kunna kategorisera nanopartiklar och deras funktionalitet, vilket bidragit till att regleringen av nanomaterial fortfarande inte är färdig [23] (se artikel i detta tema). Detta har i sin tur bidragit till att utvecklingstakten av nya nanoläkemedel varit långsammare än förväntat.

Revolutionerande läkemedel

Paul Ehrlichs idé om det ideala läkemedlet som en »magisk kula« har med nanoteknikens ankomst kommit närmare ett förverkligande. Det finns nu erfarenheter att bygga på för att utveckla nanopartiklar som på ett säkert sätt transporterar och levererar aktiv substans till målvävnader. Den målsökande funktionen hos dessa partiklar blir alltmer sofistikerad och understöds av den snabba utvecklingen inom alla involverade kunskapsområden. 

En fascinerande aspekt av nanomedicin är att utvecklingen är helt beroende av brett samarbete mellan många olika discipliner. Arbetet med att få en tillfredsställande reglering av nanomaterial är en förutsättning för en snabbare och säker utveckling av dessa revolutionerande läkemedel.