Εμφυτεύσιμα μικροσωματίδια για ταυτόχρονη φωτο- και χημειοθεραπεία, εμβόλια που χορηγούνται με μια μόνο ένεση και απελευθερώνουν την ουσία ελεγχόμενα, φορητά ιατρικά αρχεία, είναι μερικά από τα «μαγικά» πάνω στα οποία εργάζεται η Δρ Μαρία Κανελλή στο ΜΙΤ
Οι ασθενείς με καρκίνο τελικού σταδίου συχνά πρέπει να υπομένουν πολλαπλούς γύρους διαφορετικών τύπων θεραπείας, που μπορεί να προκαλούν ανεπιθύμητες παρενέργειες και που τελικά να μην βοηθούν πάντα. Το ζητούμενο για τους περισσότερους από αυτούς τους καρκινοπαθείς είναι να επιτευχθεί όσο το δυνατόν καλύτερο αποτέλεσμα με την λιγότερη ταλαιπωρία.
Αυτό ακριβώς είχε στο μυαλό της η Δρ Μαρία Κανελλή, πρώην μεταδιδάκτορας του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), όταν επινόησε τον σχεδιασμό μικροσωματιδίων που μπορούν να επιτύχουν φωτοθεραπεία σε όγκους, με ταυτόχρονη χορήγηση φαρμάκων χημειοθεραπείας. Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να εμφυτευτούν σε μια περιοχή ενός όγκου και να παράσχουν δύο τύπους θεραπείας, θερμότητα και χημειοθεραπεία.
«Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να παρακάμψει τις παρενέργειες που εμφανίζονται συχνά όταν η χημειοθεραπεία χορηγείται συστημικά ενδοφλεβίως, ενώ η συνεργιστική δράση των δύο θεραπειών θα μπορούσε να παρατείνει την διάρκεια ζωής του ασθενούς περισσότερο από την χορήγηση μίας θεραπείας τη φορά. Σε μια μελέτη σε ποντίκια δείξαμε ότι αυτή η θεραπεία εξάλειψε πλήρως τους όγκους στα ζώα όπου έγινε η χορήγηση και παρέτεινε σημαντικά την επιβίωσή τους», μου περιγράφει η ίδια απόγευμα Σαββάτου από τη Βοστώνη, μέσα από την οθόνη του υπολογιστή.
Σύμφωνα με την σχετική μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό ACS Nano και που έλαβε χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Μποδοσάκη και το ίδρυμα Ωνάση, στην οποία η Ελληνίδα χημικός μηχανικός είναι η κύρια συγγραφέας, μια από τις περιπτώσεις όπου η συγκεκριμένη τεχνολογία θα μπορούσε να συνεισφέρει είναι η προσπάθεια ελέγχου της ανάπτυξης πραγματικά ταχέως αναπτυσσόμενων όγκων. Ο στόχος θα ήταν να αποκτηθεί κάποιος έλεγχος αυτών των όγκων σε ασθενείς που δεν έχουν πραγματικά πολλές επιλογές και αυτό θα μπορούσε είτε να παρατείνει τη ζωή τους, είτε τουλάχιστον να τους επιτρέψει να έχουν καλύτερη ποιότητα ζωής κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου.
Πώς λειτουργεί η πλατφόρμα
Οι ασθενείς με προχωρημένους όγκους συνήθως υποβάλλονται σε συνδυασμό θεραπειών, όπως χημειοθεραπεία, χειρουργική επέμβαση και ακτινοβολία. Η φωτοθεραπεία είναι μια νεότερη θεραπεία που περιλαμβάνει την εμφύτευση ή την έγχυση σωματιδίων που απορροφούν ενέργεια από εξωτερική πηγή ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να θερμαίνονται και να αυξάνεται η θερμοκρασία τους αρκετά ώστε να σκοτώσουν τα κοντινά καρκινικά κύτταρα χωρίς να καταστρέψουν άλλους ιστούς. Οι σύγχρονες προσεγγίσεις στη φωτοθεραπεία σε κλινικές δοκιμές χρησιμοποιούν νανοσωματίδια χρυσού, τα οποία εκπέμπουν θερμότητα όταν εκτίθενται σε υπέρυθρο φως.
Η ομάδα του MIT χρησιμοποίησε ως φωτοθεραπευτικό παράγοντα ένα ανόργανο υλικό που αποτελείται από νανο-φύλλα διθειούχου μολυβδαινίου (2D MoS2). Αυτό το υλικό μετατρέπει το φως από λέιζερ σε θερμότητα πολύ αποτελεσματικά, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί λέιζερ χαμηλής ισχύος στη φωτοθεραπεία. Για να δημιουργήσουν ένα μικροσωματίδιο που θα μπορούσε να προσφέρει και τις δύο αυτές θεραπείες, οι ερευνητές συνδύασαν νανοφύλλα διθειούχου μολυβδαινίου είτε με μια υδρόφιλη ουσία (δοξορουβικίνη), είτε με μία υδρόφοβη (βιολασεΐνη), αναμειγνύοντάς τα με ένα πολυμερές (πολυκαπρολακτόνη) και παράγοντας ένα φιλμ που μπορεί να συμπιεστεί σε μικροσωματίδια διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών, με χρήση κατάλληλων καλουπιών. Η πολυκαπρολακτόνη είναι ένα βιοαποικοδομήσιμο προϊόν και έχει ήδη εγκριθεί από τον FDA για ιατρικές εφαρμογές, όπως στη Μηχανική των ιστών.
Για τις ανάγκες της μελέτης, οι ερευνητές δημιούργησαν κυβικά σωματίδια με πλάτος 200 μικρομέτρων, τα οποία, λόγω του μεγέθους τους, μόλις χορηγηθούν σε έναν όγκο παραμένουν εκεί καθ’ όλη τη διάρκεια της θεραπείας. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου θεραπείας, χρησιμοποιείται ένα εξωτερικό λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο για τη θέρμανσή τους, το οποίο μπορεί να διεισδύσει σε βάθος μερικών χιλιοστών έως εκατοστών, με τοπική επίδραση στον ιστό.
«Το πλεονέκτημα αυτής της πλατφόρμας είναι ότι μπορεί να λειτουργεί κατ’ απαίτηση με παλμικό τρόπο», λέει η Δρ Κανελλή. «Χορηγείται μία φορά μέσω ενδο-ογκικής ένεσης και στη συνέχεια ενεργοποιείται χρησιμοποιώντας μια εξωτερική πηγή λέιζερ. Έτσι απελευθερώνεται το φάρμακο και ταυτόχρονα επιτυγχάνεται υπερθερμία των καρκινικών κυττάρων».
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να υπολογίσει την ισχύ λέιζερ, τον χρόνο ακτινοβολίας και τη συγκέντρωση του φωτοθεραπευτικού παράγοντα που θα οδηγούσε στα καλύτερα αποτελέσματα και σχεδίασε έναν κύκλο θεραπείας με λέιζερ που διαρκεί περίπου τρία λεπτά. Κατά την διάρκεια αυτού του χρόνου, τα σωματίδια θερμαίνονται σε περίπου 50 βαθμούς Κελσίου, που είναι αρκετοί για να σκοτώσουν τα καρκινικά κύτταρα. Επίσης σε αυτή τη θερμοκρασία, το πολυμερές υλικό των σωματιδίων αρχίζει να λιώνει, απελευθερώνοντας μια ποσότητα του φαρμάκου χημειοθεραπείας που περιέχει.
Εξάλειψη των όγκων
Αυτό το βελτιστοποιημένο φωτο- και χημειο-θεραπευτικό σύστημα επιτρέπει στους ερευνητές να χορηγήσουν χαμηλές δόσεις χημειοθεραπείας τοπικά στο σημείο ενδιαφέροντος και με ελεγχόμενο παλμικό τρόπο, αξιοποιώντας τη βαθιά διείσδυση του εγγύς υπέρυθρου φωτός στους ιστούς, και ταυτόχρονα επιτυγχάνοντας φωτοθερμική θεραπεία. «Αυτή η συνεργατική τοπική δράση οδηγεί σε χαμηλή τοξικότητα συγκριτικά με συστημικές χορηγήσεις άλλων χημειοθεραπειών», σημειώνει η Ελληνίδα επιστήμονας.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη θεραπεία με μικροσωματίδια σε ποντίκια με επιθετικό καρκίνο του μαστού. Μόλις σχηματίστηκαν όγκοι, οι ερευνητές εμφύτευσαν περίπου 25 μικροσωματίδια ανά όγκο και στη συνέχεια εφάρμοσαν τη θεραπεία με λέιζερ τρεις φορές, ανά τρεις ημέρες.
Στα ποντίκια που έλαβαν αυτή τη θεραπεία, οι όγκοι εξαλείφθηκαν εντελώς και τα ζώα έζησαν πολύ περισσότερο από αυτά που έλαβαν μεμονωμένα είτε χημειοθεραπεία, είτε φωτοθεραπεία, είτε καθόλου θεραπεία. Τα ποντίκια που υποβλήθηκαν και στους τρεις κύκλους θεραπείας τα πήγαν επίσης πολύ καλύτερα από αυτά που έλαβαν μόνο μία θεραπεία με λέιζερ. Οι ερευνητές ελπίζουν τώρα να δοκιμάσουν τα σωματίδια σε μεγαλύτερα ζωικά μοντέλα με στόχο να τα αξιολογήσουν τελικά σε κλινικές δοκιμές.
«Έξυπνη» χορήγηση φαρμάκων και εμβολίων
Θα μπορούσε να πει κάποιος πως η Δρ Κανελλή στάθηκε τυχερή γιατί μετά τις σπουδές της στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ) βρέθηκε σε ένα από τα εργαστήρια του πρωτοπόρου πανεπιστημιακού δασκάλου, επιστήμονα, επιχειρηματία, εφευρέτη, και πάνω από όλα Ανθρώπου, Ρόμπερτ Λάνγκερ στο MIT, στον οποίο πιστώνεται ότι επηρέασε-και συνεχίζει να επηρεάζει-τις ζωές δισεκατομμυρίων ανθρώπων πάνω στην γη με τις ανακαλύψεις του.
Ο 75χρονος κορυφαίος ερευνητής κατέχει ένα βουνό από ερευνητικές εργασίες (πάνω από 1500) και πατέντες στο όνομά του (περισσότερες από 1400), έχει ιδρύσει περισσότερες από 40 εταιρείες, είναι ένας από τους πιο αναφερόμενους μελετητές (περίπου 500.000 ετεροαναφορές) και έχει κερδίσει περισσότερα από 220 βραβεία, συμπεριλαμβανομένου του βραβείου της Βασίλισσας Ελισάβετ της Μηχανικής (QEPrize), το οποίο αποκαλείται και «Νόμπελ της Μηχανικής». Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας του καθηγητής Λάνγκερ έχουν αδειοδοτηθεί ή παραχωρηθεί σε περισσότερες από 400 εταιρείες φαρμακευτικών, χημικών, βιοτεχνολογικών και ιατρικών συσκευών και σκευασμάτων.
Η Δρ. Κανελλή ξεκίνησε την μεταδιδακτορική της έρευνα το 2019 στο γκρουπ της Δρα Ana Jaklenec στο David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research του MIT, ένα εργαστήριο του οποίου η έρευνα εστιάζει στην ελεγχόμενη χορήγηση θεραπευτικών ουσιών για τη βελτίωση της παγκόσμιας υγείας. Κατά την μεταδιδακτρική της έρευνα η Ελληνίδα επιστήμονας ηγήθηκε και σε άλλα πρότζεκτ, όπως στη μελέτη χορήγησης του εμβολίου για την Ηπατίτιδα Β με μια νέα τεχνική κατασκευής μικροδομών υψηλής ανάλυσης (η τεχνική αυτή δημοσιεύτηκε στο Science) που ονομάζεται StampEd Assembly of polymer Layers (SEAL), η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να δημιουργούν μικροσωματίδια με προγραμματισμένη απελευθέρωση του εμβολίου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές ανάλογα με το επιθυμητό πρόγραμμα εμβολιασμού. Με αυτό το σύστημα το εμβόλιο μπορεί να χορηγηθεί με μια μόνο ένεση (self-boosting vaccines) και να απελευθερώσει την ουσία στους χρόνους που χρειάζονται.
Αυτή η πλατφόρμα που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Bill & Melinda Gates θα μπορούσε να περιγραφεί ως μια ένεση που περιλαμβάνει όλες τις απαραίτητες δόσεις και θα μπορούσε να βελτιώσει και να αυξήσει την αποτελεσματικότητα των εκστρατειών εμβολιασμού στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η έρευνα της Δρα Κανελλή για το σύστημα αυτό και την ηπατίτιδα Β παρουσιάστηκε στο συνέδριο 2022 Society for Biomaterials Joint Symposium και τώρα συνεχίζεται σε ανώτερα ζωικά μοντέλα.
Στην ίδια λογική η ερευνήτρια συνεισέφερε και σε ένα άλλο πρότζεκτ που εστιάζει στην δημιουργία ενός επιθέματος με μικροβελόνες, το οποίο συνιστά ένα φορητό προσωπικό ιατρικό αρχείο. Δηλαδή με άλλα λόγια ο καθένας μας μπορεί να ‘φορά’ τον ιατρικό του φάκελο που είναι αόρατος και που διαβάζεται μόνο από τους γιατρούς με ειδικό λογισμικό.
«Προτείνουμε ένα αόρατο, προσωρινό ή πιο μόνιμο και εύκολα εφαρμόσιμο σύστημα τήρησης ιατρικών αρχείων στον ασθενή. Οι πληροφορίες αποθηκεύονται σε μοναδικά μοτίβα χωρικά κατανεμημένων κβαντικών κουκκίδων φθορισμού κοντά στο υπέρυθρο (NIR), οι οποίες εμφυτεύονται στο δέρμα χρησιμοποιώντας συστοιχίες μικροβελόνων. Τα μοτίβα είναι αόρατα με γυμνό μάτι, αλλά ανιχνεύονται με μια κάμερα υπερύθρου, η οποία μπορεί να εξάγει πληροφορίες με ακρίβεια >98% χρησιμοποιώντας αυτοματοποιημένο λογισμικό αναγνώρισης προτύπων», περιγράφει η Δρ Κανελλή, εξηγώντας πως αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τη χορήγηση μιας σειράς δόσεων εμβολίων ή θεραπειών, γιατί υποδεικνύει εάν έχει περάσει αρκετός χρόνος για να λάβει ο ασθενής την επόμενη δόση.
Είναι σημαντικό ότι αυτό το σύστημα δεν περιέχει προσωπικές πληροφορίες, δεν απαιτεί σύνδεση με μια κεντρική βάση δεδομένων και δεν είναι ορατό με γυμνό μάτι, διασφαλίζοντας το απόρρητο του ασθενούς.
Αξίζει να αναφερθεί ότι η Μαρία Κανελλή από τον περασμένο Φεβρουάριο έχει αναλάβει κεντρικό ρόλο σε μια εταιρεία spin-off του MIT και εστιάζει στην ανάπτυξη και παραγωγή συστημάτων χορήγησης θεραπευτικών ουσιών με στόχο την αύξηση της αποτελεσματικότητας της αγωγής και τη μετάβαση σε κλινικές μελέτες.
