Krebs im Nanomaßstab bekämpfen

Als Paula Hammond Anfang der 1980er Jahre als Studienanfängerin auf den MIT-Campus kam, war sie sich nicht sicher, ob sie dorthin gehörte. Tatsächlich fühlte sie sich wie „eine Betrügerin“, wie sie einem MIT-Publikum erzählte.

Professorin Paula Hammond vom MIT-Institut, eine weltbekannte Chemieingenieurin, die den Großteil ihrer akademischen Laufbahn am MIT verbrachte, überreichte den James R. Killian Jr. Professor Achievement Award 2023–24. Bildnachweis: Jake Belcher

Dieses Gefühl hielt jedoch nicht lange an, da Hammond begann, Unterstützung bei seinen Kommilitonen und Professoren am MIT zu finden. „Die Gemeinschaft war mir wirklich wichtig, das Zugehörigkeitsgefühl, das Gefühl, hierher zu gehören, und ich habe Menschen gefunden, die bereit waren, mich zu umarmen und zu unterstützen“, sagte sie.

Hammond, eine weltbekannte Chemieingenieurin, die den größten Teil ihrer akademischen Karriere am MIT verbrachte, machte diese Bemerkungen auf der Konferenz zum James R. Killian Jr. Professor Achievement Award 2023–24.

Der Killian Award wurde 1971 zu Ehren des 10. Präsidenten des MIT, James Killian, ins Leben gerufen und würdigt die außergewöhnlichen beruflichen Leistungen eines MIT-Fakultätsmitglieds. Hammond wurde für die diesjährige Auszeichnung „nicht nur wegen ihrer enormen beruflichen Leistungen und Beiträge, sondern auch wegen ihrer aufrichtigen Herzlichkeit und Menschlichkeit, ihrer Rücksichtnahme und effektiven Führung sowie ihrem Einfühlungsvermögen und ihrer Ethik“ ausgewählt, heißt es in der Auszeichnung.

„Professor Hammond ist ein Pionier in der Nanotechnologieforschung. Mit einem Programm, das Grundlagenforschung bis hin zu translationaler Forschung in Medizin und Energie umfasst, hat sie neue Ansätze für den Entwurf und die Entwicklung komplexer Arzneimittelverabreichungssysteme für die Krebsbehandlung und nicht-invasive Bildgebung eingeführt“, sagte Mary Fuller, Lehrstuhlinhaberin und Professorin am MIT. der Literatur, der den Preis überreichte. „Als Kollegen freuen wir uns, heute seine Karriere zu feiern. »

Im Januar begann Hammond als Vizeprovost für die Fakultät des MIT zu fungieren. Zuvor leitete sie acht Jahre lang den Fachbereich Chemieingenieurwesen und wurde 2021 zur Professorin an das Institut berufen.

Eine vielseitige Technik

Hammond, der in Detroit aufgewachsen ist, schreibt es seinen Eltern zu, dass sie ihm die Liebe zur Wissenschaft vermittelt haben. Ihr Vater war zu dieser Zeit einer der wenigen Schwarzen mit einem Doktortitel in Biochemie, während ihre Mutter einen Master-Abschluss in Krankenpflege an der Howard University erwarb und die Wayne County Community School of Nursing College gründete. „Dies hat den Frauen in der Gegend von Detroit enorme Chancen eröffnet, darunter auch farbigen Frauen“, bemerkte Hammond.

Nach ihrem Bachelor-Abschluss am MIT im Jahr 1984 arbeitete Hammond als Ingenieurin, bevor sie als Doktorandin an das Institut zurückkehrte und 1993 ihren Doktortitel erwarb. Nach einem zweijährigen Postdoktorandenstipendium an der Harvard University kehrte sie 1993 an die MIT-Fakultät zurück 1995.

Im Mittelpunkt von Hammonds Forschung steht eine von ihr entwickelte Technik zur Herstellung dünner Filme, die Nanopartikel im Wesentlichen „schrumpfen“ können. Durch die Anpassung der chemischen Zusammensetzung dieser Filme können die Partikel so angepasst werden, dass sie Medikamente oder Nukleinsäuren abgeben und gezielt auf bestimmte Zellen im Körper, einschließlich Krebszellen, abzielen.

Um diese Filme herzustellen, schichtet Hammond zunächst positiv geladene Polymere auf eine negativ geladene Oberfläche. Als nächstes können mehrere Schichten hinzugefügt werden, abwechselnd positiv und negativ geladene Polymere. Jede dieser Schichten kann Medikamente oder andere nützliche Moleküle wie DNA oder RNA enthalten. Einige dieser Folien enthalten Hunderte von Schichten, andere nur eine, wodurch sie für ein breites Anwendungsspektrum nützlich sind.

„Das Schöne am Schicht-für-Schicht-Verfahren ist, dass ich eine Gruppe abbaubarer Polymere auswählen kann, die gut biokompatibel sind, und diese mit unseren Arzneimittelmaterialien abwechseln kann. Das bedeutet, dass ich an verschiedenen Stellen im Film dünne Schichten mit unterschiedlichen Medikamenten erzeugen kann“, sagte Hammond. „Wenn sich der Film dann zersetzt, kann er diese Medikamente in umgekehrter Reihenfolge freisetzen. Dies ermöglicht uns die Herstellung komplexer Multidrug-Filme mit einer einfachen Technik auf Wasserbasis.

Hammond beschrieb, wie diese Schicht-für-Schicht-Filme zur Förderung des Knochenwachstums eingesetzt werden können, und zwar in einer Anwendung, die Menschen helfen könnte, die mit angeborenen Knochendefekten geboren wurden oder traumatische Verletzungen erleiden.

Zu diesem Zweck hat sein Labor Filme hergestellt, die aus Schichten aus zwei Proteinen bestehen. Eines davon, BMP-2, ist ein Protein, das mit adulten Stammzellen interagiert und diese dazu veranlasst, sich in Knochenzellen zu differenzieren und so neuen Knochen zu erzeugen. Der zweite ist ein Wachstumsfaktor namens VEGF, der das Wachstum neuer Blutgefäße stimuliert, die die Knochenregeneration unterstützen. Diese Schichten werden auf eine sehr dünne Gewebestruktur aufgetragen, die an der Verletzungsstelle implantiert werden kann.

Hammond und seine Studenten haben die Beschichtung so konzipiert, dass sie nach der Implantation VEGF frühzeitig, etwa über eine Woche, freisetzt und BMP-2 bis zu 40 Tage lang weiter freisetzt. In einer Studie an Mäusen fanden sie heraus, dass dieses Gewebegerüst das Wachstum von neuem Knochen stimuliert, der von natürlichem Knochen kaum zu unterscheiden ist.

Krebs im Visier

Als Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research am MIT hat Hammond außerdem schichtweise Beschichtungen entwickelt, die die Leistung von Nanopartikeln verbessern können, die für die Abgabe von Krebsmedikamenten verwendet werden, wie etwa Liposomen oder Nanopartikel, die aus einem Polymer namens PLGA hergestellt werden.

„Wir haben eine große Auswahl an Medikamententrägern, die wir auf diese Weise verpacken können. Ich betrachte sie als einen Leckerbissen, bei dem es all diese verschiedenen Bonbonschichten gibt und sie sich nacheinander auflösen“, sagte Hammond.

Mit diesem Ansatz schuf Hammond Partikel, die Krebszellen einen Schlag versetzen können. Zunächst geben die Partikel eine Dosis einer Nukleinsäure ab, beispielsweise eine kurze interferierende RNA (siRNA), die ein Krebsgen ausschalten kann, oder eine microRNA, die Tumorsuppressorgene aktivieren kann. Anschließend setzen die Partikel ein Chemotherapeutikum wie Cisplatin frei, für das die Zellen nun anfälliger sind.

Die Partikel verfügen außerdem über eine negativ geladene äußere „Tarnschicht“, die verhindert, dass sie im Blutkreislauf abgebaut werden, bevor sie ihr Ziel erreichen können. Diese äußere Schicht kann auch modifiziert werden, um die Partikelaufnahme durch Krebszellen zu erleichtern, indem Moleküle eingebaut werden, die an Proteine ​​binden, die in Tumorzellen reichlich vorhanden sind.

In neueren Arbeiten hat Hammond mit der Entwicklung von Nanopartikeln begonnen, die Eierstockkrebs bekämpfen und dazu beitragen können, ein Wiederauftreten der Krankheit nach einer Chemotherapie zu verhindern. Bei etwa 70 Prozent der Patienten mit Eierstockkrebs ist der erste Behandlungszyklus sehr wirksam, in etwa 85 Prozent dieser Fälle treten die Tumoren jedoch wieder auf, und diese neuen Tumoren sind in der Regel sehr resistent gegen Medikamente.

Durch die Änderung der Art der Beschichtung, die auf Nanopartikel zur Wirkstoffabgabe aufgebracht wird, entdeckte Hammond, dass die Partikel so konstruiert werden können, dass sie in das Innere von Tumorzellen eindringen oder an deren Oberflächen haften. Mithilfe von Partikeln, die an Zellen haften, entwickelte sie eine Behandlung, die dabei helfen könnte, die Immunantwort eines Patienten gegen alle wiederkehrenden Tumorzellen anzukurbeln.

„Bei Eierstockkrebs gibt es in diesem Raum nur sehr wenige Immunzellen, und da nicht viele Immunzellen vorhanden sind, ist es sehr schwierig, eine Immunantwort wieder in Gang zu bringen“, erklärte sie. „Wenn wir jedoch ein Molekül an benachbarte Zellen, an die wenigen Zellen dort, abgeben und sie wiederbeleben können, dann können wir vielleicht etwas tun. »

Zu diesem Zweck entwarf sie Nanopartikel, die IL-12 abgeben, ein Zytokin, das benachbarte T-Zellen dazu anregt, aktiv zu werden und Tumorzellen anzugreifen. In einer Studie an Mäusen stellte sie fest, dass diese Behandlung eine T-Zell-Reaktion im Langzeitgedächtnis auslöste, die das Wiederauftreten von Eierstockkrebs verhinderte.

Hammond schloss ihren Vortrag mit einer Beschreibung der Auswirkungen, die das Institut während ihrer gesamten Karriere auf sie hatte.

„Es war eine transformierende Erfahrung“, sagte sie. „Ich halte diesen Ort wirklich für etwas Besonderes, weil er Menschen zusammenbringt und es uns ermöglicht, gemeinsam Dinge zu tun, die wir alleine nicht schaffen könnten. Und es ist die Unterstützung, die wir von unseren Freunden, Kollegen und Studenten erhalten, die die Dinge wirklich möglich macht.

Geschrieben von Anne Trafton

Quelle: Massachusetts Institute of Technology