TEMA NANOMEDICIN Nanotekniken kan revolutionera behandlingen av cancer GER NYA MÖJLIGHETER ATT MÅLSTYRA LÄKEMEDEL, MEN FLERA STORA UTMANINGAR ÅTERSTÅR ATT TACKLA J-Matthias Löhr, professor, överläkare, CLINTEC, Karolinska institutet; Gastrocent­ rum, Karolinska uni­ versitetssjukhuset b [email protected] Wouter van der Wijngaart, professor, Mikro- och nanosy­ stem, Kungliga Teknis­ ka högskolan; båda Stockholm Björn Fagerberg, professor emeritus, Wallenberglaborato­ riet, avdelningen för molekylär och klinisk medicin, Sahlgrenska akademin; Sahlgrens­ ka universitetssjukhu­ set, Göteborg 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 koncentra­ tion i tumörvävnad utan att det uppstår farliga eller oacceptabla effekter i normala vävnader. Nobelprista­ garen Paul Ehrlich, kemoterapins grundare, myntade begreppet »magisk kula«, som han hämtade från Carl Maria von Webers opera »Friskytten«, där den magis­ ka kulan träffade endast det avsedda målet [1]. Kan tillverkade nanopartiklar vara de magiska ku­ lorna i framtidens terapi? Vi beskriver här olika ma­ terial och metoder och ger exempel på användningar. Inkapslade celler – lovande resultat men svår process Konceptet att använda inkapslade terapeutiska verk­ tyg 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 dia­ betes [3]. Med åren har andra celltyper prövats vid dia­ gnoser som hypoparatyreoidism [4] och Huntingtons sjukdom [5]. Inkapslingstekniken har stadigt förbätt­ rats [6]. Cellinnehållande partiklar prövas också på so­ »Just cancerterapi med starkt toxiska läkemedel har dragit särskild nytta av nanoteknikens fördelar.« och konverterades av CYP2B1 från cellerna och frigjor­ des i tumören [9]. Trots lovande resultat har det inte varit möjligt att få processen att kapsla in celler att leva upp till regu­ latoriska krav från myndigheterna. Material i nanostorlek får nya egenskaper Material i nanostorlek får helt andra egenskaper än i större dimensioner. Det är dessa annorlunda egen­ skaper som är grunden till nanoteknikens möjlighe­ ter 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 nanome­ ter (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, recep­ torer och kanaler. Små nanopartiklar kan passera biologiska barriärer och cellmembran in i cellkär­ nor [11]. Nanopartiklars funktioner är extremt varie­ rande beroende på t ex vad de är tillverkade av, deras form, storlek, ytladdning och löslighet. Nanopartik­ lar kan tillverkas av metaller, metallsalter, organiska eller sammansatta material. Den vanligaste formen är sfärisk. Ett illustrativt exempel på hur nanoformatet änd­ rar egenskaper är guld, som i sin vanliga form är en HUVUDBUDSKAP lida tumörer. Dessa partiklar har oftast en diameter mellan 200 och 500 µm. Tekniken har prövats vid be­ handling av t ex pankreascancer. Ett aktuellt exempel är ifosfamid som är en så tox­ isk substans att den i praktiken knappast används vid cancerbehandling, framför allt inte hos äldre, på grund av allvarliga biverkningar. Ifosfamid är en pre­ kursor som via ett särskilt P450-cytokromenzym i le­ vern (CYP2B1) metaboliseras till en starkt tumör­toxisk metabolit. Allogena celler från en givare har genmodi­ fierats för att överuttrycka CYP2B1. Sådana celler har kapslats in i partiklar av cellulosafosfat. Med angio­ grafisk teknik har partiklarna injicerats i artärer till tumören [7, 8]. Parallellt gavs ifosfamid intravenöst i låg dos som passerade in via den porösa kapselväggen b Potentiella läkemedel som inte kan utnyttjas på grund av stark toxicitet, svårlöslighet eller hög molekylvikt kan göras användbara med nanoteknik. b Denna teknik innebär konstruktion av mångfunktionel­ la partiklar i nanoskala. b Nanopartiklar håller läkemedel avskilt från övrig väv­ nad under transporten till målvävnaden, och de har en storlek och yta som gör dem lösliga i blodbanan. b Exempel på passiv målstyrning är onkologiska nano­ läkemedel som är utformade för att via defekta nybilda­ de kapillärer ta sig in i tumörvävnad, brista och leverera terapeutisk dos. b Aktiv målstyrning innebär att nanopartikeln på sin yta har en ligand som interagerar med molekyler som är överuttryckta på målytan. 1 Läkartidningen Volym 114 TEMA NANOMEDICIN inert metall. I nanoformat är den dock reaktiv och po­ tentiellt möjlig att använda i målstyrd läkemedelsbe­ handling [12]. Med nanoteknik öppnar sig flera möjligheter att lösa stora problem med läkemedelsbehandling: bb stabilisera och kontrollera frisättning av stora pep­ tider och proteiner som används i biologiska läke­ medel bb öka biotillgängligheten av svårlösliga substanser bb minska biverkningar och målstyra cancermedici­ ner i optimala mängder till tumörvävnad. FAKTA 1. Principer för riktad tumörterapi med nanopartiklar NANOPARTIKEL SOM BÄRARE Kraftigt toxiska, svårlösliga läkemedel med hög molekylvikt kan i princip laddas i en nanopartikel och transpor­ teras till tumören. Under transporten till målvävnaden bär nanopartikeln den aktiva substansen i hög koncentration, avskild från övriga vävnader som skyd­ das från biverkningar. Exempel på olika nanopartiklar är bb liposomer (sfärer gjorda av samma material som cellmembran och som kan transportera såväl vattenlösliga som icke-vattenlösliga substanser) Nanotekniken ger cancerterapin särskild fördel Just cancerterapi med starkt toxiska läkemedel har dragit särskild nytta av nanoteknikens fördelar. I den­ na artikel illustrerar vi utvecklingen av nanoläkeme­ del med exempel från onkologin, särskilt behandling av pankreascancer. I Fakta 1 beskrivs principer för hur nanopartiklar kan användas för målsökande behandling med toxis­ ka 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 bb förlångsammad elimination från blodbanan bb lägre maximal plasmakoncentration, vilket reduce­ rar biverkningar bb ökat upptag av läkemedlet i tumörvävnaden. Den sistnämnda effekten beror på att kärlnybildning­ en i tumörvävnad leder till defekta, mycket tunnväg­ giga vida kapillärer som är lätt genomträngliga för na­ nopartiklar, vilka sedan avger läkemedel i målvävna­ den (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 löslig­ bb miceller (runda aggregat med en vattenlöslig yta för att bära icke-vat­ tenlösliga substanser) bb dendrimer (sfärer av repetitiva, förgrenade molekyler med stor flexi­ bilitet för att skapa olika funktioner). MÅLSÖKANDE PRINCIPER Passiv målsökning bb Tumörvävnad är ofta vaskulariserad med nybildade primitiva blodkärl med ökad genomsläpplighet för särskilt designade nanopartiklar, vars läkemedelsinnehåll anrikas i målvävnaden bb Nanopartiklars ytkemi kan utformas för att stimulera fagocytos av vita blodkroppar, t ex i lymfkörtlar med metastaser. Aktiv målsökning Nanopartikeln innehåller en molekyl som binder sig vid en ligand som är överuttryckt på tumörcellernas yta. AKTIV SUBSTANS Nanopartikeln innehåller molekyler som interagerar med molekyler i tumörvävnad. ANDRA FUNKTIONER Pegylering innebär att man på nanopartikeln fäster polyetylenglykol i polymera kedjor. Det ökar vattenlös­ ligheten, kan minska antigeniteten och underlätta naturlig nedbrytning av nanopartikeln efter leverans av aktiv substans till målvävnaden. het och biotillgänglighet. Exempel på sådana läkeme­ del är aprepitant och sirolimus för att förhindra illa­ mående respektive avstötning efter transplantation (Tabell 1). Caelyx, som innehåller doxorubicin och används mot bl a metastaserande bröstcancer, godkändes re­ dan för 20 år sedan av den amerikanska läkemedels­ myndigheten 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]. TABELL 1. Exempel på godkända nanoteknologiska läkemedel på den svenska marknaden. 2 Namn (generiskt namn) Indikation Mekanism Nanomaterial Effekter nanomaterial b Caelyx (doxorubicin) Metastaserande bröstcancer, ovarialcancer Interaktion med DNA och RNA i tumörvävnad Liposom (100 nm) Doxorubicin frigörs huvudsakligen efter extravasering, utanför blodbanan b Mepact (mifamurtid) Osteosarkom hos barn och ungdomar Immunstimulerande effekter Liposom med ligand för receptor på monocyter och makrofager Liganden binder på och stimulerar immun­effekter mot tumörvävnad b Myocet (doxorubicin) Metastaserande bröstcancer Interaktion med DNA och RNA i tumörvävnad Liposom Liposompartiklarna minskar exponering av tarmslemhinnan b Abraxane (paklitaxel) Metastaserad bröst- och pankreascancer, småcellig lungcancer Påverkar mikrotubuli och celldelning i tumörvävnad Nanopartiklar av serumalbumin– paklitaxel (130 nm) Nanopartiklarna dissocierar i mindre partiklar, och albumin stimulerar tumörens upptag av paklitaxel b Onivyde (irinotekan) Andra linjens behandling vid pankreascancer Interaktion med DNA och RNA i tumörvävnad Liposom Irinotekan frigörs huvudsakligen efter extravasering, utanför blodbanan b Rapamune (sirolimus) Mot transplantations­ avstötning Immunsupprimerande Nanokristaller (<1 µm) Ökad biotillgänglighet av substans med låg löslighet b Emend (aprepitant) Mot illamående vid cellgiftsbehandling Antiemetiskt Nanokristaller (<1 µm) Ökad biotillgänglighet av substans med låg löslighet Läkartidningen 2017 TEMA NANOMEDICIN 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 bli­ vit indikation för att producera särläkemedel (orphan drugs) (http://ec.europa.eu/health/documents/com­ munity-register/html/o419.htm). Det har inte funnits någon effektiv behandling förutom operation i tidigt stadium, men nu pågår en intensiv läkemedelsut­ veckling. EndoTAG-1 är en liposomal nanopartikel som innehåller paklitaxel (Tabell 1). Partikelns lipidväg­ gar är positivt laddade och interagerar med negativt laddade endotelceller i nybildade blodkärl till tumö­ ren. Därmed ansamlas nanopartiklarna i tumören och brister, varvid paklitaxel i hög dos gör att tumörväx­ ten hämmas [16]. Irinotekan kommer från växtriket och har cyto­ toxiska 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 biverkning­ ar. Detta läkemedel är godkänt för andra linjens be­ handling av metastaserad pankreascancer [17]. Albumin binder reversibelt till icke-vattenlösliga molekyler och ökar passagen av läkemedel genom ka­ pillärväggar till det extravaskulära rummet i tumör­ vävnad genom receptormedierade processer. Pan­ kreascancer 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 an­ vänds vid pankreascancer [19] och andra tumörsjuk­ domar (Tabell 1). Mer komplexa system väntas i framtiden Mer komplexa system för nanoläkemedel är att för­ vänta och kan redan skönjas. Små interfererande RNA-molekyler (siRNA; small interfering RNA) är mo­ lekyler som har egenskapen att kunna tysta genut­ tryck. Genen RRM2 svarar för syntes av enzymet ribo­ nukleosiddifosfatreduktas, 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 tu­ mörtillväxt. Detta används i ett sammansatt nanoba­ serat cancerläkemedel, som illustrerar utvecklings­ möjligheterna i framtiden [20]. Vid intravenös injek­ tion av detta läkemedel blandas innehållet i två am­ puller, varvid det spontant bildas nanopartiklar med en diameter om 75 nm. Ampull 1 innehåller tre kom­ ponenter: positivt laddad polymer, icke-vattenlöslig polymer och ligand på nanopartikelns yta för att fästa mot receptorer för humant transferrin. Sådana recep­ torer är överuttryckta på humana cancerceller. Am­ pull 2 innehåller siRNA, som hämmar RRM2-genens uttryck och därmed tumörtillväxt. Initiala studier på försöksdjur och människa visar att detta administra­ tionssätt 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 nano­ partiklar av guld för fototermisk ablation av tumörer samt nanostrukturerade material och nanoimplan­ tat är några exempel utanför ramen för denna artikel. »Thera­nostics« är ett begrepp som innebär att nano­ teknik 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 storleksord­ ning 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 ef­ fekter. 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 för­ värvar nanopartiklar som befinner sig i den mänsk­ liga kroppen en biologisk identitet genom att biomo­ lekyler adsorberas, varvid immunsystemet kan akti­ »Det finns nu erfarenheter att bygga på för att utveckla nanopartiklar som på ett säkert sätt transporterar och levererar aktiv substans till målvävnader.« veras och ge upphov till inflammation och olika bi­ verkningar. Pegylering (Fakta 1) är ett sätt att försöka minska nanopartiklars immunogena effekter, vilket inte alltid lyckas [21]. Nanopartikelytor kan också in­ teragera med komponenter i koagulationskaskaden eller åstadkomma hemolys, för att nämna några and­ ra 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 substan­ sen 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 regle­ ringen 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 kom­ mit närmare ett förverkligande. Det finns nu erfaren­ heter att bygga på för att utveckla nanopartiklar som på ett säkert sätt transporterar och levererar aktiv substans till målvävnader. Den målsökande funktio­ nen hos dessa partiklar blir alltmer sofistikerad och 3 Läkartidningen Volym 114 TEMA NANOMEDICIN understöds av den snabba utvecklingen inom alla in­ volverade kunskapsområden. En fascinerande aspekt av nanomedicin är att ut­ vecklingen är helt beroende av brett samarbete mel­ lan många olika discipliner. Arbetet med att få en till­ fredsställande reglering av nanomaterial är en för­ utsättning för en snabbare och säker utveckling av dessa revolutionerande läkemedel. s högskolan och Stockholm läns landsting genom programmet Hälsa, medicin och teknik. b Björn Fagerberg är ledamot i Läkarförbundets arbetsgrupp för klimat och hälsa samt styrelseledamot i föreningen Läkare för miljön. Citera som: Läkartidningen. 2017;114:EIAC b Potentiella bindningar eller jävsförhållanden: J-Matthias Löhr är rådgivare till Celgene och Baxalta. Wouter van der Wijngaart är rådgivare till Mercene Labs angående utveckling av polymerer. Författargruppen har fått stöd från Barncancerfondens forsk­ ningsnämnd för medicinsk teknik samt från Kungliga Tekniska REFERENSER 1. Strebhardt K, Ullrich A. Paul Ehrlich’s magic bullet concept: 100 years of progress. Nat Rev Cancer. 2008;8(6):473-80. 2. Chang TMS. Hemo­ globin corpuscles. Re­search report for Honours Physiology. Montreal: McGill University Press; 1957. 3. Dufrane D. Safety and efficacy study of encapsulated human islets allotransplantation to treat type 1 diabetes. ClinicalTrials. gov NCT00790257. 4. Hasse C, Klöck G, Schlosser A, et al. Para­thyroid allotransplantation without immuno­ suppression. Lancet. 1997;350(9087):1296-7. 5. Bloch J, Bachoud-Lévi AC, Déglon N, et al. Neuroprotective gene therapy for Huntington’s disease, using 6. 7. 8. 9. polymer-encapsulated cells engineered to secrete human ciliary neurotrophic factor: results of a phase I study. Hum Gene Ther. 2004;15(10):968-75. Löhr JM, Heuchel R, Jesnowski R, et al. Therapy with cell encapsulation for substitution of organ function and tumor treatment. Adv Eng Mater. 2009;11:B129-35. Löhr M, Hoffmeyer A, Kröger J, et al. Microencapsulated cell-mediated treatment of inoperable pancreatic carcinoma. Lancet. 2001;357(9268):1591-2. Löhr M, Hoffmeyer A, Kröger JC, et al. Safety, feasibility and clinical benefit of localized chemotherapy using microencapsulated cells for inoperable pancreatic carcinoma: a phase I/II trial. Cancer Ther. 2003;1:121-31. Löhr M, Saller R, Salmons B, et al. Microencapsulation of genetically engineered cells for cancer therapy. Methods Enzymol. 2002;346:603-18. 10.Europeiska kommissionen. 2011/696/ EU. Kommissionens rekommendation av den 18 oktober 2011 om definitionen av nanomaterial. 20 okt 2011. http://eur-lex.europa. eu/legal-content/SV/ TXT/PDF/?uri=CELEX:32011H0696&from=EN 11. Tammam SN, Azzazy HM, Lamprecht A. How successful is nuclear targeting by nanocarriers? J Control Release. 2016;229:140-53. 12. Khlebtsov N, Dykman L. Biodistribution and toxicity of engineered gold nanoparticles: a review of in vitro and in vivo studies. Chem Soc Rev. 2011;40(3):164771. 13. Maeda H, Tsukigawa K, Fang J. A retrospective SUMMARY Nanoparticles for cancer therapy Nanoparticles carry a big promise in oncology, for diagnosis/imaging, therapy, or both (theragnostics). As common in medical history, there is a huge gap between the exciting experimental possibilities and data and clinical studies making use of it. Of the cell-containing nanoparticles, only one formulation using gene-directed enzyme prodrug therapy (GDEPT) with CYP2B1 and ifosfamide was used in early clinical studies. Of the cellfree nanoparticles, some drug-releasing (doxorubicin) ones are in clinical use for trans-arterial chemoembolization (TACE) in liver tumors and metastasis. Using liposomes, both paclitaxel and irinotecan have been used in pancreatic cancer as the model indication. Nanoparticle-albumin-bound paclitaxel (NAB-paclitaxel) has also been developed and is now registered as a drug for first-line therapy of pancreatic cancer, as is the liposomal irinotecan. The novel nanoparticle formulations carry a big promise for even better performance, both in diagnosis and therapy; however, few of these has entered the clinic as of today. 4 Läkartidningen 2017 30 years after discovery of the enhanced permeability and retention effect of solid tumors: next-generation chemotherapeutics and photodynamic therapy – problems, solutions, and prospects. Microcirculation. 2016;23(3):173-82. 14. Barenholz Y, Peer D. Liposomes and other assemblies as drugs and nano-drugs: from basic and translational research to the clinics. J Control Release. 2012;160(2):115-6. 15. Löhr JM. Pancreatic cancer should be treated as a medical emergency. BMJ. 2014;349:g5261. 16.Löhr JM, Haas SL, Bechstein WO, et al; CT4001 Study Group. Cationic liposomal paclitaxel plus gemcitabine or gemcitabine alone in patients with advanced pancreatic cancer: a randomized controlled phase II trial. Ann Oncol. 2012;23(5):1214-22. 17. Wang-Gillam A, Li CP, Bodoky G, et al; NAPOLI-1 Study Group. Nanoliposomal irinotecan with fluorouracil and folinic acid in metastatic pancreatic cancer after previous gemcitabine-based therapy (NAPOLI-1): a global, ­randomised, open-label, phase 3 trial. Lancet. 2016;387(10018):545-57. 18.Yardley DA. nab-Paclitaxel mechanisms of action and delivery. J Control Release. 2013;170(3):365-72. 19.Von Hoff DD, Ervin T, Arena FP, et al. Increased survival in pancreatic cancer with nab-paclitaxel plus gemcitabine. N Engl J Med. 2013;369(18):1691703. 20.Zuckerman JE, Gritli I, Tolcher A, et al. Correlating animal and human phase Ia/Ib clinical data with CALAA-01, a targeted, polymer-­ based nanoparticle containing siRNA. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(31):11449-54. 21. Suk JS, Xu Q, Kim N, et al. PEGylation as a strategy for improving nanoparticle-based drug and gene delivery. Adv Drug Deliv Rev. 2016;99(Pt A):28-51. 22.Ziemba B, Matuszko G, Bryszewska M, et al. Influence of dendrimers on red blood cells. Cell Mol Biol Lett. 2012;17(1):21-35. 23. Korsmeyer R. Critical questions in development of targeted nanoparticle therapeut­ics. Regen Biomater. 2016; 3(2):143-7.