研究人员正在从字面上照亮癌细胞的能量中心，以破坏这些能量源，从而导致大量细胞死亡。最近的一项研究涉及科学家们采用创新技术，通过特别设计的纳米颗粒将能量干扰基因治疗专门递送到癌细胞中。试验表明，这种靶向方法有效减少了小鼠的胶质母细胞瘤和侵袭性乳腺癌肿瘤。
在一项开创性的研究中，科学家们利用多种方法通过专门针对癌细胞的纳米颗粒递送破坏癌细胞能量生产的基因治疗。实验证明其在减少小鼠模型中的胶质母细胞瘤和侵袭性乳腺癌肿瘤方面的有效性。
研究团队通过利用一种激活细胞内光驱动电流的技术来破坏线粒体结构，即细胞的能量源，从而解决了一个主要挑战。他们将这种新技术称为mLumiOpto。
“我们削弱了线粒体膜的功能，阻止它们产生能量或充当信号中心，这会引发程序性细胞死亡并导致DNA损伤。我们的研究表明，这两种机制可以有效消除癌细胞，”合著者之一、俄亥俄州立大学生物医学工程和外科学教授周璐芳表示。“这种方法就是通过这样的方式设计的。”
周与合著者、俄亥俄州立大学化学和生物分子工程教授刘珊珊合作，刘设计了用于精确基因治疗递送到癌细胞的颗粒。两位研究者也是俄亥俄州立大学综合癌症中心的成员。
研究结果发表在《癌症研究》杂志的12月刊中。
线粒体因其在细胞功能中的能量生产作用而被认为是抗癌治疗的重要目标。然而，它们坚固的内膜形成了挑战。五年前，周的实验室发现了一种利用由于电荷差异造成的膜脆弱性的方法。
“以往影响线粒体的努力采用特定药物靶向癌细胞活性途径，”他解释道。“我们的方法直接靶向线粒体，利用外部基因刺激细胞杀伤过程，这具有优势。我们证明了我们有能力显著降低各种类型的癌细胞。”
周之前的研究发现，一种蛋白质可以通过激活激光光照产生电流来干扰线粒体内膜。在最新的研究中，团队创造了一种内光源，这对于将技术转化为临床应用至关重要。
该方法涉及递送两种分子的遗传信息：一种被称为CoChR的光敏蛋白，它产生正电流，以及一种生物发光酶。这些被封装在一种改造病毒颗粒中，并引入癌细胞中，在那里它们在线粒体中产生所需的蛋白质。随后的一次特定化学注射激活酶的光来触发CoChR，最终导致线粒体的失效。
另一个关键方面是确保这种疗法不会干扰健康细胞。
刘的实验室专注于推进靶向抗癌疗法。本研究的基础递送系统是腺病毒相关病毒（AAV），这是一种最少感染性的病毒，经过工程改造以携带基因并增强其治疗表达。
研究人员通过结合一种启动子蛋白来优化该系统，以提高癌症特异性，促进CoChR和生物发光酶仅在癌细胞中的表达。他们利用人类细胞生产AAV，将富含基因的病毒封装在类似于人类血液中发现的细胞外囊泡的天然纳米载体中。
“这种结构确保了在人体内的稳定性，因为这种颗粒来源于人类细胞系，”刘指出。
此外，研究人员还将一种单克隆抗体附加到递送颗粒上，旨在靶向癌细胞表面的受体。
“这种抗体能够识别特定受体，使其能够定位癌细胞并递送我们的治疗基因。我们利用各种工具确认了这种效果，”她解释道。“在工程化的AAV上添加癌症特异性启动子和靶向纳米颗粒后，我们确认这种疗法对多种癌症治疗具有强效。”
小鼠模型中的实验表明，基因治疗显著降低了两种侵袭性癌症（胶质母细胞瘤和三阴性乳腺癌）的肿瘤负担，并延长了胶质母细胞瘤小鼠的生存期。
对动物进行的成像研究进一步证实，基因治疗的效应仅限于癌性组织，对正常组织没有影响。此外，结果表明，使用单克隆抗体增强了肿瘤微环境中对癌细胞的免疫反应。
研究团队正在进一步探讨mLumiOpto技术对胶质母细胞瘤、三阴性乳腺癌和其他癌症形式的潜在治疗效果。俄亥俄州立大学已为这些技术申请了临时专利。
这项研究得到了美国国防部和国家卫生研究院的支持。
来自刘实验室的陈凯和来自周实验室的帕特里克·恩斯特是该研究的共同第一作者，其他作者包括来自俄亥俄州立大学的阿努苏亚·萨尔卡尔、金秀熙、斯尔欣·司、坦维·瓦拉德卡和马修·林格尔。
