A novel concept for hyperthermia induced local chemotherapy

Abstract

Worldwide, more than 10 million people are afflicted with cancer every year. The classical cancer treatment are surgery, radiotherapy and chemotherapy. The side effects of these therapies, however, strongly restrict the quality of the patients´ life. New and more effective cancer treatments devoid of strong side effects are urgently needed. The Berlin company MagForce Nanotechnologies AG pursues a new therapeutic approach to fight a variety of solid tumors (NanoTherm® therapy). In this therapy, iron oxide nanoparticles are injected directly into the tumor. The particles are heated under an externally applied alternating magnetic field. The tumor cells can be directly damaged by high temperature or be sensitized to a combined radio- or chemotherapy. The present study was attempted to combine this approach with nucleic acid technologies. The nucleic acids serve as a thermolabile linkage between nanoparticle and cytotoxic drug. A combined thermo- and chemotherapy was envisaged that would exert a local effect and would promise minimal side effects. It was first tested whether a double stranded nucleic acids can function as a thermolabile linkage between nanoparticles and active ingredient. A coupling protocol for the covalent immobilization of oligonucleotides to iron oxide nanoparticles was established for this concept. The temperature dependent release of complementary strands was optimized by variation of the length and the sequence of hybrids. The release of immobilizable strands, however, was incomplete under thermal conditions, which can be reached during the NanoTherm® therapy (about 50°C). Therefore, an expanded concept was pursued. The mere partial release of complementary strand was amplified through a catalytic step. The released single strand is a ribozyme that can efficiently cleave a substrate strand. This substrate strand is the bridge between nanoparticle and drug. Furthermore, the oligonucleotides used were replaced by their enantiomeric compounds, which render the system stable against enzymatic degradation. This temperature-dependent controlled drug release system was successfully tested with a fluorescent dye as a model for the active ingredient in buffer and in human serum. The results shown are a first step towards a local, thermally-switchable therapeutic approach that could expand future prospects of the NanoTherm® therapy in the treatment of solid tumors.

Weltweit erkranken jedes Jahr mehr als 10 Millionen Menschen an Krebs. Die drei Säulen der heutigen Tumortherapie sind Operation, Bestrahlung und Chemotherapie. Die dabei entstehenden Nebenwirkungen schränken allerdings die Lebensqualität der Patienten stark ein. Neue und effektivere Verfahren ohne die starken Nebenwirkungen einer systemischen Chemotherapie werden dringend benötigt. Die Berliner Firma MagForce Nanotechnologies AG verfolgt einen neuen Therapieansatz zur Bekämpfung verschiedener solider Tumoren (NanoTherm® Therapie). Dabei werden Eisenoxid-Nanopartikel direkt in den Tumor eingebracht. Durch ein von außen angelegtes Magnetwechselfeld werden die Partikel erwärmt. Im Tumor entstehen Temperaturen, die die Krebszellen irreparabel schädigen und für eine kombinierte Chemotherapie sensibilisieren. Mit der vorliegenden Arbeit wurde versucht, diesen Therapieansatz mit Nukleinsäure-Technologien zu kombinieren. In der Zielsetzung soll eine Nukleinsäure als thermolabile Brücke zwischen einem Nanopartikel und einem zytotoxischen Wirkstoff dienen. Damit könnte eine kombinierte Thermo- und auch Chemotherapie erreicht werden, die lokal begrenzt bleibt und damit geringere Nebenwirkungen verspricht. Zunächst wurde getestet, ob eine doppelsträngige Nukleinsäure als thermolabile Brücke zwischen Nanopartikel und Wirkstoff dienen kann. Für das Konzept wurde ein Kopplungsprotokoll zur kovalenten Immobilisierung von Oligonukleotiden an Eisenoxid-Nanopartikel etabliert. Dann wurde die thermische Freisetzung von komplementären Gegensträngen optimiert, wobei Länge und Sequenz der Hybride variiert wurde. Unter den thermischen Bedingungen, die in der NanoTherm® Therapie erreicht werden (ca. 50°C), konnten allerdings die Gegenstränge nur unvollständig freigesetzt werden. Daher wurde ein erweitertes Konzept verfolgt. Die nur partielle Freisetzung des Gegenstrangs wird durch einen katalytischen Schritt verstärkt. Der freigesetzte Einzelstrang ist ein Ribozym, das einen Substratstrang effizient spalten kann. Dieser Substratstrang bildet hier die Brücke zwischen Nanopartikel und Wirkstoff. Weiterhin wurden die verwendeten Oligonukleotide durch ihre enatiomeren Verbindungen ersetzt, so dass eine hohe Stabilität des Systems gegenüber enzymatischem Abbau erreicht werden konnte. Dieses temperaturabhängig kontrollierte Wirkstofffreisetzungssystem wurde in Puffer und in humanem Serum mit einer Fluoreszenz-Sonde als Modell für den Wirkstoff erfolgreich geprüft. Die gezeigten Ergebnisse sind ein erster Schritt in Richtung eines lokalen, thermisch-schaltbaren Therapieverfahrens, das als Weiterentwicklung der NanoTherm®-Therapie in der Zukunft einen Beitrag zur Bekämpfung von soliden Tumoren haben könnte.