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NewsKrebs im Nanomaßstab bekämpfen

Krebs im Nanomaßstab bekämpfen

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

Professorin Paula Hammond vom MIT-Institut, eine weltbekannte Chemieingenieurin, die den größten Teil ihrer akademischen Laufbahn am MIT verbracht hat, hielt den Vortrag zum James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award 2023–24. Bildnachweis: Jake Belcher

Dieses Gefühl hielt jedoch nicht lange an, da Hammond begann, Unterstützung bei ihren Kommilitonen und der Fakultät des MIT zu finden. „Gemeinschaft war mir wirklich wichtig, das Gefühl, dass ich dazugehöre, dass ich hier einen Platz habe, 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 verbracht hat, äußerte sich während der Vorlesung zum James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award 2023–24.

Der Killian Award wurde 1971 zu Ehren des 10. Präsidenten des MIT, James Killian, ins Leben gerufen und würdigt außergewöhnliche berufliche 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 Preisverleihung.

„Professor Hammond ist ein Pionier in der Nanotechnologieforschung. Mit einem Programm, das von der Grundlagenwissenschaft bis zur translationalen Forschung in Medizin und Energie reicht, hat sie neue Ansätze für den Entwurf und die Entwicklung komplexer Arzneimittelverabreichungssysteme für die Krebsbehandlung und nichtinvasive Bildgebung eingeführt“, sagte Mary Fuller, Vorsitzende der MIT-Fakultät und Professorin der Literatur, der den Preis überreichte. „Als ihre Kollegen freuen wir uns, heute ihre Karriere zu feiern.“

Im Januar begann Hammond als Vizeprovost für die Fakultät des MIT zu fungieren. Zuvor leitete sie acht Jahre lang die Abteilung für Chemieingenieurwesen und wurde 2021 zur Institutsprofessorin ernannt.

Eine vielseitige Technik

Hammond, die in Detroit aufgewachsen ist, schreibt ihren Eltern zu, dass sie die Liebe zur Wissenschaft geweckt haben. Ihr Vater war zu dieser Zeit einer der wenigen schwarzen Doktoranden in Biochemie, während ihre Mutter einen Master-Abschluss in Krankenpflege an der Howard University erwarb und die Krankenpflegeschule am Wayne County Community College gründete. „Das bot den Frauen in der Gegend von Detroit, darunter auch farbigen Frauen, enorme Möglichkeiten“, 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 Postdoc an der Harvard University kehrte sie 1995 an die MIT-Fakultät zurück .

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

Um diese Filme herzustellen, schichtet Hammond zunächst positiv geladene Polymere auf eine negativ geladene Oberfläche. Anschließend können weitere Schichten mit abwechselnd positiv und negativ geladenen Polymeren hinzugefügt werden. 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 an dem 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 dünne Filmschichten aufbauen kann, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Films unterschiedliche Medikamente enthalten“, sagte Hammond. „Wenn sich der Film dann zersetzt, kann er diese Medikamente in umgekehrter Reihenfolge freisetzen. Dies ermöglicht es uns, mithilfe einer einfachen wasserbasierten Technik komplexe Filme mit mehreren Wirkstoffen herzustellen.“

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

Zu diesem Zweck hat ihr Labor Filme mit Schichten aus zwei Proteinen hergestellt. 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 ein sehr dünnes Gewebegerüst aufgetragen, das an der Verletzungsstelle implantiert werden kann.

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

Krebs gezielt bekämpfen

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 breite Palette an Arzneimittelträgern, die wir auf diese Weise verpacken können. Ich stelle sie mir wie einen Leckerbissen vor, bei dem es all diese verschiedenen Bonbonschichten gibt und sie sich eine nach der anderen auflösen“, sagte Hammond.

Mit diesem Ansatz hat Hammond Partikel geschaffen, die Krebszellen einen Doppelschlag versetzen können. Zunächst setzen die Partikel eine Dosis einer Nukleinsäure frei, beispielsweise kurze interferierende RNA (siRNA), die ein Krebsgen ausschalten kann, oder 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 sie davor schützt, im Blutkreislauf zersetzt zu werden, bevor sie ihr Ziel erreichen können. Diese äußere Schicht kann auch modifiziert werden, um die Aufnahme der Partikel 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 die erste Behandlungsrunde hochwirksam, in etwa 85 Prozent dieser Fälle treten jedoch erneut Tumore 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, hat Hammond herausgefunden, dass die Partikel so gestaltet werden können, dass sie entweder in Tumorzellen gelangen oder an deren Oberflächen haften bleiben. Mithilfe von Partikeln, die an den Zellen haften, hat sie eine Behandlung entwickelt, die dazu beitragen könnte, die Immunantwort eines Patienten auf wiederkehrende 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 anzukurbeln“, sagte sie. „Wenn wir jedoch ein Molekül an benachbarte Zellen, also an die wenigen, die vorhanden sind, weitergeben und sie auf Touren bringen 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, unseren Kollegen und unseren Studenten bekommen, die die Dinge wirklich möglich macht.“

Geschrieben von Anne Trafton

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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