Toen Paula Hammond begin jaren tachtig voor het eerst als eerstejaarsstudente op de MIT-campus arriveerde, wist ze niet zeker of ze erbij hoorde. Zoals ze aan het MIT-publiek vertelde, voelde ze zich zelfs ‘een bedrieger’.
Professor Paula Hammond van het MIT Institute, een wereldberoemde scheikundig ingenieur die het grootste deel van haar academische carrière aan het MIT heeft doorgebracht, hield de lezing van de James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award 2023-24. Afbeelding tegoed: Jake Belcher
Dat gevoel duurde echter niet lang, toen Hammond steun begon te vinden onder haar medestudenten en de faculteit van MIT. “De gemeenschap was heel belangrijk voor mij, het gevoel dat ik erbij hoorde, het gevoel dat ik hier een plek had, en ik vond mensen die bereid waren mij te omarmen en te steunen”, zei ze.
Hammond, een wereldberoemde scheikundig ingenieur die het grootste deel van haar academische carrière aan het MIT heeft doorgebracht, maakte haar opmerkingen tijdens de James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award-lezing 2023-24.
De Killian Award, opgericht in 1971 ter ere van de 10e president van MIT, James Killian, erkent buitengewone professionele prestaties van een lid van de MIT-faculteit. Hammond werd dit jaar gekozen voor de prijs “niet alleen vanwege haar enorme professionele prestaties en bijdragen, maar ook vanwege haar oprechte warmte en menselijkheid, haar bedachtzaamheid en effectief leiderschap, en haar empathie en ethiek”, aldus de prijsuitreiking.
“Professor Hammond is een pionier op het gebied van nanotechnologieonderzoek. Met een programma dat zich uitstrekt van fundamentele wetenschap tot translationeel onderzoek op het gebied van geneeskunde en energie, heeft ze nieuwe benaderingen geïntroduceerd voor het ontwerp en de ontwikkeling van complexe medicijnafgiftesystemen voor de behandeling van kanker en niet-invasieve beeldvorming”, aldus Mary Fuller, voorzitter van de faculteit van MIT en hoogleraar. van de literatuur, die de prijs uitreikte. “Als haar collega’s zijn we verheugd om vandaag haar carrière te vieren.”
In januari begon Hammond te dienen als vice-provoost voor de faculteit van MIT. Daarvoor was ze acht jaar voorzitter van de afdeling Scheikundige Technologie en in 2021 werd ze benoemd tot instituutshoogleraar.
Een veelzijdige techniek
Hammond, die opgroeide in Detroit, zegt dat haar ouders liefde voor de wetenschap hebben bijgebracht. Haar vader was destijds een van de weinige zwarte PhD's in de biochemie, terwijl haar moeder een masterdiploma in verpleegkunde behaalde aan Howard University en de verpleegschool oprichtte aan Wayne County Community College. “Dat bood enorm veel kansen voor vrouwen in de omgeving van Detroit, inclusief gekleurde vrouwen”, merkte Hammond op.
Nadat ze in 1984 haar bachelordiploma aan het MIT had behaald, werkte Hammond als ingenieur voordat ze als afgestudeerde student terugkeerde naar het Instituut, waar ze in 1993 promoveerde. Na een tweejarige postdoc aan de Harvard University keerde ze in 1995 terug om zich bij de MIT-faculteit aan te sluiten. .
De kern van Hammonds onderzoek is een techniek die ze heeft ontwikkeld om dunne films te maken die nanodeeltjes in essentie kunnen 'krimpen'. Door de chemische samenstelling van deze films af te stemmen, kunnen de deeltjes worden aangepast om medicijnen of nucleïnezuren af te geven en zich te richten op specifieke cellen in het lichaam, waaronder kankercellen.
Om deze films te maken, begint Hammond met het aanbrengen van laagjes positief geladen polymeren op een negatief geladen oppervlak. Vervolgens kunnen er meer lagen worden toegevoegd, waarbij positief en negatief geladen polymeren worden afgewisseld. Elk van deze lagen kan medicijnen of andere nuttige moleculen bevatten, zoals DNA of RNA. Sommige van deze films bevatten honderden lagen, andere slechts één, waardoor ze bruikbaar zijn voor een breed scala aan toepassingen.
“Het mooie van het laag-voor-laag-proces is dat ik een groep afbreekbare polymeren kan kiezen die goed biocompatibel zijn, en deze kan afwisselen met onze medicijnmaterialen. Dit betekent dat ik op verschillende punten in de film dunne filmlagen kan opbouwen die verschillende medicijnen bevatten”, aldus Hammond. “Als de film vervolgens verslechtert, kan hij de medicijnen in omgekeerde volgorde vrijgeven. Dit stelt ons in staat complexe films voor meerdere geneesmiddelen te maken, met behulp van een eenvoudige techniek op waterbasis.”
Hammond beschreef hoe deze laag-voor-laag films kunnen worden gebruikt om botgroei te bevorderen, in een toepassing die mensen zou kunnen helpen die geboren zijn met aangeboren botafwijkingen of mensen die traumatisch letsel ervaren.
Voor dat gebruik heeft haar laboratorium films gemaakt met lagen van twee eiwitten. Eén daarvan, BMP-2, is een eiwit dat interageert met volwassen stamcellen en deze ertoe aanzet zich te differentiëren tot botcellen, waardoor nieuw bot wordt gegenereerd. De tweede is een groeifactor genaamd VEGF, die de groei stimuleert van nieuwe bloedvaten die het bot helpen regenereren. Deze lagen worden aangebracht op een zeer dun weefselscaffold dat op de plaats van het letsel kan worden geïmplanteerd.
Hammond en haar studenten hebben de coating zo ontworpen dat deze, eenmaal geïmplanteerd, VEGF vroegtijdig vrijgeeft, ruim een week of zo, en BMP-2 gedurende maximaal 40 dagen blijft vrijgeven. In een onderzoek bij muizen ontdekten ze dat dit weefselsteiger de groei stimuleerde nieuw bot dat bijna niet te onderscheiden was van natuurlijk bot.
gericht op kanker
Als lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research van MIT heeft Hammond ook laag-voor-laag coatings ontwikkeld die de prestaties kunnen verbeteren van nanodeeltjes die worden gebruikt voor de toediening van kankermedicijnen, zoals liposomen of nanodeeltjes gemaakt van een polymeer genaamd PLGA.
“We hebben een breed scala aan medicijndragers die we op deze manier kunnen verpakken. Ik zie ze als een gobstopper, waar al die verschillende lagen snoep zitten en ze één voor één oplossen, 'zei Hammond.
Met behulp van deze aanpak heeft Hammond deeltjes gecreëerd die een een-tweetje kunnen geven aan kankercellen. Ten eerste geven de deeltjes een dosis nucleïnezuur vrij, zoals kort interfererend RNA (siRNA), dat een kankergen kan uitschakelen, of microRNA, dat tumorsuppressorgenen kan activeren. Vervolgens laten de deeltjes een chemotherapiemedicijn vrij, zoals cisplatine, waarvoor de cellen nu kwetsbaarder zijn.
De deeltjes bevatten ook een negatief geladen buitenste ‘stealthlaag’ die hen beschermt tegen afbraak in de bloedbaan voordat ze hun doelen kunnen bereiken. Deze buitenste laag kan ook worden aangepast om ervoor te zorgen dat de deeltjes worden opgenomen door kankercellen, door moleculen op te nemen die binden aan eiwitten die overvloedig aanwezig zijn op tumorcellen.
In recenter werk is Hammond begonnen met het ontwikkelen van nanodeeltjes die zich kunnen richten op eierstokkanker en kunnen helpen herhaling van de ziekte na chemotherapie te voorkomen. Bij ongeveer 70 procent van de patiënten met eierstokkanker is de eerste behandelingsronde zeer effectief, maar in ongeveer 85 procent van die gevallen komen de tumoren terug, en deze nieuwe tumoren zijn doorgaans zeer resistent tegen medicijnen.
Door het type coating dat op medicijnafleverende nanodeeltjes wordt aangebracht te veranderen, heeft Hammond ontdekt dat de deeltjes zo kunnen worden ontworpen dat ze in tumorcellen terechtkomen of aan hun oppervlak blijven plakken. Met behulp van deeltjes die aan de cellen blijven plakken, heeft ze een behandeling ontworpen die kan helpen de immuunrespons van een patiënt op terugkerende tumorcellen op gang te brengen.
"Bij eierstokkanker zijn er maar heel weinig immuuncellen in die ruimte, en omdat er niet veel immuuncellen aanwezig zijn, is het erg moeilijk om een immuunrespons op gang te brengen," zei ze. “Als we echter een molecuul kunnen afleveren aan naburige cellen, de weinige die aanwezig zijn, en ze op gang kunnen krijgen, dan kunnen we misschien iets doen.”
Daartoe ontwierp ze nanodeeltjes die IL-12 afgeven, een cytokine dat nabijgelegen T-cellen stimuleert om in actie te komen en tumorcellen aan te vallen. In een onderzoek bij muizen ontdekte ze dat deze behandeling een T-celreactie in het langetermijngeheugen induceerde die herhaling van eierstokkanker voorkwam.
Hammond sloot haar lezing af met een beschrijving van de impact die het Instituut gedurende haar hele carrière op haar heeft gehad.
“Het was een transformerende ervaring”, zei ze. “Ik vind deze plek echt bijzonder omdat het mensen samenbrengt en ons in staat stelt samen dingen te doen die we alleen niet zouden kunnen doen. En het is de steun die we krijgen van onze vrienden, onze collega’s en onze studenten die dingen echt mogelijk maakt.”
Geschreven door Anne Trafton
