Посещений:
ГЛИОБЛАСТОМА



Лечение с помощью анти-ангиогенных факторов

Nanocarriers and nonviral methods for delivering antiangiogenic factors for glioblastoma therapy: the story so far
Anne Clavreul, Milad Pourbaghi-Masouleh, Emilie Roger et al.
Int J Nanomedicine. 2019; 14: 2497–2513.

Глиобластома (GB) довольно распространенная и наиболее агрессивная опухоль преимущественно головного мозга. Несмотря на стандартные воздействия, включая резекцию и радиотерапию и одновременно вспомогательный temozolomide (TMZ), прогноз остается плохим со средней выживаемостью в 12-18 мес. после диагноза.1,2
GB чрезвычайно инвазивна и характеризуется высокой скоростью пролиферации клеток, гетерогенностью, некрозом и аномальной сосудистой сетью. Аномальная сосудистая сеть вносит вклад в развитие высокого давления интерстициальной жидкости внутри опухоли, предупреждая эффективную доставку химиотерапевтических агентов. Такая дисфункциональная сосудистая сеть может также препятствовать поступлению кислорода в опухоль, способствуя тем самым резистентности к радиотерапии.3
Ключевая роль сосудистой сети в резистентности к лечению привела к стратегии воздействия на GB, которая вмешивается в ангиогенез или разрушает существующую сеть кровеносных сосудов опухоли. Сосудистые аномалии, наблюдаемые при GB приписываются принципиально очень высоким уровням vascular endothelial growth factor (VEGF), продуцируемого опухолевыми клетками и ассоциированными с опухолью стромальными и воспалительными клетками. VEGF является ангиогенным митогеном, которые оперирует путем соединения с VEGF рецепторами, запуская пролиферацию, миграцию эндотелиальных клеток и образование новых сосудов. Возможность блокировки этого ключевого процесса ингибиторами ангиогенеза дает надежду, что может оказаться возможным блокировать рост опухоли, удлиняя тем самым жизнь пациентам. Однако, Phase III клинических испытаний с системным применением anti-VEGF-A антител bevacizumab (Avastin) или pan-VEGF receptor (VEGFR)-2 тирозин киназного ингибитора (cediranib, Recentin) у пациентов с повторяющейся или вновь диагностированной GB привели к разочаровывающим результатам.4,5 Эти агенты облегчали симптомы и делали возможным уменьшение дозы стероидов, но не улучшали общей жизнеспособности по сравнению со стандартным лечением. Имеется несколько возможных причин ограниченной эффективности, включая независимый от VEGF ангиогенез, индукцию опухолевой инвазии и неэффективность доставки анти-ангиогенных факторов в опухоль.
Эти ограничения привели к поиску новых ингибиторов ангиогенеза, нацеленных на этот процесс посредством более одного механизма без индукции инвазии опухоли и к попыткам разработать методы вирусной и не вирусной доставки для местного или системного применения, чтобы улучшить анти0ангиогенную активность. Однако, эти методы наталкиваются на ткане-специфические ограничения, такие как эффект blood-brain barrier (BBB) и микроокружение головного мозга, связанные в терапией GB.6

Angiogenesis and GB


Опухоль нуждается в новых кровеносных сосудах, чтобы обеспечить кислородом и питательными веществами, как только её объем перейдет границу в 1-2 mm3.7 Ангиогенез увеличивает кровоснабжение опухоли благодаря развитию новых сосудов из предсуществующих (Figure 1). Этот процесс регулируется с помощью баланса между факторами, способствующими ангиогенезу, такими как VEGF и fibroblast growth factor-2 (FGF-2), и анти-ангиогенными факторами, такими как angiostatin, angiopoietin 2 и endostatin. Эти факторы могут высвобождаться самой опухолью или окружающими тканями. Кровоснабжение может также возрастать за счет сосудистой co-option, сосудистой intussusception, васкулогенной мимикрии и васкулогенеза, происходящего из костного мозга (Figure 1).8-11 Сосудистая co-option использует инфильтрацию опухолевых клеток в нормальную ткань и адаптацию предсуществующей в ней сосудистой сети. Соосудистая intussusception это формирование новых сосудов за счет увеличения и бифуркации существующих сосудов. Васкулогенная мимикрия является процессом, с помощью которого GB stem-like cells (GSCs) вносят вклад в формирование опухолевых кровеносных сосудов путем дифференцировки в эндотелиальные клетки или перициты. Происходящий из костного мозга васкулогенез использует привлечение эндотелиальных клеток предшественников (EPCs), mesenchymal stem cells (MSCs) или гематопоэтических стволовых клеток в опухоль, их интеграцию в стенки сосудов и их окончательную дифференцировку в эндотелиальные клетки (Figure 1).

Figure 1

Новая сеть сосудов опухоли протекает, образует петли, расширена и мешкообразна с бессистемным паттерном взаимных соединений.12,13 В частности, выстилка из эндотелиальных клеток новых сосудов нерегулярна, морфологически дезорганизована и часто плохо соединена или перекрывается. Клетки, поддерживающие эндотелиальные клетки, перициты, рыхло соединены или отсутствуют, а базальная мембрана может быть аномально толстой или полностью отсутствовать. Физиологические последствия таких сосудистых аномалий включают временную и пространственную гетерогенность кровотока и насыщения кислородом в опухоли и повышение давления интерстициальной жидкости. Эти аномалии и микроокружение создают топливо для прогрессирования опухоли и снижения эффективности химиотерапии, радиотерапии и иммунотерапии.12,13

Antiangiogenic factors and GB


Принимая во внимание важность ангиогенеза для прогрессирования GB и устойчивости к лечению, предпринимались попытки разработки новой терапии, базирующейся на анти-ангиогенных факторах, чтобы достичь регрессии опухоли за счет голодания. Ряд ингибиторов ангиогенеза обнаруживал эффект в отношении роста разных опухолей, включая GB, и этот список постоянно растет. Ингибиторы могут быть классифицированы на 4 категории (Figure 2).

Figure 2 Antiangiogenic factors and GB.

Note: Four categories of angiogenesis inhibitors are used in clinical trials for GB: endogenous factors, monoclonal antibodies, tyrosine kinase inhibitors, and other factors.

Abbreviations: GB, glioblastoma; HER2, EGF-related receptor 2; IFN, interferon; MET, hepatocyte growth factor receptor; PEX, fragment of matrix metalloproteinase-2; PF-4, platelet factor-4; TSP, thrombospondin.

Endogenous antiangiogenic factors


Эндогенные анти-ангиогенные факторы являются молекулами анти-ангиогеной активностью, естественно присущей жидкостям тела или тканям.14 Они являются очень привлекательными кандидатами на роль лекарств, поскольку они относительно не токсичны и хорошо переносятся, при этом низкий риск устойчивости к лекарству. Они осуществляют свои эффекты посредством многих механизмов, включая индукцию апоптоза эндотелиальных клеток, подавление миграции эндотелиальных клеток в места образования новых сосудов, подавление молекул, способствующих ангиогенезу, и изменения в регуляции проангиогенных и анти-ангиогенных молекул. Некоторые эндогенные анти-ангиогенные факторы секретируются специфическими клетками в разных органах. Эти факторы включают pigment epithelium-derived factor (PEDF), platelet factor-4 (PF-4), thrombospondin (TSP)-1 и -2, и некоторые члены семейств interleukin (IL) и interferon (IFN)s, такие как IL-4, IL-12 и IFN-β. Lh/ возникают при внеклеточном протеолитическом расщеплении происходящих из плазмы белков внеклеточного матрикса, таких как angiostatin (фрагмент plasminogen), endostatin (фрагмент collagen XVIII), PEX (фрагмент matrix metalloproteinase-2 [MMP-2]) и vastatin (фрагмент collagen VIII). МикроРНК также были идентифицированы как новый класс эндогенных ингибиторов ангиогенеза. Напр., microRNA-16 играет критическую роль в репрессии эндотелиальной функции и ангиогенезе при GB.15 Эффективность angiostatin, endostatin, PEX, PEDF и TSP-1 и -2 была изучена на экспериментальных моделях злокачественных глиом.16,17 Однако, большинство из этих молекул еще не прошли клинических испытаний. Фаза I испытания была осуществлена для определения максимальной переносимой дозы ABT-510, TSP-1 лекарства миметика, используемого одновременно с TMZ и радиотерапией у пациентов с новь диагностированной GB.18 Добавление ABT-510 к TMZ и радиотерапии хорошо переносилось пациентами с GB, без неожиданных побочных эффектов или серьезных осложнений. Отсутствие прогресса и результаты общего выживания выглядят обнадеживающе, но необходима Phase II испытания.

Antiangiogenic monoclonal antibodies


Антитела являются ключевыми компонентами иммунной системы, осуществляющей защиту от инфекции. Антитела, направленные против проангиогенных сигнальных белков, продуцируются и обнаруживают противоопухолевую активность при преклинических и клинических испытаниях.19 Bevacizumab (Avastin), рекомбинантные гуманизированные моноклональные антитела, нацеленные на VEGF-A, активно исследовали при GB. Однако, Phase III испытаний показала, что хотя добавление bevacizumab к стандартному лечению вновь диагностированных случаев GB удлиняет выживаемость без прогрессирования и улучшает состояние пациентов, оно не увеличивает общей жизнеспособности.20,21 Onartuzumab, гуманизированные моновалентные моноклональные антитела против c-Met (или hepatocyte growth factor receptor [HGFR]) были недавно оценены в комбинации с bevacizumab у пациентов с повторяющейся GB.22 Эти антитела подавляли связывание HGF и устраняли индуцируемое лигандом фосфорилирование c-Met. Однако, не получено доказательств дальнейшего клинического улучшения, наблюдаемого при onartuzumab plus bevacizumab по сравнению bevacizumab plus placebo у неотобранных пациентов с повторяющейся GB. Тем не менее анализ исследуемого биомаркера подтвердил, что пациенты с опухолями обнаруживали высокие уровни экспрессии HGF или не метилированной O6-methylguanine-DNA methyltransferase, это может указывать на преимущество лечения комбинаций этих двух антител. Фазы I/II испытаний с тремя др. моноклональными антителами (cetuximab [anti-epidermal growth factor receptor (EGFR), Erbitux], tanibirumab [TTAC-0001, anti-VEGR2] и TRC105 [carotuximab, anti-CD105]) или по отдельности или в комбинации с bevacizumab были недавно завершены или ещё продолжаются на пациентах с повторяющейся GB (https://ClinicalTrials.gov).

Antiangiogenic tyrosine kinase inhibitors (TKIs)


TKIs были разработаны и использованы при клинических испытаниях, чтобы оценить их способность блокировать специфическое фосфорилирование тирозина (активацию) на панели тирозин киназных рецепторов на поверхности ангиогенных клеток, таких как VEGFR, bFGFR, platelet-derived growth factor receptor (PDGFR), EGFR, и их нижестоящих внутриклеточных серин/треониновых киназ.23 Многие из этих TKIs описываются как "многоцелевые киназные ингибиторы" поскольку они целенаправленно воздействовали на разные киназы. Некоторые из TKIs были изучены в Phase I/II клинических испытаний у пациентов с GB24 (Figure 2). Кстати, ограниченность клинического успеха была описана после воздействия TKIs в виде монотерапии или в комбинации с др. подходами к лечению GB.24

Other antiangiogenic factors


Др. Анти-ангиогенные факторы были разработаны, включая VEGF-Trap (afibercept), растворимый VEGF рецептор; AMG 386 (trebananib), который связывает ангиопоэтины Ang1 и Ang2; и cilengitide, мощный антагонист интегринов αv β3 and αv β5. Однако, улучшения не наблюдалось у пациентов с GB от этих факторов при клинических испытаниях.25-27

Effects of antiangiogenic factors on the tumor vasculature


Анти-ангиогенные агенты оказывают прямое влияние на сосудистую сеть опухолей. Этот эффект задействует апоптоз эндотелиальных клеток и в конечном итоге приводит к цитостатическому эффекту на рост новых кровеносных сосудов и снижает кровоснабжение опухоли (Figure 3). Эти эффекты ограничивают поступление кислорода и питательных веществ в опухоль, вызывая "голодание опухоли".7 Однако, также было предположено, что анти-ангиогенные агенты осуществляют свои противоопухолевые эффекты путем нормализации сосудистой сети, снижения проницаемости и диаметра кровеносных сосудов, увеличивая тем самым пропускную способность опухоли и снижая интерстициальное давление в ней и способствуя снабжению кислородом опухоли (Figure 3). Такие условия сенсибилизируют опухоль к радиотерапии и увеличивают воздействие на опухоль цитотоксических лекарств во время химиотерапии.28 Анти-ангиогенные агенты могут быть также активными против GSCs29-31 и могут нарушать способствующую ангиогенезу передачу сигналов от клеток, происходящих из костного мозга, устраняя тем самым васкуляризацию опухоли.32

Figure 3 Effects of antiangiogenic factors on the tumor vasculature.

Notes: (A) The normal vasculature is maintained by the balance of pro- and antiangiogenic factors, which ensure the perfusion of sufficient oxygen and other nutrients to all cells. (B) In the tumor, excessive amounts of proangiogenic factors, such as VEGF, are produced, leading to the growth of an abnormal and inefficient vascular network, resulting in an impairment of blood flow and resistance to chemotherapy, radiotherapy, and immunotherapy. (C) Antiangiogenic factors are thought to destroy tumor blood vessels, eventually starving the tumor to death or inducing its dormancy. It has also been suggested that antiangiogenic factors can normalize vessels, improving tumor blood flow and sensitizing the tumor to radiotherapy and chemotherapy. Antiangiogenic factors may also abolish tumor vascularization by disrupting the proangiogenic effects of GSCs and bone marrow-derived cells.
Abbreviations: GB, glioblastoma; GSCs, GB stem-like cells.

Nonviral delivery methods for antiangiogenic factors


Открыты многие анти-ангиогенные факторы, но подобно др. противоопухолевым лекарствам, но все сталкиваются с проблемами их использования при терапии GB. В частности, большинство анти-ангиогенных факторов не может пересекать BBB, и поэтому не могут достигать терапевтических концентраций в головном мозге. При GB, BBB частично разрушен в сердцевине опухоли, но большинство клеток остается интактными, формируя строгий барьер, защищающий опухоль от внешней среды. Высокие системные уровни анти-ангиогенных факторов поэтому необходимы для получения эффективных концентраций. Однако, увеличение дозы анти-ангиогенного агента или частоты и продолжительности воздействия часто ограничивается системной токсичностью. Напр., системное введение анти-ангиогенных агентов, целенаправленно воздействующих на путь VEGF сопровождается разными побочными эффектами, включая сердечно-сосудистые и почечные осложнения, кровоизлияния, осложнения с заживлением ран, перфорации ЖКТ и обратимый posterior leukoencephalopathy синдром.33 По этим причинам основной эффект на сегодня был достигнут в отношении разработки метдов вирусной и невирусной доставки, чтобы решить проблему проницаемости BBB и уменьшить количества анти-ангиогенных факторов, необходимых для лечения, и тем самым снизить токсичность лечения и побочные эффекты. Мы предоставили 4 основных локальных или системных метода доставки анти-ангиогенных факторов, которые были оценены на orthotopic животных моделях GB: convection-enhanced delivery (CED) устройство, имплантируемое полимерное устройство, нанопереносчики и клеточные пузырьки (Figure 4). Принципиальные результаты, полученные с использованием этих подходов в отдельности или в комбинации с химиотерапией или радиотерапией представлены в Table 1. Figure 4

Table 1 Nonviral antiangiogenic factor delivery methods evaluated in orthotopic GB animal models



CED devices


При некоторых недавних клинических испытаниях при GB, CED был использован в качестве противоопухолевого агента непосредственно в опухоли с целью создать концентрации, которые не могут быть достигнуты при системном введении лекарства.34-37 CED использована имплантация хирургического катетра в саму опухоль или в окружающую опухоль паренхиму. Катетры были соединены с инфузионным насосом для создания градиента положительного давления на кончике катетра. Это сделало возможным безопасное, целенаправленное и довольно гомогенное введение небольшого и крупного молекулярного веса субстанций в клинически значимых объемах способом, обходящим BBB. CED смеси из противоракового агента и суррогатного трассера для слежения может теперь быть использовано, чтобы отслеживать распределение лекарства в реальном времени с помощью компьютерной томографии или ядерно-спиновой томографии (magnetic resonance imaging).36 Пре-клинические исследования, проведенные на животных моделях, на которых CED был использован, чтобы управлять ингибиторами ангиогенеза представлен в Table 1. CED устройства были использованы, базируясь на Alzet осмотических пумпах или программируемых syringe насосах. Разные анти-ангиогенные агенты или наноносители, несущие анти-ангиогенные факторы, были использованы таким способом у имеющих GB животных: bevacizumab, 38 polyplexes (polymer/DNA), кодирующий растворимый VEGFR-1 (sFlt-1) и angiostatin-endostatin слитый белок (statin-AE),39 siRNA, нацеленная на hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α),40 immunotoxins, DTAT (diphtheria toxin [DT], целенаправленно воздействующий на urokinase plasminogen activator receptor [uPAR]) и DTATEGF (DT целенаправленно воздействующий на uPAR и EGFR),41 endostatin или endostatin слитый с антителом (IgG) Fc domain (Fc-endostatin),42,43 два механистически отличающиеся ингибиторы CYP/CYP450 2C11 epoxygenase, 17-octadecynoic acid и miconazole,44 и sorafenibloaded lipid nanocapsules (SFN-LNCs).45 Использование этих агентов с помощью CED, как было установлено, часто приводит к достоверному снижению образования капилляров и размера опухоли и к увеличению жизнеспособности животных. Wang et al38 продемонстрировали, что bevacizumab примененный с помощью CED приводил к более продолжительному выживанию животных, чем то же самое лекарство, вводимое внутривенно. Более того, комбинирование CED с ингибиторами ангиогенеза (bevacizumab или Fc-endostatin) с системным введением химиотерапевтических агентов (CPT-11 или TMZ) оказалось более эффективным подходом по увеличению жизнеспособности.38,42 Одно клиническое испытание по внутримозговой трансфузии с помощью CED было проведено с рекомбинантным токсином, TP-38, целенаправленно воздействующим на EGFR у пациентов с возобновляющейся GB.46 CED TP-38, как было установлено, хорошо переносится при эффективных дозах и наблюдались обнадеживающие радиографические реакции. Однако, это испытание также показало, что потенциал эффективности агента, доставляемого с помощью CED у людей может быть ограничено из-за несовместимости и неэффективности вливаний у многих пациентов. Эти технические недостатки необходимо учитывать при выполнении CED для использования в полной мере его потенциала.34,37

Implantable polymer devices


Имплантируемые полимерные устройства предоставляют мощну технологическую платформу для локальной и устойчивой доставки лекарств прямо в опухоль.47,48 Gliadel wafers являются сегодня единственным биодеградируемым полимерным имплантом для внутричерепной доставки лекарств, разрешенных для лечения GB US Food and Drug Administration (FDA) и European Medicines Agency (EMA).49-51 Они созданы из polyanhydride copolymer (1,3-bis[p-carboxyphenoxy] propane [CPP] и sebacic acid [SA]), нагруженных carmustine (1,3-bis[2-chloroethyl]- 1-nitrosourea [BCNU]). Gliadel wafers имплантируются в опухолевое ложе после резекции. Они обеспечивают контролируемое локальное высвобождение BCNU в период более 2-4 недель. Эта система доставки, как было установлено, превосходит системное применение BCNU у крыс, моделирующих 9L глиому, а её системная токсичность ограничена.52 Клинические исследования, описывающие использование Gliadel, оказалось эффективным против вновь диагностированной и повторяющейся GB.53 Комбинация Gliadel wafers со стандартной радиотерапией плюс с adjuvant TMZ , как было установлено, увеличивает выживаемость пациентов на 3-4 мес. по сравнению с только Gliadel wafers или TMZ.54 Антиангиогенный агент Fc-endostatin был загружен в CPP-SA вафли и внутричерепной имплант Fc-endostatin вафель удлинял жизнь крыс с 9L опухолью.42 Сходный эффект на выживаемость был описан для доставки CED Fc-endostatin в опухоль.42 Дополнительный благоприятный эффект был получен при доставке в опухоль Fc-endostatin посредством CPP-SA wafers или путем комбинации CED с оральным приемом химиотерапевтического агента TMZ42 (Table 1). Minocycline, др. ингибитор ангиогенеза, также был загружен на CPP-SA wafers, и внутричерепное введение minocycline wafers усилило эффекты системных химиотерапевтических агентов (BCNU или TMZ) или радиотерапии, увеличивая среднюю выживаемость леченных крыс55,56 (Table 1). Weingart et al57 вводили minocycline в ethylene-vinyl acetate copolymer (EVAc), не биоразлагаемый полимер. Они установили, что комбинация локального воздействия minocycline из EVAc дисков и системного воздействия BCNU увеличивало среднюю выживаемость на 93% по сравнению только с воздействием BCNU у крыс, несущих опухоль 9L.
Др. исследования использовали poly([D,L]-lactide-co-glycolide) (PLGA) нанофиброзные мембраны для доставки анти-ангиогенных факторов. PLGA, FDA- и EMA-одобренный полимер, высоко биосовместимый и биодеградируемый, один из наиболее привлекательных полимеров, пригодных для приготовления устройств для доставки лекарств и тканевого инженеринга.58,59 PLGA нанофиброзные мембраны более тонкие, чем Gliadel wafers, могут быть превращены в любой размер и форму и могут полностью приспосабливаться к форме ткани после удаления опухоли.60 Разные лекарства могут быть легко инкорпорированы в эти мембраны, а использование PLGA нанофиброзных мембран с разными lactic acid/glycolic acid композициями может придавать разные профили деградации PLGA, позволяя контролировать постепенный выход лекарства и их высвобождение в терапевтических дозах.61,62 PLGA нанофиброзные мембраны также обеспечивают более продолжительный период терапии (более 8 недель) по сравнению с Gliadel wafers (2-4 недели), приводя в принципе к более высокой терапевтической эффективности и более низкой резистентности. Lei et al63 вводили paclitaxel (PTX) и polyplexes, кодирующие siRNA, нацеленные на MMP-2 в PLGA нанофиброзные мембраны. MMP-2 является важной протеиназой, регулирующей инвазию и ангиогенез в опухолях головного мозга. Такая двойная доставка PTX и MMP-2 siRNA с помощью PLGA нанофиброзных мембран была протестирована на мышах с внутричерепными U87MG-Luc2 ксенотрансплантатами и было установлено, что это оказывает достоверно более значительный терапевтический эффект, чем доставка только PTX, при этом два агента, действуют синергично. Tseng et al60,64 нагружали 50:50 PLGA нанофибриллы тремя химиотерапевтическими агентами (BCNU, irinotecan и cisplatin; BIC/PLGA), и 75:25 PLGA нанофибриллы BIC и анти-ангиогенным агентом (combretastatin phosphate, CA4P; BICC/PLGA). Химиотерапевтические агенты легко высвобождались из 50:50 PLGA нановолокон после имплантации, а combretastatin высвобождался из 75:25 PLGA нановолокон спустя 2 недели. BICC/PLGA нанофиброзные мембраны, имплантированные в головной мозг крыс, несущих опухоль C6, замедляли рост опухоли и снижали злокачественность более эффективно, чем BIC/PLGA нанофиброзные мембраны.
Только в одном исследовании были использованы PLGA микросферы для доставки анти-ангиогеннаого фактора, C-терминального фрагмента PF-4 (PF-4/CTF).65 Это исследование показало, что инъекции внутрь опухоли PF-4/CTF-нагруженных микросфер мышам, несущим опухоль U87MG снижало объем опухоли приблизительно на 70%,этот эффект сопровождался достоверным снижением ангиогенеза и увеличением апоптоза. Микросферы являются многосторонним классом переносчиков лекарств, в котором может контролироваться кинетика высвобождения лекарств путем модуляции приготовления микросфер (размера, мол. веса, и композиции PLGA).66 Благодаря своим размерам и форме полимерные микросферы легко имплантируются в места опухолей с помощью stereotactic инъекций или инъецируются в стенки полости после резекции опухоли головного мозга с использованием шприца во время хирургического вмешательства.67
Обнадёживающие результаты были получены с имплантируемым полимерными устройствами, но необходима дальнейшая оптимизация этих устройств для преодоления специфических препятствий местного лечения, включая устойчивое высвобождение в течение длительного периода и более глубокое проникновение в ткань.68 Полимерные микро-резервуары могут в принципе повышать эффективность локального воздействия при раке головного мозга, поскольку они могут доставлять крупные дозы лекарства в твердой или жидкой форме. Напр., Ong et al69 разработали микро-устройство, состоящее из micromachined polysulfone резервуара и крышки. Резервуар был проницаемым для лекарства и состоял из цилиндра 2 mm в диаметре и 2 mm в высоту. Крышка устройства готовилась с порами в 300 µm в диаметре, посредством которых инкапуслированное лекарство могло выходить. Высвобождение лекарства из этого polysulfone микро-устройства было линейным и сильно зависело от количества отверстий в крышке: более значительное количество отверстий обеспечивало более быстрый выход лекарства. Grayson et al70 создали др. форму микро-резервуара, состоящего из полимерного микрочип-устройства. Эти микрочипы были 1.2 cm в диаметре и 480-560 µm толщиной и они содержали 36 резервуаров, каждый из которых мог быть загружен разными субстанциями. Эти устройства были созданы из poly(L-lactic acid) (PLLA) и каждый резервуар был превращен в PLGA мембрану. Путем изменений молекулярной массы PLGA мембраны, системы высвобождения лекарства могут быть разработаны для потенциального пульсового высвобождения разных лекарств в разное время после имплантации у пациента.

Nanocarriers


Использование наноносителей для лечения рака использовано в ряде исследований.71-74 Наноносители являются частицами, по крайней мере, с одним измерением в 1-1000 nm. Они могут быть использованы для локальной или системной доставки разных агентов, такх как лекарства, радионуклеотиды, imaging агенты и биоактивные соединения (siRNA или ДНК). Эти агенты могут быть заключены в, абсорбированы на или химически свзаны с поверхностью наночастиц. Нанопереносчики защищают активные агенты от ферментативной и гидролитической деградации, улучшают их растворимость и фармакокинетические параметры и контролируют их высвобождение. Их состав, размер и др. поверхностные характеристики могут быть легко модифицированы для обхождения физиологических барьеров, ключая BBB. Доступны разные наноносители: полимерные, базирующиеся на липидах и неорганические.
Два типа наноносителей разработано для анти-ангиогенной терапии: 1) наноносители, переносящие анти-ангиогенные факторы, и 2) нацеленные на сосуды нононосители, генерируемые с помощью конъгации молекул наноносителей, связанных с рецепторами, участвующими в ангиогенезе. Эти наноносители могут быть использованы для детекции и визуализации ангиогенеза и/или прямой химиотерапии, фототерапии или генотерапии сосудистой сети опухолей.
Из всего арсенала наноносителей, несущих анти-ангиогенные факторы, лишь немногие тестированы на orthotopic GB моделях. В трех исследованиях описывается использование polyplexes для доставки генов, кодирующих анти-ангиогенные факторы39,75,76 помимо работ нашей лаб. по использованию LNCs для доставки SFN 45 (Table 1; Figure 4). Ohlfest et al39 получили polyplexes, кодирующие два анти-ангиогенных белка, sFlt-1 и statin-AE. Они показали, что CED этих polyplexes мышам, несущим опухоль U87MG, привело к сильной противо-опухолевой активности, характеризующейся в снижении плотности сосудов опухоли, подавлению опухолевого роста и элиминации опухоли у 50% мышей (Table 1). В др. исследовании были получены polyplexes, кодирующие IL-12 и vastatin или endostain.75,76 Инъекции внутрь опухоли этих анти0-ангиогенных polyplexes мышам. несущим GB, привело к достоверному увеличению жизнеспособности по сравнению с нелеченными мышами, эффект увеличивался ещё больше при использовании комбинации с хи миотерапевтическими агентами (BCNU или TMZ) (Table 1). Наша лаб. создала LNCs для энкапсуляции SFN, поскольку этот мультикиназный ингибитор плохо расворим в воде, это ограничивало его использование.45 Мы показали, что CED of SFN-LNCs в orthotopic U87MG GB модели снижает пролиферацию клеток в опухоли и вызывает нормализацию сосудистой сети у ранних опухолей, характеризующихся высоким кровтоком в опухоли и снижает область кровеносных сосудов опухоли (Table 1). Эта нормализация сосудистой сети может предоставлять возможность для повышения эффективности химиотерапии и радиотерапии.

Cellular vehicles


Клеточные устройства включают микро-энкапсулированные клетки и стволовые клетки взрослых, которые используются для доставки анти-ангиогенных факторов в orthotopic моделях GB (Table 1; Figure 4).

Microencapsulated cells


Живые клетки энкапсулируются в полимерные микросферы или микрокапсулы с целью использования для локальной и долговременной, доставки лекарств и регенеративной медицины.77-81 Микрокапсуляция клеток сохраняет свободный у них обмен питательными веществами и отходами, исключая в то же время агенты иммунной системы, способствуя тем самым выживанию трансплантированных клеток. Это также делает возможным высвобождение клетками терапевтических продуктов. Ряд разных биоматериалов, таких как alginate, hyaluronic acid, agarose и др. полимеры, были использованы для энкапсулирования.
Read et al82 энкапсулировали клетки 293 почек плодов человека с помощью pCEPPu эписомного вектора экспрессии, кодирующего endostatin человека, в sodium alginate микрокапсулах. Они показали, что энкапсулированные продуцирующие endostatin клетки 293 остаются жизнеспосоными, по крайней мере, 4 мес. после внутричерепной имплантации в головной мозг. Определяли пространственное распределение endostatin в ткани головного мозга и опухоли и эта молекула была обнаружена на расстоянии 1-1.7 mm от биореактров, при этом некоторые оказывались более удаленными отложениями (4-6 mm). Она была также обнаружена в спинно-мозговой жидкости. Крысы, получавшие трансплантаты BT4C глиомных клеток вместе с энкапсулированными endostatin-продуцируемыми 293 клетками, выживали на 84% дольше, чем в контроле. Эндостатин, высвобождаемый микрокапсулами, запускал апоптоз, гипоксию и образование крупных некротических лишенных сосудов областей в 77% леченых опухолей, тогда как этого не наблюдалось в любом из контролей. Очевидные эффекты эндостатина наблюдались в опухолях, инокулированных спустя 1 до или одновременно с имплантацией биореактора. Однако, не обнаружено достоверного эффекта на жизнеспособность животных, получавших лечение спустя 1 неделю после инокуляции опухоли. Прижизненная multifluorescence микроскопия показала, что эндостатин, высвобождаемый из капсул, снижает не только общую плотность сосудов, но и также их функциональность и диаметр кровеносных сосудов и инвазивность опухоли.83,84
Усилия сегодня направлены на энкапсулированные линии клеток, продуцирующие разные рекомбинантные белки, способные мешать росту и прогрессированию. Т.о., может быть создана "библиотека" энкапсулированных клеток с целью использования для местной терапии, чтобы специфически воздействовать биологические параметры, регулирующие рост опухолей. Кроме того, необходима оптимизация для достижения достаточной биобезопасности и биосовместимости для клинического использования.

Adult stem cells


Особенным тропизом к опухолям головного мозга обладают стволовые клетки, такие как neural stem cells (NSCs) и MSCs, которые заставляют эти клетки становиться важными кандидатами на роль доставки терапевтических агентов.85 NSCs взрослых обнаруживаются а субвентрикулярной зоне и в hippocampal dentate gyri и они дают нейроны и глию. Получение достаточных количеств аутологичных NSCs для клинического использования остается технически проблематичным. Плодный головной мозг, взрослый аллогенный головной мозг и эмбриональные стволовые клетки, все они сегодня рассматриваются как возможные замены для аутологичных NSCs. MSCs являются мультипотентными клетками, способными к дифференцировке во многие типы клеток, включая хондроциты, адипоциты и остеоласты. Они были первоначально изолированы из костного мозга, но могут быть получены из многих др. источников, включая периферическую кровь, кровь пупочного канатика и жировую ткань. MSCs являются привлекательной альтернативой для NSCs поскольку они легко размножаются in vitro, а имплантации аутологичных MSCs у пациентов с GB вызывают мало этических проблем. В большинстве исследований анти-ангиогенная терапия проводится с помощью NSCs или MSCs, эти клетки являются генетически модифицированными, чтобы экспрессировать IL-12, endostatin, IFN-α, TSP-1 или PEX и доставляются непосредственно у опухоль головного мозга.86-94 Воздействия на внутричерепные глиомы с помощью этих преобразованных клеток обнаружили подавление прогрессирования опухолей, и/или повышение жизнеспособности мышей (Table 1). Более того, одновременная доставка анти-ангиогенных факторов (endostatin или TSP-1) и химиотерапевтических факторов (секретируемая форма carboxylesterase 2 [sCE2] вместе с воздействием CPT-11 или секретируемого варианта tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand [TRAIL]) с помощью MCSs вызывала сильную противоопухолевую реакцию86,94 (Table 1). Мы недавно показали, что MSCs могут доставлять химиотерапевтическое лекарство ferrociphenol и анти-ангиогенный TKI SFN в опухоли головного мозга без необходимости в генетических модификациях.95,96 MSCs могут быть прежде всего задействованы in vitro с SFN, без влияния на жизнеспособность и могут высвобождать 60% лекарства, которое в них загружено. Цитостатическая активность высвобождаемого SFN полностью законсервирована, достоверно снижает жизнеспособность человеческих U87MG GB клеток и эндотелиальных клеток in vitro. Мы исследовали in vivo эффект SFN-primed MSCs на orthotopic U87MG GB модель, после их интраназальной доставки. В отличие от прямой внутричерепной доставки, доставка через полость носа неинвазивна, позволяет повторное использование. Более того, эта доставка, по-видимому, является многообещающей альтернативой внутривенным инъекциям MSCs, которые в целом приводят к перехвату и элиминации MSCs в периферических органах и к риску сосудистых и легочных эмболий.97,98 Воздействие на мышей, несущих опухоль U87MG, двух интраназальных впрыскиваний SFN-primed MSCs спустя 4 дня показало большее снижение уровней опухолевого ангиогенеза, чем после инъекции unprimed MSCs или только SFN, но без эффекта на объем опухоли. Отсутствие эффекта на объем опухоли возможно обусловлено использованием слишком низкой дозы SFN-primed MSCs. Интраназальное применение больших количеств SFN-primed MSCs может быть необходимо для эффекта на рост U87MG. Пока не проведено клинических испытаний с использованием MSCs в качестве клеточных устройств для терапии GB. Одной из причин этого может быть широкое использование вирусных векторов для продукции терапевтических MSCs. Использование вирусов ассоциирует с рядом неудобств, включая риски токсичности, иммуногенности, инсерционного мутагенеза и высокой цены.99 Др. возможная причина это конфликтующие данные, опубликованные в связи с использованием MSCs при клеточной терапии. Роль MSCs в прогрессировании рака остается предметом споров, но число исследований, описывающих роль этих клеток в прогрессировании рака, постоянно растет100-103 Соотв., мы установили, что интраназальное введение unprimed MSCs вызывает достоверное увеличение в количестве малых пузырьков в U87MG опухоли, которые устранялись, когда MSCs задействовали вместе с SFN. Некоторые исследования показали, что MSCs способствуют ангиогенезу путем секретирования ангиогенных факторов, таких как VEGF, путем высвобождения экзосом, рекрутирования эндотелиальных предшественников и/или трансдифференцировкой в эндотелиальные клетки.104,105 Наши предыдущие исследования 96,106 не обнаружили эффекта unprimed MSCs на объем опухоли или пропорцию Ki67+ опухолевых клеток в моделях человеческой U87MG GB, но MSCs, как было установлено, облегчают рост опухолей за счет секретирования различных противо-воспалительных цитокинов и способствующих ангиогенезу факторов.100-103 Более того, MSCs могут дифференцироваться в cancer-associated fibroblasts (CAFs), которые были обнаружены в строме карцином и, как известно, способствуют росту опухолей.100 При GB peritumoral условиях мы идентифицировали MSC-подобные клетки, которые мы обозначили как GB-ассоциированные стромальные клетки (GASCs), которые обладают фенотипическими и функциональными свойствами, общими с MSCs и CAFs.107-109 Как и в случае unprimed MSCs, их инъекции во внутричерепные опухоли U87MG не оказывали эффекта на объем опухоли, но способствовали ангиогенезу, увеличивали количество небольших сосудов внутри опухоли.108 В др. исследованиях MSC-подобные клетки были изолированы из сердцевины GB опухоли и показано из влияние на увеличение ангиогенеза, пролиферацию GB клеток и их инвазию.110-114 В соответствии с этими находками процент GB-ассоциированных MSC-подобных клеток, как недавно было установлено, обратным образом скоррелирован с общей жизнеспособностью, указывая на роль этих клеток в способствовании агрессивному поведению GB.115,116 Все эти данные ставят вопрос о пригодности MSCs в качестве клеточных устройств для доставки терапевтических молекул в контексте GB. Даже если MSCs способны доставлять терапевтический агент в опухоль, их способствующие опухоли и ангиогенезу свойства могут ограничивать эффект этого агента. Необходимо найти пути, гарантирующие надежность этого клеточного вектора для клинического использования. Одной из возможностей будет использование суицидальных генов или малых молекул, чтобы индуцировать старение MSCs после доставки лекарства. EPCs, которые обладают специфическими homing для ангиогенных сайтов in vivo, являются потенциально привлекательной альтернативой для MSCs, но терапевитический эффект модифицированных EPCs в orthotopic GB моделях не был изучен. 117-121

Conclusion


Various nonviral delivery methods, including CED devices, implantable polymer devices, nanocarriers, and cellular vehicles, have been developed to improve the efficacy of GB treatment with antiangiogenic factors. All these delivery methods, tested in orthotopic GB models, were found to be effective, but only CED devices have been translated into clinical practice. Studies showing clear-cut advantages of one particular type of antiangiogenic factor delivery method over another in a representative GB model would facilitate the translation of such methods from the bench to the clinic (Figure 5). For such studies, there is an urgent need to identify the angiogenesis inhibitors giving the best response in preclinical studies and to focus on cheap, easily produced biocompatible nonviral delivery methods that could be rapidly transferred into clinical practice. The delivery route is also a major matter of concern that must be addressed. CED devices, implantable polymer devices, and microencapsulated cells are local delivery methods. They have the advantage of providing higher concentrations of antiangiogenic factors in the tumor than systemic delivery methods. However, they require intracranial surgery, which is not compatible with the use of factors for which a regime involving repeated injections is required for an effect on the tumor vasculature. In this case, nanocarriers or adult stem cells, which can be administered systemically, should be favored. Furthermore, it should also be borne in mind that angiogenesis inhibitor therapy alone is not sufficient to counteract the growth of GB, given the aggressiveness of this type of brain cancer and its resistance to various treatments. Further studies will therefore also be required to evaluate and optimize dosing schedules, for the development of effective combinations of the selected antiangiogenic factor delivery method with other treatments, such as chemotherapy, radiotherapy, and phototherapy. All these studies will take time but are necessary to ensure that the selected antiangiogenic factor delivery method is of unequivocal and meaningful clinical benefit to GB patients in the future. Particular attention should be paid to the emerging vascular-targeted nanotheranostic devices consisting of multifunctional nanocarriers for both diagnosis and the delivery of therapeutic agents to the tumor vasculature.122 The results obtained with these systems in preclinical models of GB should be monitored to determine whether they are likely to be more effective than antiangiogenic factor delivery methods (Figure 5). Figure 5 Which delivery methods for antiangiogenic therapy should be favored for translation into clinical practice? Antiangiogenic factor delivery methods or vascular-targeted nanotheranostic systems? Several unanswered questions must be addressed first to ensure the effective clinical translation of these systems.