Thermal Enhancement with Optically Activated Gold Nanoshells Sensitizes Breast Cancer Stem Cells to Radiation Therapy — Sci TM

Sci Transl Med 27 October 2010:
Vol. 2, Issue 55, p. 55ra79
DOI: 10.1126/scitranslmed.3001447

* Research Article

Thermal Enhancement with Optically Activated Gold Nanoshells Sensitizes Breast Cancer Stem Cells to Radiation Therapy

1. Rachel L. Atkinson1,
2. Mei Zhang2,
3. Parmeswaran Diagaradjane3,
4. Sirisha Peddibhotla2,
5. Alejandro Contreras4,
6. Susan G. Hilsenbeck4,
7. Wendy A. Woodward3,
8. Sunil Krishnan3,
9. Jenny C. Chang1,4,*† and
10. Jeffrey M. Rosen1,2,†‡

+ Author Affiliations

1. 1Translational Biology and Molecular Medicine, Baylor College of Medicine, Houston, TX 77030, USA.
2. 2Molecular and Cellular Biology, Baylor College of Medicine, Houston, TX 77030, USA.
3. 3Radiation Oncology, M. D. Anderson Cancer Center, Houston, TX 77030, USA.
4. 4Breast Center, Baylor College of Medicine, Houston, TX 77030, USA.

1. ‡To whom correspondence should be addressed. E-mail: jrosen@bcm.edu

Abstract

Breast cancer metastasis and disease recurrence are hypothesized to result from residual cancer stem cells, also referred to as tumor-initiating cells, which evade initial treatment. Using both syngeneic mouse and human xenograft models of triple-negative breast cancer, we have demonstrated that a subpopulation enriched in cancer stem cells was more resistant to treatment with 6 gray of ionizing radiation than the bulk of the tumor cells, and accordingly their relative proportion increased 48 to 72 hours after ionizing radiation treatment. In contrast, we achieved a larger reduction in tumor size without a concomitant increase in the percentage of cancer stem cells by treating with local hyperthermia for 20 minutes at 42°C after ionizing radiation using intravenously administered, optically activated gold nanoshells. Forty-eight hours after treatment, cells derived from the tumors treated with ionizing radiation plus hyperthermia exhibited both a marked decrease in tumorigenicity and a more differentiated phenotype than mock- and ionizing radiation–treated tumors. Thus, we have confirmed that these cancer stem cells are responsible for accelerated repopulation in vivo and demonstrated that hyperthermia sensitizes this cell population to radiation treatment. These findings suggest that local hyperthermia delivered by gold nanoshells plus radiation can eliminate radioresistant breast cancer stem cells.

Footnotes

* ↵* Present address: The Methodist Hospital, 6550 Fannin, SM383, Houston, TX 77030, USA.
* ↵† These authors contributed equally to this work.
* Citation: R. L. Atkinson, M. Zhang, P. Diagaradjane, S. Peddibhotla, A. Contreras, S. G. Hilsenbeck, W. A. Woodward, S. Krishnan, J. C. Chang, J. M. Rosen, Thermal enhancement with optically activated gold nanoshells sensitizes breast cancer stem cells to radiation therapy. Sci. Transl. Med. 2, 55ra79 (2010).

* Copyright © 2010, American Association for the Advancement of Science

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GINECOLOGÍA
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Nanocápsulas de oro podrían reducir los tumores de mama mediante calor localizado

JANO.es · 02 Noviembre 2010 00:04

Un estudio demuestra que las nanopartículas de oro inyectadas en los tumores de mama convierten a las células cancerígenas en más sensibles al tratamiento de radiación.

Nanocápsulas de oro podrían reducir los tumores de mama mediante calor localizado, según sugiere un estudio del Baylor College of Medicine, de Houston, Estados Unidos, publicado en la revista Science Translational Medicine. Los autores muestran en su trabajo que las nanopartículas de oro inyectadas en los tumores de mama convierten a las células cancerígenas en más sensibles al tratamiento de radiación.

En la actualidad, se desarrollan ensayos clínicos con tecnología de nanocápsulas que podrían proporcionar a las pacientes con cánceres de mama agresivos de un arma extra para fomentar la eliminación de las células tumorales. Uno de los principales problemas en la lucha contra el cáncer de mama es una pequeña población de células madre en los tumores que resisten a la radiación y a la quimioterapia, unas células que suelen producir la recurrencia de la enfermedad tras el tratamiento.

Los científicos han diseñado nuevas técnicas para ayudar a la radiación y a otras terapias tradicionales, incluyendo la hipertermia, en las que el tejido del organismo se expone a altas temperaturas superiores a los 45 ºC. Investigaciones previas han mostrado que las altas temperaturas pueden dañar y eliminar las células cancerígenas y hacer más sensibles a la radiación a las células madre del cáncer con efectos secundarios mínimos para los tejidos sanos. Sin embargo, en los pasados años se ha abandonado en gran medida la hipertermia debido a la dificultad de desarrollar herramientas para calentar los tumores de forma rápida y local.

Oro para activar el calor

Los científicos, dirigidos por Rachel Atkinson, han diseñado nanopartículas de oro para activar el calor en las células madre y hacerlas más sensibles a la terapia de radiación. Los autores del trabajo muestran que la hipertermia administrada con nanopartículas de oro inhibe las células madre del cáncer en modelos de ratón del cáncer de mama.

El oro es un envoltorio ideal para las nanocápsulas, pequeños pedacitos de silicio redondeados, debido a su menor toxicidad para los tejidos biológicos en comparación con otros materiales. En el experimento los ratones recibieron una única inyección de nanocápsulas de oro directamente en los tumores. Las nanocápsulas atravesaron los vasos sanguíneos y terminaron en los tumores, donde produjeron calor local cuando se activaron por un láser.

Estas nanocápsulas inductoras de calor evitaron que las células tumorales repararan los daños en el ADN producidos por la radiación y aumentaron así su sensibilidad a la terapia. Un día después del tratamiento, los ratones que sólo habían recibido radiación tenían células cancerígenas que se multiplicaban más rápido y formaban tumores más agresivos que los ratones que no recibieron tratamiento. Por otro lado, los ratones que recibieron hipertermia con radiación tenían una tasa menor de células cancerígenas en proliferación y se les formaron menos tumores, lo que sugiere que la hipertermia bloqueó el crecimiento de las células madre del cáncer y que podría haber cambiado sus propiedades agresivas.

Después, los investigadores dieron un paso más y repitieron estos experimentos con muestras de tumores de mama humanos propagados en ratones. Una vez más, los autores observaron que el calentamiento inducido por las nanocápsulas convirtió a las células madre del tumor de mama humano en mucho más sensibles a la radiación.


Science Translational Medicine 2010;DOI:10.1126/scitranslmed.3001447
Thermal Enhancement with Optically Activated Gold Nanoshells Sensitizes Breast Cancer Stem Cells to Radiation Therapy
Thermal Enhancement with Optically Activated Gold Nanoshells Sensitizes Breast Cancer Stem Cells to Radiation Therapy — Sci TM

Baylor College of Medicine - Houston, Texas
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