Breast cancer month: Nanoparticles, a trap against cancer

25/10/2016

Despite recent advances in the fight against cancer, scientific research continues on several fronts. Current studies in the field of nanomedicine are proving very promising. Professor Valentina Cauda, from ​​the Politecnico di Torino, has received funding from the European Research Council (ERC) for a pioneering project in this field, designed to develop therapies to target cancer cells without affecting the surrounding tissue.

Researcher  picture: © Politecnico di Torino

Italian Version

What is your project about?

 In my lab we design nanoparticles – known as TrojaNanoHorses (TNH) – which are engineered to be biomimetic, meaning that they can be injected into the bloodstream without causing immune reactions within the receiving body, that is, the tumour. The idea is that of the Greek myth of the Trojan Horse, which is not recognized as dangerous, hence is taken inside the city. Just like the horse, once inside the tumour cell, the nanoparticles give rise to mechanisms that can destroy it. In addition to this therapeutic effect, we have also designed the nanoparticles as diagnostic tools. In fact, when stimulated with ultraviolet lighting techniques, they will allow a better vision of the area affected by the tumour.

Currently there are many studies on this type of targeted treatment. What is the specificity of the nanoparticles you work with?

There are numerous and very valid studies carried out in recent years in the field of nanomaterials, materials of the dimensions of one billionth of a meter. Many of these involve the use of nanodrugs that are incorporated in the particle to be transported to the tumour cell. The difference of this project is that we do not foresee the use of chemotherapeutical substances associated with the nanoparticle. This should reduce the risks linked to the administration of these substances, in particular their unintentional release during the journey, which can damage other healthy tissues and organs. The therapeutic effect is due to a mechanism by which the nanoparticle disintegrates inside the tumour cell, releasing ions and radicals that damage it. Often, one hears of free radicals that are created by sunlight exposure and cause the ageing of cells. The procedure is very similar but, in this case, the release of radicals is extremely localized, and only occurs within the cancer cell.

Could this also be a valuable treatment for breast cancer?

The key to reaching the tumour is given by the molecules placed on the surface of the nanoparticle, which give the exact "address" to hit the target tumour cells. It will therefore be necessary to find the specific molecules to target breast cancer, in cooperation with clinicians and biologists with experience treating this type of tumour. It is essential, in fact, to find the peptide or antibody that binds to a specific receptor on the cancer cell, the selectivity otherwise fails and you can end hitting other cells. In general, it will be possible to extend these considerations to any type of cancer.

How will your project develop?

For the moment, the project is focused on the development of the nanoparticle in the lab. In the future, it will also cover the mechanisms of treatment and diagnosis on the tumour. During the next five years we will do studies on cultures of cancer cells in the lab and, if the data will be comforting, we can move on to clinical trials on patients, probably not before the next ten years.

How did you decide to specialise in nanomedicine?
Nanotechnologies have opened new horizons in various fields, as demonstrated by the recent Nobel Prize for chemistry about molecular machines. After my PhD, I started working with various groups that were working on nanoparticles for controlled drug delivery. Nanomedicine is an exciting interdisciplinary field, and without materials science, chemistry and physics, therapies may not be developed in an innovative and effective way. In Italy we are rather advanced in this field. In my group, eleven specialists from different disciplines work with me. They are all Italian, but we are trying to open up internationally thanks to an ERC initiative that will allow us to host researchers from around the world visiting an ERC laboratory.

Valentina Cauda is a chemical engineer. After obtaining her PhD in materials sciences in Italy, she worked at the University of Munich collaborating with various groups specialising in biomedical research. She decided to return to Turin initially at the Italian Institute of Technology and now, with ERC funding for her project, at the Politecnico di Torino, where she leads a research team.

Prof. Valentina Cauda and her team at Politecnico di Torino


Nanoparticelle: un tranello contro il cancro

Malgrado i recenti progressi nella lotta contro il cancro, la ricerca scientifica non si arresta e continua su vari fronti. Gli studi attualmente condotti nell’ambito della nanomedicina si stanno rivelando molto promettenti. La Prof.ssa Valentina Cauda, del Politecnico di Torino, ha ottenuto un finanziamento dallo European Research Council (ERC) per un progetto d’avanguardia in questo campo, mirato a sviluppare terapie che distruggono le cellule tumorali senza intaccare i tessuti circostanti.

In cosa consiste il suo progetto?

Nel mio laboratorio progettiamo delle nano-particelle - ribattezzate nano-Cavalli di Troia - che vengono ingegnerizzate per essere biomimetiche: questo significa che potenzialmente possono essere iniettate nel circolo sanguigno senza suscitare reazioni immunitarie nell'organismo che le riceve, cioè nel tumore. L'idea è quella del mito greco del Cavallo di Troia, che non essendo riconosciuto come pericoloso, viene lasciato entrare nella città. Proprio come il cavallo, una volta all’interno della cellula tumorale, le nanoparticelle danno luogo a meccanismi che la distruggono. Oltre a questo effetto terapeutico, le abbiamo progettate anche come strumenti diagnostici. Infatti le nanoparticelle, stimolate con tecniche di illuminazione ultravioletta, permetteranno anche di visualizzare l'area tumorale colpita.
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Attualmente esistono già molte altre ricerche su questo tipo di trattamento. Qual è la specificità delle nanoparticelle che studiate?
Ci sono tantissime e validissime ricerche condotte già da diversi anni nel campo dei nanomateriali, materiali di dimensioni nanometriche (1 miliardesimo di metro). Molte di queste prevedono l'utilizzo di nano-farmaci che vengono incorporati nella particella per essere trasportati fino alla cellula tumorale. La differenza di questo progetto è che noi non prevediamo l'utilizzo di chemioterapici associati alla nanoparticella. Questo dovrebbe abbattere i rischi legati alla somministrazione di tali sostanze, in particolare il rilascio involontario durante il percorso, che rischia di danneggiare altri tessuti e organi sani. L'effetto terapeutico è dovuto ad un meccanismo per cui la nanoparticella si disintegra all'interno della cellula tumorale liberando ioni e radicali che la danneggiano. Si sente spesso parlare dei radicali liberi che si creano quando ci si espone alla luce solare e che causano l'invecchiamento delle cellule. Il procedimento è molto simile ma, in questo caso, il rilascio di radicali è estremamente localizzato, e avviene soltanto all'interno della cellula tumorale.

Si tratta di un trattamento valido anche per i tumori al seno?
La chiave per raggiungere il tumore è data dalle molecole  poste sulla superficie della nanoparticella e che danno “l'indirizzo” esatto per andare a colpire le cellule tumorali bersaglio. Sarà quindi necessario trovare “l’indirizzo” specifico per il cancro alla mammella, in collaborazione con medici e biologi esperti in questo tipo di tumore. È fondamentale infatti trovare il peptide o l'anticorpo che si lega al recettore presente sulla specifica cellula tumorale, altrimenti viene a mancare la selettività e si va a colpire qualsiasi tipo di cellula. In generale sarà possibile estendere queste considerazioni a qualsiasi tipo di tumore.
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Come si svilupperà il suo progetto?
Il progetto per ora riguarda lo sviluppo della nanoparticella in laboratorio, quindi lo studio dei meccanismi di terapia e diagnosi sul tumore. Durante i prossimi cinque anni faremo studi su culture di cellule tumorali in laboratorio e, se i dati saranno confortanti, si potrà passare alla sperimentazione clinica sui pazienti ma non prima di una decina anni.

Come mai ha deciso di specializzarsi in nanomedicina?
Le nanotecnologie aprono nuovi orizzonti in vari campi, come ha dimostrato anche il recente Premio Nobel per la Chimica sulle macchine molecolari. Dopo il dottorato ho cominciato a lavorare con vari gruppi specializzati su nanoparticelle per il rilascio controllato dei farmaci.  La nanomedicina è un campo appassionante perché è interdisciplinare, e senza la scienza dei materiali, la chimica e la fisica, le terapie non potrebbero esser sviluppate in modo innovativo ed efficace. In Italia siamo abbastanza all’avanguardia in questo campo. Nel mio gruppo lavorano undici persone specializzate in ambiti diversi. Sono tutti italiani, ma stiamo cercando di aprirci a livello internazionale grazie ad un’iniziativa dell'ERC che permetterà di ospitare ricercatori da tutto il mondo in visita a un laboratorio ERC.
Per saperne di più:

Valentina Cauda è un ingegnere chimico. Dopo aver ottenuto il dottorato in scienza dei materiali in Italia, ha lavorato all’Università di Monaco di Baviera collaborando con vari gruppi attivi nella ricerca biomedica. Ha deciso di tornare a Torino prima presso l’Istituto Italiano di Tecnologia e ora, con il finanziamento del progetto ERC, presso il Politecnico di Torino dove dirige un’équipe di ricerca.

  • Project details:
    Researcher (PI): 
    Valentina Cauda
    Host institution: 
    Politecnico Di Torino, Italy
    Project: 
    Hybrid immune-eluding nanocrystals as smart and active theranostic weapons against cancer, (TROJANANOHORSE)
    ERC call: 
    Starting Grant , ERC-2015-STG, panel
    Max ERC funding: 
    1,489,219 €
    Duration: 
    Start date: 2016-03-01, End date: 2021-02-28