Троянский конь для опухоли: как новые магнитные наночастицы уничтожают раковые клетки

Принцип «Найти и обезвредить» как нельзя лучше характеризует новую разработку отечественных ученых — гибридные магнитные наночастицы, доставляющие противоопухолевые соединения в биологическую мишень. Созданные биосовместимые системы накапливаются в злокачественных новообразованиях, позволяя визуализировать опухоль и затем уничтожать раковые клетки с помощью света, активирующего действие противоопухолевого вещества в составе наносистем, — в темноте новые наноструктуры не работают. Инновация может помочь в создании более безопасных высокоточных средств борьбы с раком. Об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказали ученые из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, возглавившего масштабный проект.

В большинстве случаев химиотерапия действует не только на раковые клетки, но и на здоровые ткани, вызывая серьезные побочные эффекты. Поэтому сейчас ведутся разработки, направленные на повышение избирательности технологий лечения онкозаболеваний. Новые технологии помогут точечно уничтожать злокачественные новообразования, минимизируя при этом вред для остального организма.

Одно из возможных решений — целевая доставка в опухоль веществ-фотосенсибилизаторов. Эти соединения «включаются» под воздействием света с определенной длиной волны. Проникая в биологические ткани, такой свет активирует препарат, запускающий в клетке-мишени химические реакции. В результате образуется большое количество активных форм кислорода, в том числе радикалов, убивающих патологические клетки. Эти системы не активируются без света, и их темновое нетоксичное поведение — важный критерий метода фотодинамической терапии.

На этом подходе к онкотерапии и основана перспективная разработка российских исследователей — гибридные наночастицы со структурой «оболочка — ядро» на основе оксидов железа, предназначенные для транспортировки фотосенсибилизатора внутрь опухоли (рис. 1). Магнитные свойства ядер позволяют задействовать внешний магнит для концентрирования наноструктур в нужном месте в организме. А чтобы иммунная система не восприняла «посланников» как угрозу, наночастицы покрываются биосовместимой оболочкой из белка — человеческого сывороточного альбумина.

Чтобы наносистемы сами «узнавали» клетки опухоли и лучше проникали в них, исследователи модифицировали наносистемы нацеливающим агентом — фолатом (фолиевой кислотой). Это вещество необходимо опухолевой ткани для роста и развития. На поверхности некоторых видов раковых клеток располагаются многочисленные рецепторы для связывания фолиевой кислоты, поэтому наночастицы, модифицированные этим соединением, лучше достигают цели. Эксперименты показали, что наноструктуры с фолатом на поверхности могут накапливаться в клетках рака молочной железы вдвое эффективнее, чем их версии без нацеливающего агента.

Деталями исследования с корреспондентом «Научной России» поделились его ключевые авторы из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН): руководитель проекта старший научный сотрудник, кандидат химических наук Анна Владимировна Бычкова и ответственные за поисковую часть исследования по разработке метода получения гибридных наносистем и их характеризации физико-химическими методами: научный сотрудник Мария Григорьевна Горобец, младший научный сотрудник Анна Валентиновна Торопцева и младший научный сотрудник, аспирант Мадина Ильдаровна Абдуллина.

«Ожидается, что магнитные наночастицы с лекарственной нагрузкой достигнут места опухоли после введения в кровоток. Нацеливающий агент при этом будет способствовать “узнаванию” наносистем опухолевыми клетками, характеризуемыми повышенной экспрессией рецептора к фолиевой кислоте, а магнитное поле может быть использовано для концентрирования частиц в целевой области, — объяснили исследователи. — Дефектная архитектура опухолевых тканей предоставляет возможности для усиленного проникновения в них наночастиц и удержания их внутри. Сывороточный альбумин также в большей степени связывается с опухолевыми клетками, чем с обычными, поскольку служит для них источником питания».

В роли «боеголовки» наночастиц выступает фотосенсибилизатор метиленовый синий (рис. 2). Исследователи упростили процесс получения наноструктур: вместо того чтобы присоединять действующее вещество к частицам с помощью прочных химических (ковалентных) связей, они встроили фотосенсибилизатор в альбуминовую оболочку нековалентно.

Свойства наночастиц делают их пригодными не только для терапии, но и для диагностики онкозаболеваний.

«За счет магнитного ядра разработку можно использовать для диагностики опухолей (например, через МРТ-детекцию) путем изменения контраста изображений. А то, что наносистемы благодаря остатку фолиевой кислоты могут избирательно связываться с рецепторами на опухолевых клетках, способствует улучшению визуализации опухоли, в том числе на ранних стадиях заболевания, — отметили ученые. — Наносистемы уже продемонстрировали потенциал в доставке лекарств и диагностике рака в других исследованиях, а фотодинамическая терапия зарекомендовала себя как один из перспективных терапевтических методов борьбы с опухолями. Однако комбинация “магнитное ядро + альбумин + остаток фолиевой кислоты + фотосенсибилизатор” в одной наносистеме представляет новизну и развитие существующих подходов».

Лабораторные испытания инновации увенчались успехом: наносистемам понадобилось всего три часа на накопление в клетках и небольшой дозы света, чтобы уничтожить 17% культивированных опухолевых клеток молочной железы. При этом в темноте наночастицы проявляли минимальную токсичность, что в перспективе даст возможность точечно разрушать клетки опухоли, не подвергая серьезной нагрузке здоровые структуры организма. 

«Мы работаем не только на стыке различных областей знаний — химии, физики, биологии, медицины, нанотехнологии, но и с объектами, методы изучения которых постоянно развиваются, — подчеркнули авторы исследования. — Мы не только синтезируем и описываем наночастицы, но и создаем методики для их разносторонней характеризации, способные найти широкое применение. Гибридные наносистемы, полученные в рамках исследования, имеют достаточно сложный состав: ядро в виде магнитных наночастиц, оболочку из сывороточного альбумина, нацеливающую молекулу, а также фотосенсибилизатор в качестве терапевтической нагрузки. Создавая наносистемы, мы варьировали состав среды, соотношения компонентов, время связывания. Нам также было важно подтвердить, что компоненты эффективно взаимодействуют друг с другом даже при работе с очень низкими концентрациями и минимальными объемами образцов. При этом одни компоненты наносистем могут препятствовать обнаружению других. Для нас с коллегами стало большим успехом количественное определение компонентов наносистем.

Были получены результаты, напрямую связанные с потенциальным применением гибридных систем. На следующих этапах испытаний, уже на опухолевых клетках, проведенных старшим научным сотрудником, кандидатом биологических наук Алиной Александровной Марковой и младшим научным сотрудником Минь Туан Нгуеном, было показано, что наночастицы с фолиевой кислотой накапливаются в одной из клеточных линий рака молочной железы эффективнее, чем образцы без такой модификации. Эта клеточная линия отличалась повышенной экспрессией рецептора к фолиевой кислоте. Визуализация клеток с наночастицами показала, что наноструктуры распределяются в цитоплазме, содержащей мишени для быстрого уничтожения клеток при действии фотосенсибилизаторов. Кроме того, нам удалось подтвердить гибель опухолевых клеток за счет действия фотосенсибилизатора и обнаружить, что темновая токсичность гибридных наносистем минимальна, что позволяет управлять гибелью опухолевых клеток, регулируя загрузку частиц фотосенсибилизатором и управляя дозами облучения.

Таким образом, мы получили свидетельства нацеленного воздействия терапевтического вещества на опухолевые клетки. Это важная составляющая разработки так называемых таргетируемых наносистем, которые можно сделать безопасными для здоровых клеток. Использование сывороточного альбумина в качестве покрытия создает предпосылки для персонализированной терапии. Это самый распространенный белок в плазме крови человека, поэтому его можно легко получить от будущего пациента. В результате он вызовет минимальный иммунный отклик, став частью “троянского коня”, несущего в себе разрушительную силу — противоопухолевый препарат. Магнитное ядро тоже обладает рядом достоинств — хорошо известно, что оно способствует концентрированию наносистем и визуализации опухоли. Когда мы создаем многокомпонентную гибридную систему, которая показывает хорошие результаты, можно переходить к этапу исследования, нацеленному на более тонкую подстройку соотношения компонентов для повышения эффективности разработки».

Отдельная тщательно исследуемая деталь технологии — дальнейшая судьба наночастиц после введения в организм.

«Поведение наносистем на основе оксидов железа исследуется в течение десятилетий на предмет распространения в живых системах после введения, а также возможности их деградации в организме, — сообщили исследователи. — Модифицирующий слой на поверхности наночастиц оксидов железа частично предопределяет их судьбу в организме. Известно, что они вовлекаются в естественные процессы метаболизма железа. Наши исследования на модельных животных показали, что содержание в организме наночастиц различных размеров снижается в течение нескольких дней после их введения».

Ученые не только охарактеризовали свойства полученных наночастиц, но и детально разработали технологию их получения.

«Методика синтеза гибридных наносистем отличается тем, что учитывает возможность модификации их поверхности различными нацеливающими молекулами и молекулами терапевтического действия. Мы продемонстрировали это на различных примерах, в том числе на веществах, объединяющих нацеливающие и лечебные функции. На первом этапе во всех случаях синтезируются наночастицы на основе оксидов железа, размер которых можно варьировать под конкретные задачи. Затем они покрываются альбумином, что приводит к получению своеобразной платформы, готовой к дальнейшей модификации низкомолекулярными соединениями, — поделились создатели разработки. — Мы разработали методику получения стабильного и целостного покрытия из сывороточного альбумина на наночастицах. Оно достаточно хорошо охарактеризовано в цикле наших работ. Следует отметить, что и магнитные наночастицы оксидов железа, и сывороточный альбумин — нередко используемые компоненты гибридных медицинских наносистем, что предопределяет достаточную проработанность мирового задела в области применения этих структур.

Интересно, что с такой платформой биологически активные соединения могут быть связаны как ковалентно, так и нековалентно, причем их эффективность сохраняется в обоих случаях, что мы показали в дальнейших исследованиях. Одна из важнейших причин этого заключается в том, что альбумин в организме человека выполняет функции транспортного белка, связывая и перенося множество природных и синтетических соединений». 

Вместе с ИБХФ РАН в масштабном проекте участвовали Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России, Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Российский университет дружбы народов и Саратовский национальный исследовательский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского.

«В ходе выполнения проекта рос коллектив исследователей, объединенных сотрудничеством в рамках данной тематики и смежных. Основная часть работы выполнялась в ИБХФ РАН — главной организации по выполнению проекта РНФ “Разработка фундаментальных основ создания и практического применения в биологии и медицине гибридных мультифункциональных наноразмерных структур на основе магнитных наночастиц” под руководством кандидата химических наук А.В. Бычковой, — рассказали исследователи. — Выполнение работы на высоком уровне стало возможным благодаря участию в проекте РНФ коллег из других организаций. Так, большой вклад в успешную проверку биомедицинского потенциала наносистем внесли сотрудники НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России».

Результаты экспериментов ученые представили в журнале Pharmaceutics.

«Благодаря постоянному сотрудничеству с химиками-синтетиками мы смогли развить успех первых этапов и расширить круг молекул, отвечающих за нацеливание на биологические мишени. Мы в том числе используем вещества, ранее никогда не включавшиеся в состав гибридных наносистем. За время выполнения проекта и после его завершения мы также увеличили перечень применяемых фотосенсибилизаторов. Кроме того, у нас накопились наработки в области масштабирования приготовления наносистем, так как мы регулярно занимаемся оценкой свойств наносистем в биологических системах: клетках, животных, — поделились авторы проекта. — Сейчас у нас много планов по различным направлениям развития исследований. Например, мы намерены усложнять состав гибридных наносистем, получать наноструктуры с выраженным синергетическим действием их компонентов-лигандов. Помимо этого, представляют интерес подбор оптимального количества низкомолекулярных веществ (лигандов) на поверхности наносистем для их наибольшей эффективности, а также отработка новых методик для количественной оценки связывания лигандов с платформами. Эти работы напрямую связаны с созданием высокоточных препаратов для нацеленной терапии рака, а также новых систем диагностики».

В будущем ученые хотят улучшить возможности получаемых наночастиц с помощью других молекулярных добавок.

«Пока мы работаем с молекулами нацеливающего и терапевтического назначения. Мы открыты к сотрудничеству с химиками-синтетиками, создающими новые молекулы биологически активных соединений, а также с биологами, предлагающими нам для работы ферменты и другие белковые молекулы, модификация которыми наночастиц может раскрыть новые перспективы в синтезе гибридных наносистем. У нас уже есть несколько идей, требующих времени и других ресурсов для воплощения. Конкретные прогнозы давать пока рано», — заключили А.В. Бычкова, М.Г. Горобец, А.В. Торопцева и М.И. Абдуллина.

О значении исследования корреспонденту «Научной России» рассказал научный руководитель ИБХФ РАН член-корреспондент РАН Сергей Дмитриевич Варфоломеев.

«Комплексный подход, объединяющий синтез наноматериалов, их физико-химическую характеристику и биомедицинские исследования, позволяет не только глубже понимать механизмы взаимодействия наносистем с биологическими средами, но и создавать практико-ориентированные решения, востребованные клиницистами. При этом создание функциональных наноструктур, способных избирательно взаимодействовать с биологическими объектами, открывает принципиально новые возможности для диагностики и терапии, прежде всего в онкологии», — сказал С.Д. Варфоломеев.

Ученый также раскрыл некоторые детали исследований ИБХФ РАН в области медицины, занимающих важное место в работе института.

«В нашем институте направление разработки новых материалов развивается в логике комплексного междисциплинарного подхода, охватывающего как фундаментальные, так и прикладные аспекты. Важную роль играет получение новых композиций, включая биополимерные системы для контролируемой адресной доставки биологически активных веществ. Эти композиции позволяют повысить эффективность и снизить системную токсичность лекарственных соединений. Особое место занимают исследования механизмов действия противоопухолевых препаратов, а также разработка новых методов терапии и диагностики в области персонализированной медицины, — отметил С.Д. Варфоломеев. — Значительное внимание уделяется созданию новых сенсорных материалов и инновационных технологий молекулярной диагностики, позволяющих повысить чувствительность и специфичность выявления патологических процессов на ранних стадиях. Ведутся исследования основ функционирования биомолекулярно-физиологических систем, что обеспечивает научную базу для интерпретации взаимодействия наносистем с живыми структурами.

Мы рассматриваем данные направления как стратегически важные для науки. Уверены, что проведение междисциплинарных исследований высокого уровня способствует формированию научно-технологических заделов нового поколения и вносит весомый вклад в развитие медицинских технологий, а также в повышение качества диагностики и эффективности лечения социально значимых заболеваний, включая онкологические».

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии А.В. Бычковой, М.Г. Горобец, А.В. Торопцевой и М.И. Абдуллиной

Комментарии С.Д. Варфоломеева

Российский научный фонд. Ученые создали многофункциональные наночастицы для диагностики и уничтожения опухолей под действием света

Источник изображений на превью и на главной странице: сгенерированы ИИ в иллюстративных целях / фотобанк 123RF. 

Источники изображений на странице: Анна Торопцева / ИБХФ РАН, Мадина Абдуллина / ИБХФ РАН, Мария Горобец / ИБХФ РАН, сгенерировано ИИ в иллюстративных целях / фотобанк 123RF (на основе изображения auntspray / фотобанк 123RF), drmicrobe / фотобанк 123RF, armmypicca / фотобанк 123RF, Ольга Мерзлякова / «Научная Россия».