Уникальный препарат на основе наночастиц, совмещающий в себе диагностику и терапию раковых опухолей, разработан российскими учеными Института биоорганической химии. Многофункциональное лекарство способно найти клетки опухоли в организме, селективно соединиться с ними и обеспечить их уничтожение под действием внешнего поля. Пока препарат прошел испытания in vitro, на очереди in vivo стадия.
Лекарство будущего должно быть «умным» (то есть самостоятельно находя себе поле деятельности, диагностируя заболевание), направленным (действовать без побочных эффектов) и индивидуальным (подобранным для каждого пациента с его проблемой и стадией развития заболевания). Особенно это касается онкологических заболеваний, при которых борьба со злокачественными клетками зачастую сопровождается угнетением всего организма и его разрушением. Конечно, в своем роде это еще фантазии.
Однако прообраз «умных» препаратов можно видеть уже сейчас – в последних разработках ведущих ученых.
Сотрудники лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН смогли создать многофункциональный препарат на основе сшитых белками наночастиц, который способен самостоятельно идентифицировать опухоль в организме, окрашивать ее, делая видимой для врача, а затем может уничтожать пораженные клетки под действием внешнего магнитного поля. Их работу публикует Proceedings of the National Academy of Sciences.
Авторский коллектив работы под руководством заведующего лабораторией члена-корреспондента РАН Сергея Михайловича Деева в целом очень молодой. Один из соавторов – молодой кандидат наук, другая – аспирантка, а вот первый автор работы Максим Никитин сейчас заканчивает шестой курс – магистратуру МФТИ в Долгопрудном.
Максим Никитин, фото из его личного архива
Отдел науки «Газеты.Ru» поздравил Максима с таким серьезным достижением на заре научной карьеры и попросил подробнее рассказать о проведенной работе.
– В чем новизна ваших разработок?
– Нанотехнологические медицинские препараты сейчас – «передний край» науки. В разных странах разрабатываются различные подходы к этому вопросу, есть разработки по магнитным, золотым наночастицам, квантовым точкам и т. д. Большинство исследований посвящено либо созданию самих лекарственных препаратов, либо технологиям их направленной доставки (англ. – targeted drug delivery), которые обеспечат доставку препарата непосредственно в ту часть организма, которая в ней нуждается.
В принципе, создано довольно много препаратов на основе наночастиц, все они имеют свои достоинства и недостатки. В частности, наночастицы, конъюгированные (соединенные) с антителами, способны находить в организме раковые клетки и селективно присоединяться к ним. Если частицы флуоресцентны, то они могут быть использованы для диагностики злокачественных опухолей – они их специфически окрашивают. Если частицы магнитные, то они могут быть использованы для уничтожения опухолей или метастаз – под воздействием внешнего поля они, нагреваясь, убивают раковые клетки.
Важность и новизна нашей работы в том, что мы разработали подход для создания многофункциональных агентов, совмещающих в себе одновременно и магнитные, и флуоресцентные частицы, и антитела, «нацеливающие» препарат на раковую опухоль. Причем этот подход универсален, за счет него данной структуре можно будет придать и другие функции, например, присоединить токсин, вирус или бактерию, которые убьют клетку-мишень.
Таким образом, комбинация ценных свойств наночастиц позволяет получить препарат, работающий последовательно для диагностики, а затем для лечения опухоли.
На первом этапе такие многофункциональные структуры могли бы за счет антител распознать раковые клетки, а за счет флуоресцентных квантовых точек или полимерных частиц прокрасить опухоль, чтобы хирург видел, какой участок необходимо удалять. На втором этапе могут быть уничтожены метастазы – самое опасное проявление онкологического заболевания. Для этого используются магнитные наночастицы, входящие в состав тех же структур. Они разрушают оставшиеся раковые клетки под воздействием внешнего магнитного поля.
По сути, многофункциональность препарата достигается за счет совмещения в одной структуре разных частиц. Как в детском конструкторе, мы можем совмещать совершенно разные частицы в одном лекарстве.
Как объединяются эти частицы? Для этого мы используем два специальных сильно взаимодействующих друг с другом бактериальных белка – барназу и барстар. Один тип частиц конъюгирован с одним белком, другой тип – с другим. После смешения таких биоконъюгатов они прочно связываются, за счет чего в одной структуре можно объединить совершенно разные по размерам и химической природе агенты.
Наша работа, как и большая часть перспективных сегодня исследований, ведется на стыке наук – фактически, это и физика, и биология.
– Как проходило испытание препарата?
– На первом этапе исследования нами разрабатывался механизм самосборки частиц, и обеспечение успешной сборки было нашей промежуточной целью. На этом этапе речь еще не шла о терапии, но лишь об успешной разработке механизма, матрицы для комбинации разных частиц в одном препарате.
На второй стадии начались in vitro испытания наших частиц на клеточных культурах. Оказалось, что наш механизм работает весьма успешно.
К раковым клеткам были добавлены трифункциональные структуры: магнитные, флуоресцентные и противоопухолевые (направленные на раковые клетки за счет антител). На первом этапе частицы успешно присоединились к рецепторам, специфически отличив клетки-мишени от других клеток.
Cцепленные с наночастицами клетки образовывают буквы MF. Размер белого прямоугольника — 0,5 мм // PNAS
Затем мы приложили к суспензии таких «меченых» клеток хитрое магнитное поле так, чтобы сцепленные с наночастицами клетки образовали буквы MF (англ. – multifunctional, многофункциональный). Как видно на иллюстрации, клетки успешно расположились по этому контуру. Этот изящный пример показывает, как мы можем управлять движением сцепленных с наночастицами клеток. Таким образом, например, можно магнитным полем удалить из крови больного лейкозом раковые клетки. После того как мы исследовали образец с помощью флуоресцентного микроскопа – «выложенные» клетками буквы светились. Это значит, что и флуоресцентная компонента трифункциональных структур работает, успешно «прокрашивая» раковые клетки.
Это весьма удобная методика для разработки индивидуальных препаратов – мы видим ее как некое «лекарство будущего».
– Как будет практически реализовываться работа такого препарата?
– В перспективе для каждого пациента можно будет подобрать отдельное лечение и свое собственное лекарство с нужным соотношением структурных единиц в нем. В зависимости от конкретной ситуации врач может решить, чему больше следует уделить внимание, например, диагностике или терапии, в случае данного конкретного пациента. Сообразно этому, за считанные минуты врач сможет скомбинировать необходимые модули в многофункциональные структуры, пользуясь препаратами из 20 баночек, стоящих на столе.
Практическое применение таких препаратов для лечения – пока еще отдаленные планы.
Однако исследования полученных многофункциональных препаратов in vivo уже ведутся – мы проверяем, годятся ли они для диагностики и лечения опухолей у мышей и крыс, а также смотрим, что происходит с наночастицами в живых организмах.
– Как велась подготовка к публикации полученных данных?
– Нашей публикации предшествовала большая работа. Достаточно лишь сказать, что при обсуждении возникло 27 вариантов манускрипта, всего было подготовлено более 180 вариантов рисунков. В статью же вошло только пять
(еще пять в расширенное приложение работы). Работа была поддержана программами РАН «Молекулярная и клеточная биология», «Нанотехнологии и наноматериалы», а также Российским фондом фундаментальных исследований.
