ВЫПУСК 88

Новый механизм доставки лекарств с помощью дендримеров

Ученые Института фармацевтических наук Монаш (Monash Institute of Pharmaceutical Science – MIPS) в сотрудничестве с биотехнологической компанией Starpharma Holdings Ltd разработали новый метод доставки лекарственных веществ, который может помочь тысячам пациентов с определенными формами рака, ВИЧ и заболеваниями лимфатической системы.

Группа исследователей из Мельбурна показала, как дендримеры из пегилированного полилизина (PEGylated polylysine dendrimers), новый тип наноразмерных систем доставки лекарственных препаратов, могут быть изменены таким образом, что сами выбирают своей мишенью или лимфатическую систему, или кровоток.

Руководитель исследования профессор Крис Портер (Chris Porter) считает, что открытие имеет особое значение для лечения болезней, распространяющихся лимфагенным путем.

«Мы рады тем возможностям, которые наша технология может предложить для улучшения лечения определенных форм рака, включая метастазирующие, лимфомы, ВИЧ-инфекции и туберкулеза», - говорит профессор Портер.

Дендримеры – синтетические наноматериалы диаметром около 5-10 нанометров. Они состоят из нескольких слоев полимера, окружающих ядро. Поверхность дендримера имеет множество различных участков, с которыми связываются молекулы лекарственных веществ, а также сайтов для присоединения таких материалов как полиэтиленгликоль (PEG), изменяющих характер взаимодействия дендримеров с организмом.

Молекулы полимера PEG прикрепляются к дендримерам для «маскировки»: в таком случае защитные силы организма не воспринимают дендримеры как чужеродные вещества. Это позволяет замедлить процесс их разрушения. Таким образом, системы доставки лекарств циркулируют в организме в течение более длительного периода времени, максимально используя свою способность достигать соответствующих целей.

Группа профессора Портера и Starpharma и раньше занимались исследованием дендримеров как средства доставки лекарственных веществ, но последние разработки ученых кажутся особенно многообещающими.

Данные, опубликованные в журнале Journal of Controlled Release, показывают, что путем увеличения размера дендримера за счет изменения длины полимерной цепочки полиэтиленгликоля можно достичь резкого усиления эффективности их абсорбции при подкожных инъекциях и добиться их поступления в лимфатическую систему. И наоборот, более короткие полимерные цепочки способствуют быстрому переходу дендримеров в кровь.

«Наша работа позволяет предположить, что детальная проработка размера и поверхностных характеристик пегилированных полилизиновых дендримеров предоставляет нам возможность выбора – либо эти наночастицы всасываются и распространяются через кровоток, либо через лимфатическую систему», - поясняет профессор Портер. «При проведении терапии такая особенность механизма достижения мишени открывает возможность максимально увеличить концентрацию лекарственного препарата в лимфатической системе и, что очень важно, уменьшить ее в других тканях и органах, снизив таким образом побочные эффекты и токсичность. Все только в начале, но мы уверены, что у этого метода лечения есть значительный потенциал».

По материалам Monash University.

Оригинал статьи

PEGylated Dendrimers: A Novel Mechanism of Drug Delivery

Сконструирован наноконтейнер из вируса бобового растения

Ученым впервые удалось получить полую наночастицу из модифицированного вируса и превратить ее в контейнер для доставки полезных химических веществ.

Внешняя поверхность таких наноконтейнеров покрыта молекулами, способными сопроводить их туда, где они необходимы организму, до того, как из них выделятся загруженные химические вещества. Контейнеры – частицы вируса мозаики вигны (CPMV - Cowрea mosaic virus), который идеально подходит для создания наноразмерных биоматериалов.

«Это настоящий прорыв в технологиях использования вируса мозаики вигны», - говорит профессор Джордж Ломонософф (George Lomonossoff) из Центра Джона Иннеса (John Innes Centre), один из авторов статьи, которая будет опубликована в специализированном научном нанотехнологическом журнале Small.

Ранее ученые уже пытались убрать из вирусной частицы ее генетический материал, используя облучение или химическую обработку. Хотя это и приводило к потере ее инфекционных свойств, такие методы не могли сделать вирусную частицу полностью полой.

Исследователи из Центра Джона Иннеса обнаружили, что можно собрать полые частицы из их предшественников прямо в растениях, а затем извлечь их, чтобы наполнить нужными веществами.

Как в Центре Джона Иннеса, так и в других исследовательских лабораториях ученые уже научились связывать с поверхностью вирусов полезные молекулы.

«Но теперь мы можем загружать вещества и внутрь полых вирусных частиц, создавая фантастические контейнеры для химических веществ», - говорит руководитель исследования доктор Дэйв Эванс (Dave Evans).

«Это вносит огромные изменения во всю технологию и открывает новые направления в исследованиях», - говорит профессор Ломонософф. Пока мы даже не знаем всех потенциальных сфер применения таких наночастиц, так как раньше их просто не существовало».

Вирусные наноконтейнеры могут, например, применяться для лечения рака. На поверхности раковых клеток находятся молекулы интегринов. Вирусные частицы можно покрыть молекулами пептидов, специфически связывающихся с интегринами. Это позволит наночастицам выбрать среди здоровых и пораженных клеток только раковые. Связавшись с раковыми клетками, вирусные частицы выделят содержащиеся внутри антиканцерогенные препараты.

Существующие в настоящее время противораковые препараты повреждают как раковые, так и здоровые клетки. С помощью новой технологии доставка лекарств может стать более адресной.

«Потенциальная возможность использования вируса мозаики вигны как средства адресной доставки лекарственных препаратов теперь стала реальностью», - говорит доктор Эванс.

Подробная информация: "Cowpea Mosaic Virus Unmodified Empty Virus-Like Particles Can Be Loaded with Metal and Metal Oxide." DOI:10.1002/smll.200902135

По материалам Norwich BioScience Institutes.

Оригинал статьи

Designer nano luggage to carry drugs to diseased cells

«Умные» золотые наночастицы находят и убивают раковые клетки

В арсенале борьбы с раком появилось новое оружие: наночастицы, которые обнаруживают и убивают раковые клетки, не нанося вреда здоровым.

Под руководством профессора Карла Батта (Carl Batt) ученые синтезировали наночастицы, напоминающие по форме гантели или сэндвичи. Их золотая часть расположена между двумя частями из оксида железа. К наночастицам прикреплены антитела к молекулам, найденным только в клетках колоректального рака. После связывания с такими молекулами наночастицы поглощаются раковыми клетками.

Для уничтожения опухолевых клеток ученые использовали ближний ИК-лазер, длина волны которого не наносит вреда здоровым тканям. Но излучение поглощается золотой частью наночастиц, что приводит к нагреву и гибели опухолевых клеток.

«Это пример так называемой «умной» терапии», - говорит Батт. «Чтобы терапию можно было назвать «умной», она должна быть адресной и иметь свойство активироваться тогда, когда будет убивать только раковые клетки».

По словам аспиранта и ведущего исследователя Диксона Кируи (Dickson Kirui), цель ученых заключалась в том, чтобы улучшить технологию и сделать ее удобной для проведения клинических испытаний. Сейчас они проводят подобные эксперименты на клетках рака предстательной железы.

«Если в клинических условиях удается достичь более адресной доставки, сохраняются клетки окружающей ткани – что очень важно», - подчеркивает Кируи.

Имея в виду «умную» терапию будущего, можно с уверенностью утверждать, что золото обладает очень большим потенциалом в области борьбы с раком. Оно биосовместимо, инертно и его относительно легко перевести в наноформу. Меняя размер и форму золотой наночастицы, Кируи и его коллеги могут настроить их на ответ на разную длину волны.

Поглотив золотую частицу, созданную учеными, раковые клетки разрушаются под действием тепла – всего несколько градусов выше нормальной температуры человеческого тела - в то время как окружающие ткани остаются неповрежденными. Такой маломощный лазер не может оказать какого-либо отрицательного влияния на здоровые ткани, так как выбранная длина волны не нагревает клетки, если они не загружены наночастицами, объясняют ученые.

Использование оксида железа – фактически просто ржавчины – в качестве двух составных частей наночастицы может позволить ученым одновременно отслеживать ход лечения рака при помощи магнитно-резонансной томографии, используя преимущество магнитных свойств наночастицы.

Исследование финансировалось Sloan Foundation и Людвигским Институтом раковых исследований (Ludwig Institute for Cancer Research), сотрудничавшими с Университетом Корнелла (Cornell University) с 1999 года - от начала лабораторных исследований до клинических испытаний.

Работа опубликована в журнале Nanotechnology.

По материалам Cornell University.

Оригинал статьи

Like little golden assassins, 'smart' nanoparticles identify, target and kill cancer cells

Вглубь живой материи

Новый механизм включения процесса апоптоза

Группа ученых из Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder) открыла ранее неизвестный клеточный механизм, который дает в руки исследователей новые средства для включения процесса запрограммированной клеточной смерти, что впоследствии может быть использовано для лечения рака.

«Новое исследование – большой шаг вперед к пониманию запрограммированной клеточной смерти, или апоптоза, процесса самоубийства клетки, включающего в себя серию биохимических событий, ведущих к таким изменениям, как сморщивание клетки, разрушение митохондрий и фрагментирование хромосом», - говорит профессор из Университета Колорадо Динг Сюэ (Ding Xue). «В отличие от смерти клетки в результате повреждения запрограммированная клеточная смерть является естественным аспектом развития живых организмов, который может помочь предотвратить такие болезни человека, как рак и аутоиммунные заболевания», - говорит Сюэ, руководитель исследования.

В своем новом исследовании Cюэ и его коллеги обнаружили, что хорошо изученная клеточная молекула, называемая каспазой – известная как «палач ферментов» апоптоза благодаря ее основной роли в разрезании и разрушении клеточных белков – производит абсолютно другой эффект на один конкретный белок – Dicer. Ученые обнаружили, что когда каспаза расщепляет Dicer, она не убивает его, а изменяет его функции, заставляя Dicer разрушать хромосомы и убивать клетку, в которой находится.

«Это было совершенно неожиданное открытие», - говорит Сюэ. «Мы считаем, что, поняв этот механизм, можно разработать новый способ контролируемого включения процесса клеточной смерти как средства для лечения болезней».

Статья об исследовании опубликована в журнале Science.

Нормальной функций белка Dicer является разрезание цепочек РНК на более мелкие части, связывающиеся с молекулами мРНК, осуществляющими процесс переноса генетической информации ДНК из ядра клетки в цитоплазму для строительства специфических белков. Но когда каспаза контактирует с Dicer, она блокирует его способность расщеплять РНК и заменяет ее способностью разрезать и разрушать хромосомы.

Эксперименты проводились на популярном лабораторном организме для генетических и биомедицинских исследований черве нематоде Caenorhabditis elegans. Исследование процесса запрограммированной смерти на C. Elegans даст важную информацию ученым, пытающимся понять механизм клеточной смерти у человека и определить пути борьбы с человеческими болезнями с помощью искусственно включенного апоптоза, говорит Сюэ.

«Существует много ферментов, чья работа заключается в разрезании цепочек РНК, и много ферментов, разрезающих ДНК», - говорит Том Блюменталь (Tom Blumenthal), декан биологического факультета Университета Колорадо – Боулдер, изучающий РНК-процессинг на C. elegans, не принимавший участия в данном исследовании. «Но это первый случай, когда было показано, что возможно расщепить фермент, разрезающий РНК, и таким образом превратить его в ДНК- разрезающий фермент».

Как часть исследования, ученые «выбили» ген C. elegans, кодирующий белок Dicer. Удаление гена поставило под угрозу процесс апоптоза и заблокировало фрагментирование хромосом.

Генетические исследования на C. elegans определили многие гены, важные для пяти последовательных шагов в процессе запрограммированной клеточной смерти. Они включают в себя определение, какие клетки должны умереть, активацию процесса клеточной смерти, начало процесса самоубийства, поглощение погибших клеток и разрушение их остатков.

«Наши выводы поначалу казались слишком невероятными, чтобы быть правдой», - говорит Сюэ. «Мы работали над этим проектом в течение пяти лет и просмотрели результаты с нескольких углов зрения, включая генетику, клеточную биологию и биохимию. В конечном итоге мы пришли к единственному логическому заключению, какое только было возможно сделать».

«Это совершенно новое открытие, и все актеры в этой пьесе - это хорошо известные и изученные аспекты очень важных биологических процессов», - говорит Блюменталь. «Как только я увидел результаты, я понял, что это очень и очень важное открытие».

Так как отсутствие апоптоза является одной из причин развития опухолей, многие исследователи в области биомедицины считают, что лучшее понимание процесса запрограммированной клеточной смерти может привести к потенциальным терапевтическим средствам для тех, кто страдает от целого ряда болезней, обусловленных ненормальным апоптозом. Биомедицинский потенциал открытия заключается в том, что ученые смогут превратить ферменты, способствующие выживанию клетки, в ферменты, вызывающие ее смерть.

Исследователи сейчас изучают, существует ли в человеческих клетках механизм изменения функции фермента Dicer подобный тому, что присутствует в клетках C. elegans. Считается, что почти половина генов, найденных в C. Elegans, имеют свои функциональные копии в клетках человека.

По целому ряду причин C. elegans является очень важным для ученых организмом. Это первый организм, геном которого был полностью изучен, а его прозрачность под микроскопом позволила ученым изучить многие аспекты клеточной биологии, биологии развития, а также генетики. Нобелевские премии за биомедицинские исследования на C. elegans были присуждены в 2002, 2006 и 2008 годах.

По материалам University of Colorado at Boulder.

Оригинал статьи

Discovery of Cellular 'Switch' May Provide New Means of Triggering Cell Death, Treating Disease

Белок сестрин замедляет процессы старения плодовых мушек

Ученые из Медицинской школы Университета Калифорнии – Сан-Диего (University of California, San Diego) выявили белок, названный сестрином, являющийся естественным ингибитором процесса старения и развития возрастных патологий у плодовых мушек. Они также показали, что сестрин, структура и биохимические функции которого являются общими как для мушки, так и для человека, необходим для регуляции основного сигнального пути развития старения и обмена веществ.

Работа, руководимая Майклом Карином (Michael Karin), доктором наук, почетным профессором фармакологии Лаборатории генной регуляции и передачи сигналов (Laboratory of Gene Regulation and Signal Transduction) Университета Калифорнии – Сан-Диего, опубликована в журнале Science и проанонсирована на обложке его номера от 5 марта.

Сестрины – маленькие белки, вырабатываемые в больших количествах клетками, испытывающими стресс. Функции сестрина, однако, оставались загадочными до тех пор, пока группа Карина не обнаружила, что эти белки функционируют как активаторы АМФ-зависимой протеинкиназы (АМФК) и ингибиторы рецепторов рапамицина TOR (Target of Rapamycin). АМФК и TOR – две протеинкиназы, являющиеся основными компонентами сигнального пути центрального регулятора процесса старения и обмена веществ у целого ряда модельных организмов, включая червя нематоду Caenorhabditis elegans, плодовую мушку дрозофилу Drosophila melanogaster и млекопитающих.

AMФK активируется в ответ на ограничение калорий – условие, при котором замедляется процесс старения, в то время как TOR активируется в ответ на их избыток – условие, ускоряющее процесс старения. Активация АМФК ингибирует TOR, и препараты, активирующие АМФК и подавляющие TOR, могут замедлять процесс старения на разных животных моделях, включая млекопитающих.

Новое исследование использовало преимущество того, что плодовая мушка, чей АМФК-TOR-сигнальный путь функционирует так же, как и у млекопитающих, содержит единственный ген сестрина. Используя целый ряд генных технологий, Джан Хи Ли (Jun Hee Lee) инактивировал ген сестрина у дрозофилы и обнаружил, что, хотя мушки, не имеющие этого гена, не проявляют каких-либо аномалий в развитии, они страдают от недостаточной активности АМФК и избыточной активности TOR – что подтвердило необходимость сестрина для поддержания в норме этого сигнального пути. Но самое главное – биохимический баланс, нарушенный отсутствием сестрина, выразился в нескольких возрастных патологиях.

«Поразительно, но патологии, связанные с недостатком сестрина, выражались в накоплении триглицеридов, аритмиях сердца и мышечной дегенерации, проявившихся уже у относительно молодых мушек», - говорит Карин. «Эти патологии до удивления похожи на основные нарушения, проявляющиеся при избыточном весе, сердечной недостаточности и потере мышечной массы, сопровождающих процесс старения человека».

Ли и его коллеги из Университета Калифорнии – Сан-Диего и медицинского научно-исследовательского Института Sanford-Burnham (Sanford-Burnham Institute) в Ла-Хойе (Сан-Диего, Калифорния) в дальнейшем продемонстрировали, что кормление мушек препаратами либо активирующими АМФК, либо подавляющими TOR, обеспечивало защиту от большинства связанных со старением дегенеративных процессов. Ученые также пришли к выводу, что повышенная активация TOR вызывает состояние, соответствующее ускоренному старению сердца и скелетной мускулатуры из-за нарушения важного процесса «контроля качества», называемого аутофагией. Аутофагия позволяет клеткам избавлять самих себя от поврежденных митохондрий, маленьких электростанций, обеспечивающих все клетки, и особенно клетки скелетной мускулатуры, энергией, и заменять их на новые. В процессе старения митохондрии производят высокие концентрации активных форм кислорода, или свободных радикалов, приводящих к повреждению тканей.

Карин объясняет, что противостоящий старению процесс аутофагии позволяет заменить «старые» дефектные митохондрии на новые. Однако, как оказалось, мушки с недостатком сестрина демонстрировали накопление поврежденных митохондрий и активных форм кислорода на несколько дней раньше, чем обнаруживалась мышечная дегенерация. Кормление таких мушек витамином Е, антиоксидантом, нейтрализующим свободные радикалы, предотвращало преждевременную дегенерацию мускулатуры и сердечную недостаточность.

В будущих исследованиях Карин и его группа планируют проверить, контролирует ли сестрин процессы старения и метаболизма у млекопитающих, и можно ли объяснить необъяснимые на сегодня возрастные дегенеративные заболевания дефектами экспрессии сестрина.

«Возможно, однажды мы начнем использовать аналоги сестрина для профилактики возрастных тканевых нарушений, а также для лечения целого ряда дегенеративных заболеваний, распространенность которых коррелирует с возрастом, включая саркопению и болезнь Альцгеймера», - говорит Карин.

По материалам University of California - San Diego.

Оригинал статьи

Protein Shown to Be Natural Inhibitor of Aging in Fruit Fly Model

Ученые определили ключевой митохондриальный белок, регулирующий энергетический обмен

Полное понимание процессов регуляции метаболизма имеет решающее значение, особенно принимая во внимание эпидемию ожирения и связанных с ним болезней в развитых странах мира. Один из ключевых метаболических путей включает в себя окисление жиров. В последнем номере журнала Nature ученые из Гладстоунского института вирусологии и иммунологии (Gladstone Institute of Virology and Immunology) сообщают об открытии еще одного механизма, регулирующего этот метаболический путь, и об обнаружении новой потенциальной терапевтической мишени для контроля жирового обмена.

Такой мишенью является белок митохондрии, энергетической станции каждой клетки, ответственной за процесс преобразования кислорода и превращения веществ, получаемых из пищи, в энергию для выполнения клетками своих функций.

«Многие митохондриальные белки претерпевают небольшую химическую модификацию, известную как ацетилирование, которое протекает по-разному в зависимости от количества поступающей в организм пищи», - говорит Эрик Верден (Eric Verdin), доктор медицины и руководитель исследования. «Из наших предыдущих исследований мы знаем, что фермент SIRT3 задействован в устранении этих модификаций. Мы предположили, что SIRT3 может играть определенную роль и в регуляции метаболизма, и искали ответ на вопрос, как он может это делать».

Для изучения роли фермента на мышах ученые использовали грызунов с отсутствием обеих копий гена, кодирующего SIRT3. Интересно, что такие мыши казались совершенно нормальными. Однако затем исследователи наблюдали грызунов в условиях голодания. Во время голодания экспрессия SIRT3 увеличивается в печени, органе помогающем сохранять энергетический баланс организма. Печень мышей без SIRT3 имела более высокие уровни жиров и триглицеридов, чем у нормальных мышей, так как она не могла их сжигать.

Для определения того, как SIRT3 контролирует сжигание жиров, ученые обратились к митохондриальным белкам. Они обнаружили, что фермент LCAD был «гиперацетилирован», то есть содержал даже больше ацетильных групп, чем обычно, и проявлял пониженную активность.

Мыши с отсутствием SIRT3 также имели многие из основных маркеров нарушения окисления жиров, низкий уровень энергетики и низкую толерантность к холоду. Дальнейшие исследования показали, что более высокий уровень экспрессии и активности SIRT3 увеличивает активность этого основного фермента окисления жиров. Однако в митохондриях ацетилируется и ряд других белков – наблюдение, которое предполагает, что в процессе окисления жиров принимают участие и другие белки.

«Мы пришли к выводу, что ацетилирование – новый механизм регуляции окисления жирных кислот в митохондриях, и что SIRT3 опосредованно влияет на состояние ацетилирования», - говорит Мэтью Хирши (Matthew Hirschey), докторант и один из руководителей исследования. «Мы предполагаем, что SIRT3 может играть патологическую роль в развитии некоторых нарушений метаболизма, таких как диабет, сердечно-сосудистые заболевания, ожирение печени».

По материалам Gladstone Institutes.

Оригинал статьи

Scientists Identify Key Protein from Mitochondria in Energy Regulation