ВЫПУСК 89

Наночастицы золота дают надежду на излечение рака поджелудочной железы

Рак поджелудочной железы – известный как самая фатальная форма рака – требует новых радикальных методов лечения. Ученые, собравшиеся на 35-ом ежегодном научном собрании Общества интервенциональной радиологии (Society of Interventional Radiology) в Тампа (Флорида), считают, что перспективным подходом в этом направлении может стать использование наночастиц золота, загруженных противораковым препаратом, в рамках новой технологии, названной наноэмболизацией.

«Так как применяемое сейчас лечение рака поджелудочной железы приносит минимальную пользу, нужны совершенно новые методы. Мы разработали радикально иной подход, способный преодолеть некоторые препятствия, мешавшие предыдущим методам терапии рака поджелудочной железы», - говорит Рид А.Омари (Reed A. Omary), профессор радиологии и биомедицинской инженерии и заместитель декана факультета радиологии Северо-западного Университета (Northwestern University) в Чикаго, штат Иллинойс. Традиционные попытки лечения этого особенно страшного рака включают в себя сочетание химиотерапии, радиотерапии и/или хирургию. Однако ни один из этих методов не является эффективным.

Вместо всего этого исследователи из Северо-западного университета разработали наночастицы золота и прикрепили к ним антиканцерогенные препараты. Их диаметр равен 13 нанометрам, и 8000 таких наночастиц, собранных вместе, будут иметь меньший размер, чем толщина человеческого волоса. В опытах на животных для введения противораковых наночастиц непосредственно в опухоль ученые использовали технику интервенциональной радиологии. Исследователи назвали эту новую технологию доставки «наноэмболизацией».

«Применив наноэмболизацию, мы резко увеличили концентрацию наночастиц в опухоли, примерно в 55 раз по сравнению с традиционными методами, использующими внутривенное введение. Это серьезное улучшение и перспективное открытие для лечения этой страшной болезни», - говорит Омари.

Поджелудочная железа – орган, расположенный позади желудка. Она вырабатывает соки, способствующие перевариванию пищи, и гормоны, контролирующие уровень сахара в крови. Аденокарцинома протоков поджелудочной железы – самая распространенная форма рака этого органа, имеющая самый плохой прогноз из всех форм рака, даже если она вовремя диагностирована. Выживаемость больных после постановки диагноза этого агрессивного рака составляет всего 6 месяцев. По подсчетам за 2009 год этот диагноз был поставлен более чем 42000 больных, обычно старше 60 лет. Рак поджелудочной железы является четвертой по значимости причиной смерти от всех форм рака в США. Из-за поздней диагностики и быстрого распространения он трудно поддается лечению.

«Главной причиной того, что лечение рака поджелудочной железы не приносит результатов, является разрастание вокруг опухоли рубцовой ткани. В первую очередь эта рубцовая ткань блокирует поступление противораковых препаратов, - говорит Омари.

«Для доставки противораковых наночастиц непосредственно в опухоль мы использовали катетер. Мы вводили катетер в артерию в области паха и проводили его по кровеносным сосудам к месту опухоли безо всякого хирургического вмешательства. Находясь в кровеносном сосуде, снабжающем опухоль, катетер может доставить наночастицы непосредственно в новообразование. Такой метод доставки предлагает более эффективный способ преодоления рубцовой ткани, блокирующей поступление лекарств, атакующих опухоль. С помощью катетера мы можем доставить значительно большее количество препарата непосредственно в опухоль», - комментирует Омари. «Это не внутривенные инъекции, при которых противораковый препарат может не достичь необходимого органа».

Прямые инъекции с помощью катетера могут уменьшить и некоторые побочные эффекты, такие как рвота и выпадение волос, наблюдающиеся при химиотерапии. «Ученые используют один и тот же набор инструментов в течение длительного времени без какой-либо пользы. Настало время внедрить высокотехнологичные методы лечения рака поджелудочной железы», - считает Омари.

«На протяжении десятилетий интервенциональная радиология предлагает передовые методы лечения рака вместо традиционных хирургии, химиотерапии и облучения. В конце концов, мы разработали область минимально инвазивной медицины. Радиологи считают, что наибольший прогресс в медицине может быть достигнут на границе с другими медицинскими дисциплинами», - говорит Омари. «Наноэмболизация является потрясающим примером объединения специалистов из разных областей – интервенциональной радиологии, химии и онкологии - с целью разработки принципиально нового метода лечения рака с самым низким уровнем выживаемости», - добавляет он.

Омари высоко оценивает усилия всех ученых Северо-западного университета, включая специалистов в области наномедицины. Однако он подчеркивает, что до внедрения нового метода в клиническую практику необходимы дальнейшие исследования с целью подтверждения его безопасности и эффективности.

По материалам Society of Interventional Radiology.

Оригинал статьи

Direct Injection of Gold Nanoparticles Into Tumors Opens Door to New Treatment for Pancreatic Cancer

Трехмерные клеточные структуры растут в магнитных полях

Фильм «Аватар» не единственный трехмерный блокбастер, ставший сенсацией этой зимы. Недавно группа ученых из Хьюстона представила новую технологию выращивания трехмерных клеточных культур – технологический скачок, который сэкономит миллионы долларов на доклинических испытаниях лекарственных препаратов. Об новой технологии сообщается в Nature Nanotechnology.

Разработанная технология достаточно проста и может быть прямо сейчас использована в большинстве лабораторий. Чтобы заставить клетку «парить» в растворе во время деления и роста, в новой технологии используются магнитные силы. По сравнению с клеточными культурами, выращенными на плоских поверхностях, 3-D культуры стремятся формировать ткани, более напоминающие ткани реального организма.

«Существует острая необходимость найти способы выращивания клеточных 3-D структур, так как организм трехмерен, и культуры, которые в большей степени напоминают естественные ткани, обеспечат лучшие результаты доклинических испытаний лекарственных препаратов», - говорит один из авторов исследования Том Киллиан (Tom Killian), адъюнкт-профессор физики в Университете Райса (Rice University). «Если мы сможем повысить точность ранних скринингов лекарственных препаратов хотя бы на 10%, это будет означать, что мы сэкономили 100 миллионов долларов на каждом препарате».

При исследованиях рака создание и использование магнитного поля для выращивания клеточных культур, более напоминающих реальные опухоли, само по себе явится важным шагом вперед, считает соавтор исследования Вадих Арап (Wadih Arap), доктор медицины и философии, профессор Центра Дэвида Коха при Онкологическом центре Андерсона Техасского университета (David H. Koch Center at The University of Texas M.D. Anderson Cancer Center).

Чтобы заставить клетки парить, ученые модифицировали комбинацию наночастиц золота и биоинженерных вирусных частиц, называемых фагами, которые были разработаны в лаборатории Арапа и Ренаты Пасквалини (Renata Pasqualini), также из Центра Коха. Такие адресные «наношатлы» могут доставлять полезные грузы к определенным органам и тканям.

«Следующим логическим шагом для нас будет использование этих дополнительных магнитных свойств в конкретных условиях визуализации и лечения опухолей», - говорит Арап.

3-D моделирование дает еще одну интересную возможность. Это шаг на пути к созданию в лабораторных условиях лучших моделей органов.

Новая технология является примером инноваций, которые становятся возможными благодаря сотрудничеству специалистов из разных областей. Киллиан изучает сверххолодные атомы и использует для этого тонко настроенные магнитные поля. Он несколько лет проработал с биоинженером из Университета Райса Робертом Рафаэлем (Robert Raphael) в области использования магнитных полей для манипуляций с клетками. Поэтому когда его друг Глауко Суоза (Glauco Souza), работавший тогда с Арапом и Пасквалини, заметил, что он разрабатывает гель для загрузки раковых клеток магнитными наночастицами, родилась новая идея.

«Нам хотелось выяснить, сможем ли мы использовать магнитные поля для управления клетками, загруженными магнитными наночастицами с помощью моего геля», - говорит Суоза, который оставил Онкологический цент Андерсона в 2009 году для того, чтобы стать одним из основателей Nano3D Biosciences.

В данном случае ученые использовали наночастицы оксида железа. Они находились в геле, содержащем фаги. Когда к гелю добавлялись клетки, фаги способствовали поглощению ими наночастиц в течение нескольких часов. Затем гель вымывался, а загруженные наночастицами клетки помещались в чашки Петри, наполненные раствором, стимулирующим их рост и деление.

Далее ученые показали, что, поместив магнит размером с монету на крышку чашки Петри, можно поднять клетки со дна, сконцентрировать их и дать им возможность расти и делиться, находясь при этом в растворе.

Ключевой эксперимент был проведен в сотрудничестве с Дженнифер Молина (Jennifer Molina), аспирантом лаборатории Марии-Магдалины Георгеску (Maria-Magdalena Georgescu), доцентом факультета нейроонкологии Онкологического центра Андерсона, где технология была использована на клетках опухоли мозга – глиобластомы. Результаты показали, что клетки, выращенные в 3-D среде, вырабатывали белки аналогичные тем, что вырабатываются глиобластомой у мышей, в то время как клетки, выращенные на плоской поверхности чашки Петри, не демонстрировали такого сходства.

Суоза отмечает, что Nano3D Biosciences проводит дополнительные исследования, чтобы сравнить новый метод выращивания клеточных культур с уже существующими 3-D технологиями. Он считает, что их метод может оказаться более успешным.

Доцент биоинженерии и соавтор статьи Рафаэль считает: «Красота этого метода заключается в том, что он позволяет естественным межклеточным взаимодействиям управлять созданием трехмерных микротканей. Метод довольно прост и легко может быть внедрен в выращивание трехмерных структур во всех лабораториях, занимающихся разработкой лекарственных препаратов, биологией стволовых клеток, регенеративной медициной и биотехнологиями».

По материалам University of Texas M. D. Anderson Cancer Center.

Оригинал статьи

3-D cell culture: Making cells feel right at home

Новый тип ДНК-нанотрубок как средство адресной доставки лекарств

Группа ученых химического факультета Университета МакГилл (McGill University) под руководством доктора Ханади Слейман (Hanadi Sleiman) совершила настоящий прорыв в разработке нанотрубок – крошечных «волшебных пуль», с помощью которым в будущем можно будет осуществлять адресную доставку лекарственных препаратов в отдельную клетку. Слейман объясняет, что исследование предполагает использование ДНК вне ее обычной биологической среды. Поэтому в данном случае ДНК используется не как генетический код жизни, а становится своего рода строительным блоком для наноразмерных объектов.

Используя новый метод, ученые создали первые образцы ДНК-нанотрубок с помещенным в них полезным грузом, который нанотрубки быстро и полностью выделяют при связывании со специфическими цепочками ДНК. Ширина каждой из таких ДНК-структур всего несколько нанометров, а длина может быть чрезвычайно большой – около 20000 нанометров.

Метод Слейман позволяет получать нанотрубки любой формы, и они могут быть как закрытыми и содержать определенные вещества, так и пористыми, чтобы выделять их. Вещества, например лекарственные препараты, выделяются в присутствии определенных молекул.

Одним из возможных будущих применений этой разработки является лечение рака. Однако Слейман предупреждает: «Мы все еще далеки от лечения заболеваний с помощью такой технологии. Это только шаг в этом направлении. Чтобы решить многие проблемы наномедицины – от доставки лекарственных препаратов до тканевой биоинженерии и биосенсоров – ученые должны узнать, как использовать такие ДНК-наноструктуры, в данном случае нанотрубки, и исследовать их в биологической среде, то есть в живых организмах».

Статья о разработке опубликована в Nature Chemistry. Исследование стало возможным благодаря финансированию со стороны Национального научно-инженерного исследовательского совета (National Science and Engineering Research Council) и Канадского института передовых исследований (Canadian Institute for Advanced Research).

По материалам McGill University.

Посмотреть видео

Оригинал статьи

DNA nanotechnology breakthrough offers promising applications in medicine

Вглубь живой материи

Отсутствие только одного гена возвращает млекопитающим способность к регенерации тканей

Поиски, начатые десятилетие назад со случайного наблюдения, достигли определенной вехи в своем развитии: обнаружен ген, регулирующий регенерацию у млекопитающих. Отсутствие одного гена, названного р21, дарует потенциальное исцеление мышам – животным, у которых способность к регенерации считалась давно утерянной в процессе эволюции. Такую способность эволюция сохранила только у таких существ, как плоские черви, губки и некоторые виды саламандр.

В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Института Вистар (Wistar Institute) продемонстрировали, что мыши с отсутствием гена р21 приобретают способность к регенерации утерянной или поврежденной ткани.

В отличие от типичных млекопитающих, залечивающих раны путем формирования рубца, эти мыши начинают с образования бластемы, структуры, связанной с быстрым клеточным ростом и де-дифференциацией, наблюдаемой у амфибий. По мнению ученых Института Вистар потеря гена р21 заставляет клетки таких мышей вести себя скорее как эмбриональные стволовые клетки, чем клетки взрослых млекопитающих. Эксперименты ученых предоставляют убедительные доказательства связи между тканевой регенерацией и контролем над делением клеток.

«Почти так же, как у потерявших конечность тритонов, у таких мышей отсутствующая или поврежденная ткань замещается здоровой безо всяких признаков рубцевания», - говорит руководитель исследования Элен Хебер-Катц (Ellen Heber-Katz), доктор философии, профессор Университета Вистар, специализирующаяся в области молекулярного и клеточного онкогенеза. «Пока мы только начинаем осознавать последствия этих открытий, но, возможно, однажды сможем ускорить исцеление людей с помощью временной инактивации гена р21».

Хебер-Катц и ее коллеги использовали мышей с отсутствующим геном р21 для раскрытия тайны, с которой они впервые столкнулись в 1996 году, наблюдая в своей лаборатории за мышами совсем другой линии. MRL-мыши, изучаемые в эксперименте, связанном с аутоиммунными заболеваниями, имели специальные проколы в ушах – часто используемые пожизненные маркеры. Спустя несколько недель исследователи обнаружили, что проколы в ушах заросли без следа. Хотя эксперимент пришлось прекратить, он задал ученым новый вопрос: не являются ли MRL-мыши ключом к регенерации у млекопитающих?

Открытие привело к тому, что лаборатория Хебер-Катц продолжила свою работу сразу в двух направлениях. В сотрудничестве с генетиками Элизабет Блэнкенхорн (Elizabeth Blankenhorn) из Университета Дрексел (Drexel University) и Джеймсом Чеверудом (James Cheverud) из Вашингтонского университета (Washington University) лаборатория сконцентрировала свое внимание на картировании критических генов, вызывающих самоисцеление у мышей. Одновременно ведущиеся в Университете Вистар клеточные исследования выявили, что в культуре клетки MRL-мышей ведут себя совсем не так, как клетки мышей, не способных к самоисцелению. Кхамилиа Бедебаева (Khamilia Bedebaeva), доктор медицины и философии, изучавшая генетические эффекты последствий аварии на Чернобыльском атомном реакторе, сразу же заметила, что такие клетки являются атипичными, а также демонстрируют глубокие различия в характеристиках клеточного цикла и повреждение ДНК. Это натолкнуло доктора философии Эндрю Снайдера (Andrew Snyder) на мысль об изучении путей повреждения ДНК и его влияния на контроль клеточного цикла.

Снайдер обнаружил, что р21, регулятор клеточного цикла, в клетках, взятых из ушей MRL-мышей, постоянно находился в неактивном состоянии. Экспрессия р21 жестко контролируется супрессором опухолей р53, другим регулятором клеточного деления и известным фактором многих форм рака. Конечный эксперимент должен был подтвердить, что мыши с отсутствующим р21 демонстрируют регенерацию аналогичную той, которая наблюдалась у MRL-мышей. И он действительно подтвердил это.

Как выяснилось, мыши с отсутствием гена р21 уже были созданы и широко использовались во многих экспериментах. Но то, что такие мыши легко залечивали свои уши, не было замечено никем.

В нормальных клетках р21 играет роль тормоза, блокирующего прогрессию клеточного цикла в случае повреждения ДНК, предотвращая дальнейшее клеточное деление и потенциальное превращение клеток в раковые. У мышей без р21 наблюдается ожидаемое усиление повреждения ДНК, но как это не удивительно, они не демонстрируют никаких признаков рака.

У MRL-мышей ученые фактически увидели усиление апоптоза - также известного как запрограммированная клеточная смерть – механизма саморазрушения клеток, который часто включается при повреждениях ДНК. По мнению Хебер-Катц именно такой тип поведения клеток наблюдается у животных, которым свойственна регенерация.

Комбинированный эффект усиления клеточной регенерации и апоптоза может позволить клеткам таких организмов быстро делиться без выхода из-под контроля и превращения в раковые. «Фактически, это аналогично тому, что мы видим в эмбрионах млекопитающих, в которых при повреждении ДНК р21 также остается неактивным. Неактивное состояние р21 способствует индукции плюрипотентного состояния клеток млекопитающих, подчеркивая связь между стволовыми клетками, тканевой регенерацией и клеточным циклом», - комментирует Хебер-Катц.

По материалам The Wistar Institute.

Оригинал статьи

One Gene Lost = One Limb Regained? Scientists Demonstrate Mammalian Regeneration Through a Single Gene Deletion

В лабораториях ученых

Новая технология атомно-силовой микроскопии изучает антимикробные пептиды

Уже два десятилетия ученые предлагают новые методы лечения бактериальных инфекций, используя существующие в природе белки, известные как антимикробные пептиды (АМП). Ученые из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) получили первые изображения, показывающие смертоносный эффект АМП, большинство которых убивают бактерии, создавая поры в мембранах бактериальных клеток.

Ученые из лаборатории профессора MIT Анджелы Бэлчер (Angela Belcher) модифицировали существующую чрезвычайно чувствительную технологию, известную как высокоскоростная атомно-силовая микроскопия (АСМ) для того, чтобы получить изображения бактерий в реальном времени. Этот метод, описанный в Nature Nanotechnology, представляет собой первый пример исследования живых клеток, использующий изображения с высоким разрешением, записанные в быстрой последовательности.

«Использование этого вида высокоскоростной атомно-силовой микроскопии может позволить ученым изучить, как клетки реагируют на лекарственные препараты и вирусные инфекции, и понять, как некоторые бактерии становятся резистентными к АМП», - говорит Бэлчер, профессор материаловедения и инженерии и биоинженерии. (Ни один из АМП пока не был утвержден как лекарственный препарат).

Атомно-силовая микроскопия, изобретенная в 1986 году, широко используется для получения изображений веществ в наномасштабе. Ее разрешение аналогично разрешению электронной микроскопии, но, в отличие от нее, не требует вакуума и поэтому может применяться для изучения живых образцов. Однако традиционной АСМ требуется несколько минут, чтобы получить одно изображение, и поэтому она не может записать последовательность быстро протекающих событий.

За последние годы ученые развили техники АСМ, но не оптимизировали их для изучения живых клеток. Это и решили сделать исследователи их MIT, основываясь на экспериментах руководителя исследования Джорджа Фантнера (Georg Fantner), научного сотрудника лаборатории Бэлчер, работавшего над высокоскоростной атомно-силовой микроскопией в Университете Калифорнии – Санта-Барбара (University of California at Santa Barbara).

Атомно-силовая микроскопия использует кантилевер, оснащенный зондом, который «чувствует» поверхность образца. Силы между острием зонда и образцом можно измерить при движении зонда по образцу, выявляя тем самым рельеф поверхности. Ученые из MIT использовали кантилевер в 1000 раз меньший, что обычно используемый в АСМ, что позволило им увеличить скорость получения изображений без повреждения бактерий.

С помощью новой установки ученые смогли получать изображения каждые 13 секунд в течение нескольких минут. Они обнаружили, что вызванная АМП смерть клеток является двухэтапным процессом: быстрое разрушение клетки следует за коротким периодом инкубации. Они были удивлены тем, что время инкубационного периода колеблется от 13 до 80 секунд.

«Не все клетки начинают умирать в одно и то же время, даже если они генетически идентичны и подвергаются воздействию одних и тех же пептидов», - говорит Роберто Барберо (Roberto Barbero), аспирант-биоинженер и автор статьи.

В ближайшем будущем Бэлчер надеется использовать атомно-силовую микроскопию для изучения других клеточных явлений, включая сборку вирусов в инфицированной клетке и эффекты традиционных антибиотиков на бактерии. Технология может оказаться полезной и для изучения клеток млекопитающих.

Исследование финансировалось Обществом Эрвина Шрёдингера (Erwin-Schrodinger Fellowship), Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health), Австрийским агентством содействия научным исследованиям (Austrian Research Promotion Agency) и другими организациями.

По материалам Massachusetts Institute of Technology.

Оригинал статьи

New Microscopy Technique Offers Close-Up, Real-Time View of Cellular Phenomena

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии»