ВЫПУСК 90

Золотые пули для рака: адресная фототермическая терапия

В лекции, прочитанной им в 1906 году, немецкий ученый Пауль Эрлих ввел термин «волшебная палочка» или «волшебная пуля» как сокращение для понятия адресного метода лечения.

Волшебные пули, называемые также серебряными пулями, из-за верования многих народов в то, что только серебряные пули могут убить сверхъестественное существо, сегодня стали целью при разработке лекарственных препаратов.

Группа ученых из Вашингтонского университета (Washington University) в Сент-Луисе работает сейчас над созданием серебряной пули для рака, болезни, лечение которой в настоящее время остается неизбирательным и неспецифическим. Но их пули скорее не серебряные, а золотые.

Золотые пули ученых - это золотые наноклетки (nanocages), которые при инъекционном введении избирательно накапливаются в опухоли. При последующем облучении лазерным светом окружающие ткани слегка нагреваются, в то время как наноклетки превращают свет в тепло, убивая малигнизированные ткани.

В статье, опубликованной в журнале Small, ученые описали успешное применение фототермического метода лечения опухолей у мышей.

«Мы увидели значительные изменения в метаболизме и гистологии опухоли, говорит Майкл Велч (Michael J. Welch), профессор радиологии и биологии развития в Медицинской школе Вашингтонского университета. «Эти изменения поразительны, если учесть, что работа носила разведывательный характер, доза лазерного облучения не была максимальной, а настройка на опухоли была скорее «пассивной», чем «активной».

Почему нагреваются наноклетки

Сами наноклетки абсолютно безвредны. «Соли золота и его коллоидные растворы используются для лечения артритов уже более 100 лет», - говорит Велч. «Мы знаем, какие функции золото выполняет в организме, и знаем, что оно инертно. Поэтому мы надеемся, что его применение в нашем методе не окажет токсического эффекта».

«Ключом к фототермической терапии является способность наноклеток эффективно поглощать свет и превращать его в тепло», - говорит Юнань Ся (Younan Xia), профессор биомедицинской инженерии в Школе инженерии и прикладной науки (School of Engineering and Applied Science).

Суспензии золотых наноклеток, имеющих размер вирусной частицы, не всегда имеют желтый цвет, как казалось бы должно быть. Они могут быть любого цвета радуги.

Суспензии окрашиваются так называемым поверхностным плазмонным резонансом. Отдельные электроны золота не связаны с определенными атомами и образуют электронный газ, объясняет Ся. Падающий на эти электроны свет заставляет их колебаться как единое целое. Такие коллективные колебания, поверхностный плазмон, резонируют на определенной длине волны, или цвета, выбранной из всего падающего света, и это определяет цвет, который мы видим.

«Средневековые ремесленники делали рубиново-красные витражи, подмешивая хлорид золота в расплавленное стекло – процесс, в котором мельчайшие частицы золота оказывались взвешенными в стекле», - говорит Ся.

Резонанс – и цвет – может меняться в широком диапазоне длин волн путем изменения толщины стенок наноклеток. Для биомедицинских исследований ученые настроили наноклетки на 800 нанометров, длину волны, для которой биологические ткани являются прозрачными (750-900 нанометров), лежащую в ближней области инфракрасной части спектра. Такой свет проникает в ткани на глубину нескольких сантиметров (как через кожу, так и через слизистые желудочно- кишечного тракта и других органов).

Преобразование света в тепло происходит благодаря тому же физическому эффекту, что и образование определенного цвета. Резонанс состоит из двух частей. На резонансной частоте свет обычно как рассеивается наноклетками, так и поглощается ими.

Контролируя размер наноклеток, ученые из лаборатории Ся добились максимального его поглощения.

Пассивное нацеливание

«При введении наночастиц в организм на них отлагаются белки. Такие комплексы захватываются иммунной системой, удаляются из кровотока и аккумулируются в печени или селезенке».

Чтобы предотвратить подобные нежелательные процессы, ученые покрыли наноклетки слоем полиэтиленгликоля (PEG), нетоксичного химического вещества, которое большинство людей употребляют в виде слабительных препаратов. PEG препятствует адсорбции белков и делает их невидимыми для иммунной системы. В результате наночастицы достаточно долго циркулируют в крови и аккумулируются в опухоли.

Растущая опухоль должна развить свою собственную систему кровоснабжения, чтобы предотвратить недостаточное поступление кислорода и питания. Но сосуды опухоли, также как и ее клетки, проявляют многие аномальные свойства. Они характеризуются нерегулярным диаметром и аномальной системой разветвления. Но самое главное, у них тонкие и высокопроницаемые стенки.

В отличие от клеток нормальных сосудов, которые плотно прилегают друг к другу и образуют водонепроницаемый барьер, клетки, выстилающие сосуды опухоли, дезорганизованы и имеет неправильную форму. Все это приводит к тому, что в опухолевых сосудах образуются поры.

Через такие поры наноклетки достаточно эффективно проникают в опухоль– поверхность обычно розоватой опухоли становится черной.

Пробный запуск

В лаборатории Вэлча мыши, имеющие двухсторонние опухоли, были случайным образом разделены на две группы. Мышам одной группы были инъецированы покрытые PEG наноклетки, а мышам второй группы – буферный раствор. Спустя несколько дней правую сторону каждого животного облучили лазером с экспозицией в 10 минут.

Чтобы проследить эффект терапии, ученые использовали несколько различных неинвазивных методов визуализации. (Вэлч работает над созданием контрастирующих веществ и методов визуализации опухолей многие годы).

Во время облучения тепловые изображения опухолей мышей были сделаны с помощью инфракрасной камеры. Так же как клетки других животных, автоматически регулирующих температуру своего тела, клетки мышей оптимально функционируют при температуре тела от 36.5 до 37.5 градусов по Цельсию.

При температуре выше 42 градусов клетки начинают умирать, так как сворачиваются белки, поддерживающие их нормальную жизнедеятельность.

Температура поверхности тела мышей с инъецированными наноклетками быстро увеличивалась от 32 до 54 градусов.

Температура поверхности тела мышей, которым вводился буферный раствор, оставалась нормальной – 37 градусов С.

Чтобы увидеть, какое влияние такое нагревание оказало на опухоли, мышам вводились радиоактивные метки, включенные в молекулу, похожую на глюкозу – основной энергетический источник организма. Для регистрации концентрации двойника глюкозы в опухолях ученые использовали позитронно-эмиссионное и компьютерно-томографическое (PET и CT) сканирование – чем выше уровень глюкозы, тем сильнее метаболическая активность.

Опухоли мышей с введенными наноклетками контрастировались значительно слабее, чем опухоли мышей с введенным буферным раствором, указывая на то, что многие клетки опухоли уже не функционировали.

Позднее было установлено, что опухоли мышей с наноклетками имели выраженные гистологические признаки повреждения клеток.

Активное нацеливание

Для продолжения своей работы над фототермической терапией ученые получили рассчитанный на пять лет грант в сумме $2,129,873 от Национального института рака (National Cancer Institute).

Несмотря на имеющиеся результаты, Ся разочарован методом пассивного нацеливания. Хотя опухоли накапливают достаточно золотых наноклеток, чтобы изменить их цвет на черный, непосредственно в них аккумулировалось только 6% введенных наночастиц.

Ся хотелось бы, чтобы этот процент достигал 40. В таком случае можно было бы вводить значительно меньше наночастиц. Поэтому он планирует связать с наноклетками молекулы-лиганды, узнающие определенные рецепторы на поверхности опухолевых клеток и связывающиеся с ними.

В дополнении к активному связыванию наноклеток с опухолевыми клетками ученые рассчитывают загрузить полые частицы противораковыми препаратами, чтобы атаковать опухоль сразу с двух фронтов.

Но важное достижение, с точки зрения пациентов, заключается в том, что любой метод лечения с помощью наноклеток будет узконаправленным, что позволит избежать побочных эффектов.

По материалам Washington University in St. Louis.

Оригинал статьи

A golden bullet for cancer: Nanoparticles provide a targeted version of photothermal therapy for cancer

Квантовые точки и белки репарации ДНК

Ремонтные белки эффективно сканируют наш геном, находят ошибки, прыгая как блохи между молекулами ДНК, скользя вдоль их цепочек и, возможно, делая остановки в подозрительных местах. Так считают ученые из Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh), Университета Эссекса (University of Essex) и Университета Вермонта (University of Vermont), пометившие белки квантовыми точками, чтобы рассмотреть разворачивающиеся действия.

Результаты исследования опубликованы в Molecular Cell.

Все мы постоянно подвергаемся бомбардировке находящимися в окружающей среде токсинами, которые становятся причинами ошибок в наших ДНК. Поэтому система быстрой репарации очень важна для сохранения целостности ДНК-последовательностей и адекватной работы клетки, объясняет Беннет ван Хаутен (Bennett Van Houten), доктор философии, профессор отделения молекулярной онкологии и руководитель программы молекулярной и клеточной биологии рака Онкологического института Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh Cancer Institute), профессор кафедры фармакологии и химической биологии Медицинской школы Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh School of Medicine).

«Как работает эта система – важный вопрос, который пока не имеет ответа», - говорит он. «Она должна быть в состоянии идентифицировать очень небольшие ошибки в трехмерной организации цепочек генов. Это все равно, что на каждой улице по всей стране найти выбоины и успеть отремонтировать их до следующего часа пик».

Ученые пытаются раскрыть тайну, пометив два репарационных белка - UvrA и UvrB – квантовыми точками – полупроводниковыми нанокристаллами, светящимися разным цветом. Чтобы более четко разглядеть процесс, они также растянули обычно спирализованную молекулу ДНК в несколько прямых нитей.

Исследователи наблюдали, как белок UvrA случайным образом перепрыгивает от одной молекулы ДНК к другой, задерживаясь на одном месте в течение семи секунд. Но когда белок UvrA образовывал комплекс с двумя молекулами белка UvrB (UvrAB), начинал действовать новый более эффективный механизм: комплекс скользил вдоль нити ДНК в течение 40 секунд. Затем он также отделялся от одной молекулы ДНК и перепрыгивал к другой.

«Если бактерия E.coli имеет только один комплекс UvrAB, 13 часов будет достаточно, чтобы был просканирован весь геном», - говорит ведущий исследователь Нейл М. Кэд (Neil M. Kad) (кафедра биологических наук, Университет Эссекса, Великобритания). «Около 40 комплексов, что сопоставимо с тем, что уже известно ученым, потребуется, чтобы просканировать ее геном за 20 минут – время деления бактерии».

В дополнении к случайным скачкам и скольжению ученые также наблюдали то, что они назвали «приостановленным движением», при котором перемещение комплекса UvrAB казалось медленнее и носило более целенаправленный характер.

«Около одной трети исследованных нами подвижных молекул ведут себя именно таким образом», - говорит соавтор работы Дэвид М. Воршо (David M. Warshaw), профессор и декан факультета молекулярной физиологии и биофизики Университета Вермонта. «Приостановка движения может представлять собой проверку UvrAB-комплексами структурных аномалий, ассоциированных с повреждением ДНК».

Сейчас ученые изучают возможность того, что комплексы анализируют форму или химическую конфигурацию молекулы ДНК, взаимодействуя с ней. Ошибка может изменить локальную структуру ДНК, меняя ее совместимость с репарационными белками и, возможно, вызывая корректирующий ответ.

По материалам University of Pittsburgh Schools of the Health Sciences.

Оригинал статьи

Quantum Dots Spotlight DNA-Repair Proteins in Motion

Наночастицы и плацентарный барьер: новое исследование

Вопрос о том, оказывают ли наночастицы какое-либо воздействие на организм человека – и если оказывают, то какое – остается пока без ответа. Собрано, например, мало информации о том, передаются ли наночастицы еще не родившемуся ребенку, если их воздействию подвергается организм матери. Ученые из Эмпа (Empa) и Университетской больницы Цюриха (University Hospital Zurich) (Швейцария) опубликовали некоторые результаты исследований в этой области.

Нанотехнологии должны не только способствовать решению существующих проблем в сфере медицины, энергетики и охраны окружающей среды. Они считаются одним из локомотивов инноваций в экономике Швейцарии. Однако новые технологии смогут утвердиться, в конечном счете, только если связанные с ними потенциальные риски – такие как обусловленные влиянием свободных наночастиц – полностью исследованы и не вызывают вопросов.

В течение нескольких лет исследователи из Эмпа изучают влияние различных наночастиц на клетки и ткани человеческого организма. Такие исследования помогут ученым понять, какие проблемы эти мельчайшие частицы вещества могут создать при попадании в организм человека, а также в окружающую среду. В экспериментах, результаты которых недавно опубликованы в “Environmental Health Perspectives”, ученые из Эмпа и Университетской больницы Цюриха исследовали человеческую плаценту. Ответственная за обеспечение плода необходимым количеством питательных веществ и кислорода, плацента одновременно гарантирует, что системы кровообращения матери и плода надежно разделены. Ученые поставили своей целью узнать, способны ли наночастицы проходить через плацентарный барьер.

Надежен ли барьер?

Обычные эксперименты на животных - на мышах и крысах - не могли быть использованы для этой цели, так как плацента этих животных в корне отличается от человеческой. Как правило, проводить научные исследования на плацентарной ткани очень нелегко, но несколько матерей, родивших своих детей в Университетской больнице Цюриха, разрешили использовать свои плаценты для изучения. В лабораторных условиях тесно взаимосвязанные в этот органе кровеносные системы матери и ребенка можно сохранить в течение нескольких часов.

В ходе исследования ученые вводили в кровь матери флуоресцентные наночастицы полистирола и затем наблюдали, попали ли наночастицы в кровообращение плода. Наночастицы полистирола очень подходят для подобных исследований, так как не вызывают стресса в окружающих тканях и могут быть легко обнаружены. Частицы, попавшие в плаценту, имели разной размер - от 50 до 500 нанометров (полмикрона) в диаметре. Первым результатом исследования было установление того факта, что граница прохождения через плаценту лежит в диапазоне от 200 до 300 нанометров. Частицы меньше этого размера проходили плацентарный барьер и попадали в кровообращение плода, в то время как более крупные задерживались плацентой.

Понять транспортный механизм

Тот факт, что наночастицы, размер которых меньше определенного предела, способны пройти через плаценту и попасть в плод, не является новым, но это явление, безусловно, должно быть подвергнуто дальнейшему анализу. Поэтому ученые стремятся понять механизм, с помощью которого наночастицы преодолевают барьер – в обоих направлениях. Делается это не из любви к чистой науке. Ученые хотели бы понять, как можно будет применять наночастицы в терапевтических целях. Мельчайшие частицы могут с успехом использоваться в качестве транспортного средства для адресной доставки лекарств в систему кровообращения еще не родившегося ребенка, не причиняя при этом вреда здоровью матери.

По материалам Empa.

Оригинал статьи

Scientists investigate transport of nanoparticles in the human body

В лабораториях ученых

Увеличение проницаемости опухолевых сосудов улучшает доставку лекарственных препаратов

Молекулы, делающие кровеносные сосуды более проницаемыми, могут усилить эффект химиотерапии

Введение химиотерапевтических препаратов в солидные опухоли является очень серьезной проблемой, так как высокое давление жидкости внутри опухоли препятствует выходу лекарственных препаратов из кровяного русла. Исследователи из Медицинского центра Университета Калифорнии – Сан-Франциско (University of California, San Francisco Medical Center) разработали новый метод регуляции проницаемости кровеносных сосудов: инактивация некоторых молекул, окружающих кровеносные сосуды, у мышей может временно изменить их проницаемость, увеличивая поступление лекарств в опухоль. Если ученые смогут имитировать этот эффект в человеческом организме, такие молекулы можно будет вводить параллельно с химиотерапевтическими препаратами и контрастными веществами, увеличивая тем самым их поступление в опухоль.

Сосуды, обеспечивающие опухоль кровью, более проницаемы, чем питающие здоровые ткани, что приводит к накоплению жидкости. Это является причиной высокого давления жидкости внутри опухолей, что, в свою очередь, препятствует эффективному выходу лекарственных препаратов из кровеносных сосудов в межклеточное пространство, объясняет Лиза Кауссенс (Lisa Coussens), руководитель исследования, опубликованного в Disease Models and Mechanisms.

Кауссенс и ее коллеги обнаружили, что, прицельно воздействуя на окружающий сосуды коллагеновый матрикс, можно контролировать их проницаемость. Подавляя или усиливая активность ряда молекул, задействованных в этом процессе, они нашли фермент, названный матриксной металлопротеиназой 14 (MMP14) и трансформирующий фактор роста бэта (TGFß). Обе эти молекулы стабилизируют кровеносные сосуды в «нормальных» тканях. Уменьшая активность фермента или количество ростового фактора, а также препятствуя взаимодействию клеток с фактором роста, блокируя их рецепторы, ученые добились проницаемости здоровых сосудов и усиления проникновения молекул из опухолевых сосудов, в том числе и в новообразования.

Введение флуоресцентных молекул разных размеров в различные формы рака мышей после блокирования молекулярного пути привело к тому, что около 30% более крупных молекул перешли в опухолевую ткань, по сравнению с 5% без блокады. Более мелкие молекулы проникали в опухоль с той же скорость, что и из не подвергшихся воздействию сосудов, но дольше оставались в ткани, что также может привести к значительному усилению эффективности лекарственных препаратов. Хотя Кауссенс не знает, почему возникла такая задержка, она предполагает, что блокирование молекулярного пути замедляет скорость, с которой лимфатическая система очищает жидкость, содержащуюся внутри опухоли.

Это открытие является «очень интересным и важным», особенно из-за участия TGFß, считает доктор медицины В. Дуглас Фигг (W. Douglas Figg) из Национального онкологического института (National Cancer Institute) в Бетезде. «В идеале мы могли бы использовать его не только для увеличения проницаемости сосудов, но и для более эффективного взаимодействия с другими противораковыми препаратами, которые уже могут блокировать TGFß». Подавление TGFß-взаимодейсвий препятствует развитию опухоли посредством другого механизма, например, ингибирования ангиогенеза, аномального роста кровеносных сосудов, наблюдаемого в некоторых опухолях.

Чтобы оценить возможности такого подхода, ученым еще нужно ответить на ряд вопросов. Введение самих ингибиторов в васкулярную систему опухоли может представлять собой определенную проблему. Хотя их введение хорошо показало себя в данном исследовании, оно может не привести к таким же результатам на людях или на всех типах опухолей, говорит Анант Аннапрагада (Ananth Annapragada) из Университета Техаса (University of Texas), не принимавший участия в данном исследовании. «Идея о том, что систематическое введение ингибитора как по волшебству приведет к его накоплению в нужном месте, может оказаться несостоятельной», - говорит он. «А лекарственные препараты могут нанести вред там, где происходит регенерация тканей, например, в печени. Несмотря на все сказанное, понимание увеличения проницаемости опухолевых сосудов очень важно, и в связи с выходом этого исследования многие начнут работу по его дальнейшей проверке и попытаются преодолеть потенциальные препятствия».

По словам Кауссенс, следующим важным шагом в исследованиях будет доказательство того, что здоровые ткани организма проявляют толерантность к увеличению проницаемости сосудов. Хотя мыши, использованные в проведенных экспериментах, не демонстрировали никаких признаков негативного воздействия лечения, они не оставались в живых достаточно долго, чтобы можно было оценить долгосрочные побочные эффекты.

Так как разработка увеличивает проницаемость даже уже проницаемых сосудов опухолей, ученые считают, что открытый новый путь работает независимо от механизмов, обычно приводящих к повышению проницаемости. Это важно, так как во многих случаях аномальная сосудистая структура сама вносит вклад в агрессивность опухоли, увеличивая приток питательных веществ и позволяя раковым клеткам проникать в кровоток и вызывать метастазы.

И хотя в ходе настоящего исследования ученые не оценивали отдаленные эффекты, Кауссенс считает, что нет веских оснований для того, чтобы ожидать, что блокирование пути сделает рак более агрессивным. «В пределах нескольких часов после введения проницаемость возвращается к норме, так что мы только открываем входное окно для доставки лекарственного препарата. Мы надеемся, что это не окажет на опухоль стимулирующего эффекта, так как изменения в кровеносных сосудах, связанные с метастазированием, происходят гораздо позднее».

Оригинал статьи

Leakier Tumor Vessels Enhance Drug Delivery

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