ВЫПУСК 92

Наночастицы двойного назначения выявляют остаточные раковые опухоли, улучшая хирургию рака

Самый надежный метод лечения рака – удаление абсолютно всех частиц опухоли с помощью хирургии. К сожалению, по отношению к большинству форм рака это и наиболее трудный подход. Виной тому две причины: сегодня почти невозможно удалить все раковые клетки в организме и часто очень трудно определить, где заканчивается опухоль и начинается здоровая ткань. Решением обеих этих проблем могут оказаться наночастицы двойного назначения, проникающие в раковые клетки и делающиеся их видимыми либо для метода флуоресцентной визуализации, либо для магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Группа ученых, руководимая Роджером Цинем (Roger Tsien), доктором философии, членом Центра нанотехнологий для лечения, понимания и мониторинга рака (Center of Nanotechnology for Treatment, Understanding, and Monitoring of Cancer), финансируемого Национальным институтом рака (National Cancer Institute) Университета Калифорнии – Сан-Диего (University of California, San Diego), разработала наночастицы двойного назначения, которые проникают только в клетки, покрытые двумя белками, используемыми опухолевыми клетками для вторжения в здоровые ткани. Когда наночастицы накапливаются в опухолевых клетках, они становятся отчетливо видны или с помощью МРТ, или с помощью стандартной флуоресцентной микроскопии. Исследователи считают, что они могут обнаружить опухоли диаметром в 200 микрон, а затем удалить даже микроскопические следы малигнизированной ткани, отслеживая флуоресцентный сигнал, излучаемый наночастицами.

Доктор Цинь и его коллеги сообщают о своей работе в статьях в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые создали свои датчики, используя сферическую полимерную наночастицу, известную как дендример. Дендримеры несут на своей поверхности многочисленные химические линкеры, что позволило Циню и его группе прикрепить к каждой наночастице три различных вида веществ: активируемый проникающий клеточный пептид (activatable cell penetrating peptide - ACPP), три молекулы яркого флуоресцентного красителя, известного как Cy5, и 15-30 молекул хелата гадолиния, мощного контраста для МРТ.

ACPP – короткий положительно заряженный пептид, связанный расщепляемой молекулой с отрицательно заряженным пептидом. Положительно заряженные пептиды хорошо известны своей способностью проникать в клетки, но в неактивном состоянии присоединенный в ним негативно заряженный пептид блокирует эту их способность. Расщепление линкера удаляет отрицательно заряженный пептид, позволяя оставшемуся положительно заряженному пептиду – и любому, прикрепленному к нему полезному грузу – проникнуть в клетку. В данном случае линкер расщепляется только одним из двух белков – матриксным металлопротеином-2 (matrix metalloprotein-2) или матриксным металлопротеином-9 (matrix metalloprotein-9), в большом количестве присутствующими на поверхности опухолевых клеток. Как результат такой специфичности, связанные с ACPP наночастицы пронивают только в опухолевые клетки. Наночастицы, связанные с подобным, но не расщепляемым пептидом, не проникают в раковые клетки и быстро выводятся из организма.

При введении животным с перевитыми человеческими опухолями наночастицы накапливаются в опухолях в течение 48 часов и хорошо видны на МРТ. Во время проведения эксперимента ученые замечали яркие края, окружающие даже маленькие опухоли. При ближайшем рассмотрении с помощью флуоресцентной микроскопии они смогли четко определить неровные края опухолей.

Используя яркие флуоресцирующие края в качестве ориентира, ученые смогли достичь более полного удаления опухоли, чем это возможно без сопровождения наночастицами. Мыши, получившие наночастицы раньше, чем было проведено хирургическое вмешательство, имели лучшую выживаемость, чем животные, у которых опухоли были удалены с помощью традиционной точечной подсветки. Полное хирургическое удаление всех опухолей исследователи подтвердили с помощью МРТ.

Подробно работа описана в двух статьях: "Activatable cell penetrating peptides linked to nanoparticles as dual probes for in vivo fluorescence and MR imaging of proteases," и "Surgery with molecular fluorescence imaging using activatable cell-penetrating peptides decreases residual cancer and improves survival."

По материалам National Cancer Institute

Оригинал статьи

Dual-Purpose Nanoparticles Spot Residual Tumors, Improves Cancer Surgery

Золотые «наномаяки» обследуют сигнальные лимфатические узлы

Практически каждый больной, которому поставлен диагноз рака молочной железы или меланомы, проходит биопсию лимфатических узлов, чтобы определить, начался ли процесс метастазирования. Чтобы устранить необходимость инвазивной биопсии и достичь большей диагностической чувствительности, ученые разрабатывают технологию неинвазивной визуализации для выявления пораженных опухолью сигнальных лимфатических узлов.

Группа исследователей из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Washington University of St. Louis), руководимая доктором медицины Грегори Ланца (Gregory Lanza) и доктором медицины Сэмюэлем Виклайном (Samuel Wickline), разработала «мягкие» наночастицы золота, накапливающиеся в лимфатических узлах, которые видны при применении технологии, известной как фотоакустическая визуализация (photoacoustic imaging). Ученые опубликовали результаты своих исследований в журнале Biomaterials.

Фотоакустическая визуализация сочетает в себе свойства оптической и ультразвуковой визуализации в одной чувствительной технологии, удобной для использования на организме человека. Контрастные вещества для фотоакустической визуализации, включая наночастицы золота, излучают звуковые волны при облучении их светом определенной длины волны. В случае наночастиц золота активирующая энергия света находится в ближней инфракрасной области оптического спектра. Волны в этом диапазоне легко проходят сквозь биологические ткани и их фотоакустическая эмиссия достаточно сильна, чтобы быть обнаруженной с помощью стандартного клинического ультразвукового оборудования.

Ключом к этому исследованию являлась разработка контрастного вещества в виде наночастиц золота, которое уравновешивало бы скорость их накопления в сигнальных лимфатических узлах и скорость выделения из организма тех наночастиц, которые не были захвачены лимфатическими узлами. Для решения этой проблемы ученые обернули несколько наночастиц золота, диаметром от 2 до 4 нанометров, мягким полимерным матриксом, создав 90-нанометровый золотой «наномаяк», быстро накапливающийся в сигнальных лимфатических узлах. Когда ученые ввели такие «наномаяки» в кровь мышей и час спустя посмотрели на лимфатические узлы, они обнаружили, что фотоакустический сигнал в них был в 9 раз сильнее, чем в окружающих кровеносных сосудах. Хотя наночастицы большего размера создавали более сильный сигнал, они не накапливались только в лимфатических узлах, поэтому контраст был значительно меньше.

Эта работа, описанная в статье "Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons", была проведена при частичной поддержке Союза по нанотехнологиям при раке (Alliance for Nanotechnology in Cancer) Национального института рака (National Cancer Institute), комплексной инициативы, созданной для ускорения применения нанотехнологий в области профилактики, диагностики и лечения рака.

По материалам National Cancer Institute

Оригинал статьи

Gold Nanobeacons Detect Sentinel Lymph Nodes

Контактные линзы с витамином Е лечат глаукому

Популярная пищевая добавка витамин Е, введенная в специальные контактные линзы, может сохранять медицинский препарат в непосредственной близости от глаза – где он фактически лечит это распространенное заболевание – почти в 100 раз дольше, чем это возможно с помощью применяемых сегодня коммерческих линз, сообщают ученые.

На презентации на 239-ом Национальном собрании Американского химического общества (American Chemical Society - ACS) в Сан-Франциско они описали применение витамина Е для разработки контактных линз, способных доставить большее количество препарата для лечения глаукомы и других болезней глаз.

Руководитель исследования Ануй Чаухан (Anuj Chauhan) объяснил, что глаукома является второй после катаракты причиной потери зрения и слепоты в мире. Ею болеют почти 67 миллионов человек. Глазные капли, снижающие повышенное внутриглазное давление, возникающее при глаукоме, являются основным видом ее лечения.

«Проблема состоит в том, что через 2-5 минут после введения капель в глаза слезы уносят препарат, и он не достигает ткани-мишени», - говорит Чаухан, сотрудник Университета Флориды (University of Florida) в Гейнсвилле. «Большая часть лекарственного препарата всасывается в кровь, переносящую его по всему организму, что приводит к проявлению побочных эффектов. Только от 1 до 5 % препарата фактически достигает роговицы глаза».

Чаухан и его коллеги разработали новый подход к доставке препарата, включив витамин Е в контактные линзы. Невидимые кластеры, или агрегаты, молекул витамина Е образуют «транспортные барьеры», как описывает их Чаухан. Такие барьеры снижают бесполезные потери лекарства. Выделяющийся из линз препарат остается в слезах гораздо дальше, чем 2-5 минут, характерные для глазных капель, что значительно повышает эффективность лечения.

«Такие структуры витамина напоминают «нанокирпичи», - говорит Чаухан. «Молекулы лекарства не могут пройти через витамин Е. Они должны обогнуть его. Так как «нанокирпичи» имеют гораздо больший размер, чем молекулы лекарственного препарата – мы считаем, в несколько сотен раз – молекулы должны поменять направление движения и идти более длинным путем. Это увеличивает длительность выделения лекарства из линз».

В экспериментах на лабораторных животных линзы, содержащие «нанокирпичи» из витамина Е, выделяли препарат в 100 раз дольше, чем большинство коммерческих линз. Линзы разработаны для непрерывной носки в течение месяца. Кроме лечения глаукомы они могут помочь и при других заболеваниях, таких как катаракта и сухость глаз. Катаракта – это помутнение хрусталика глаза, а сухость глаз характеризуется пониженным образованием слез. Заболевание встречается у двух из десяти человек и может привести к более серьезным глазным болезням.

Витамин Е является проверенным нутрицевтиком, в небольших количествах оказывающим положительный эффект на глаза благодаря его антиоксидантным свойствам. Присутствие витамина Е в контактных линзах блокирует ультрафиолетовое облучение и усиливает защиту от него. Исследование ученых показало, что витамин может быть добавлен в линзы без какой-либо потери их прозрачности.

Клинические испытания новых линз начнутся в течение 1-2 лет.

Выдержка из презентации Чаухана:

«Мы разработали новый подход к увеличению продолжительности высвобождения лекарственного препарата из контактных линз с помощью включения в них наноразмерных агрегатов витамина Е. Наноагрегаты витамина Е заставляют молекулы препарата идти окружным путем, приводя к увеличению продолжительности выделения лекарства. Еще одно преимущество включения витамина Е заключается в том, что он является антиоксидантом. Его медленное выделение из линз также может помочь в профилактике таких глазных болезней, как катаракта и глаукома. Более того, витамин Е блокирует УФ-излучение, уменьшая вред, наносимый глазам ультрафиолетовым светом. Наше исследование показало, что витамин Е может быть введен в линзы без уменьшения их прозрачности. Продолжительность выделения лекарственного препарата из линз, содержащих витамин Е, примерно в 100 раз больше, чем из коммерческих линз, для нескольких офтальмологических препаратов, включая препарат от глаукомы тимолол, противовоспалительный препарат дексаметазон и антивирусный препарат флюканозол. Таким образом, содержащие витамин Е контактные линзы могут быть весьма эффективны для синергетической профилактики и лечения офтальмологических заболеваний благодаря усиленной доставке требуемого препарата и нутрицевтику витамину Е. Исследования по изучению лечения глаукомы с помощью содержащих витамин Е контактных линз проводятся на гончих собаках».

По материалам American Chemical Society

Оригинал статьи

Contact Lenses Loaded With Vitamin E May Treat Glaucoma

Нанотехнологии и процесс образования кровеносных сосудов в раковых опухолях

Специалисты в области биомедицины из Бергена (Bergen) применили нанотехнологии для имитации естественных процессов, протекающих в организме, с целью создания новых кровеносных сосудов для кровоснабжения искусственной ткани. Разработка приведет и к углублению нашего понимания рака.

Работа ученых финансируется Научно-исследовательским советом программы Нанотехнологии и новые материалы (Research Council programme Nanotechnology and New Materials - NANOMAT). 7% бюджета программы NANOMAT направляется на проекты, связанные с медициной.

Эффективная комбинация

Ученые-биомедики всего мира делают все возможное, чтобы заставить клетки создавать новые ткани. Но для своего выживания все живые ткани требуют поступления крови. Чтобы заставить клетки формировать новые кровеносные сосуды, как в организме больного, так и в лаборатории, профессор Джеймс Лоренс (James Lorens) и его коллеги с факультета биомедицины Университета Бергена (University of Bergen's Department of Biomedicine) применили нанотехнологии. На следующем этапе работы ученые планируют использовать полученные в этой области знания для изучения молекулярного механизма, регулирующего раковую прогрессию.

Рецепт звучит достаточно просто: смешать одну часть эндотелиальных клеток (образующих стенки сосуда), одну часть гладкомышечных клеток (укрепляющих внешние стенки сосудов) и одну часть белков матрикса (окружающих клетки ткани и формирующих соединительную ткань во всем организме). Оставить это «варево» на несколько дней в необходимых условиях и …voilà – клетки сформировали сеть кровеносных сосудов.

Имитация естественных процессов

Ученые из Бергена изучают, как клетки взаимодействуют друг с другом и с синтетическими биоматериалами на наноуровне. Их целью является понять и скопировать естественные процессы, протекающие в организме – основу регенеративной медицины и создания новых биоинженерных тканей.

«Идеальный имплант должен имитировать естественную ткань организма и посылать клеткам сигналы для пролиферации и дифференциации. Наноразмерная топология жизненно важна для контроля над тем, как это происходит», - объясняет профессор Лоренс.

Имплант как платформа для роста

Нанотехнологии открывают новые возможности для разработки биоматериалов, контролирующих развитие клетки таким образом, чтобы новая ткань росла внутри импланта или прилегала к нему. Имплант функционирует как платформа для роста в той части организма, где в результате травмы или болезни образовалась полость, например, стволовые клетки формируют новую костную ткань взамен поврежденной или удаленной.

«Однако главной проблемой при образовании любой ткани является обеспечение новой ткани кровью», - подчеркивает профессор Лоренс. «Другими словами, необходимо быть полностью уверенным в том, что внутри новой ткани образуются кровеносные сосуды».

Самообразующиеся сосуды

В свете всего этого исследователи особенно большое внимание уделяют процессу образования кровеносных сосудов в организме.

«Наша цель – собрать три компонента кровеносных сосудов (эпителиальные и гладкомышечные клетки и белковый матрикс) в импланте, где клетки взаимодействуют с новой тканью», - говорит Лоренс.

Его группа успешно вызвала такой процесс, как в чашках Петри, так и в небольших губчатых имплантах в экспериментах на лабораторных животных.

«Мы продемонстрировали образование сосудов в синтетических имплантах на наших лабораторных животных. На следующем этапе мы собираемся изучить этот процесс на некоторых специфических типах тканей, например, на костной».

Направление клеточных взаимодействий

Во что разовьется клетка, определяется сигналами, которые она получает от ее непосредственного окружения и других близлежащих клеток.

«Один из изучаемых нами аспектов – это взаимодействие различных типов клеток и использование этих знаний для образования кровеносных сосудов».

Группа Лоренса исследует возможности нанотехнологий и для направления клеточных взаимодействий. Клетки помещаются на наноструктурированный биоматериал, на поверхность которого нанесены определенные молекулы, посылающие им сигналы. Ученые уточняют, как та или иная наноструктура поверхности влияет на образование кровеносных сосудов.

«Нам нужно лучше понимать, как клетки воспринимают наноструктурированные поверхности и как это влияет на межклеточные коммуникации», - объясняет профессор Лоренс. «Воспроизводя сигналы, с которыми клетки встречаются в их непосредственном окружении в различных тканях организма, мы может регулировать клеточную пролиферацию и дифференциацию».

Лекарство против рака?

Группа профессора Лоренса – одна из немногих групп в мире, которые изучают, как процессы образования кровеносных сосудов происходят в пораженных тканях, таких как раковые опухоли. Раковые клетки развиваются в неправильном направлении, в частности, из-за того, что воспринимают посылаемые им сигналы не так, как это делают здоровые клетки.

«Используя тканевую инженерию, мы можем воспроизвести опухоль для того, чтобы изучить, как она взаимодействует с кровеносными сосудами. Если нам удастся сократить ее кровоснабжение, она начнет голодать и умрет», - продолжает профессор Лоренс.

Опухолевая тканевая биоинженерия может помочь понять, как раковые клетки распространяются по организму гематогенным путем. В статье в декабрьском номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America описывается, как группа профессора Лоренса использовала опухолевую тканевую биоинженерию для описания нового гена, регулирующего распространение рака молочной железы.

Участие в проектах ЕС

Исследователи создали большую международную сеть и принимают участие в нескольких крупных проектах, финансируемых ЕС.

Вместе с учеными факультета клинической стоматологии группа Лоренса принимает участие в большом комплексном проекте VascuBone, цель которого - улучшение образование кровеносных сосудов в процессе регенерации костной ткани.

В рамках проекта ЕС группа профессора Лоренса также сотрудничает с разработчиками лекарственных препаратов, способных блокировать кровоснабжение различных типов раковых тканей. Их усилия основываются на идее, что раковую опухоль можно уничтожить, заставив ее голодать в результате прекращения кровоснабжения.

«Для изучения молекулярных механизмов, регулирующих развитие заболеваний, биологи и специалисты в области биомедицины должны более активно применять нанотехнологии. Междисциплинарные исследования, такие как наше, имеют большой потенциал, но достижение целей требует активной координации и финансовых вложений», - заключает профессор Лоренс.

По материалам Research Council of Norway

Оригинал статьи

Using Nanotechnology in Cancer Research

Вглубь живой материи

Новый взгляд на фундаментальный механизм репарации ДНК

Добавив новое звено в наше понимание сложной химической цепи, позволяющей клеткам оставаться в живых, группа исследователей из Университета Вермонта (University of Vermont), Университета Юты (University of Utah),Университета Вандербильта (Vanderbilt University) и Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology - NIST) впервые продемонстрировала особую активность белка NEIL3. NEIL3 относится к группе белков, ответственных за сохранение целостности ДНК в организме человека и других млекопитающих.

Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, проливает новый свет на важный источник вредных мутаций ДНК.

С тех пор как белок NEIL3 из семейства гликозилаз был открыт около восьми лет назад, он считается одним из важнейших ферментов, поддерживающих целостность ДНК. Белки-гликозилазы «патрулируют» длинные спиральные цепочки ДНК, отыскивая в них повреждения – участки, на которых одно из четырех ДНК-оснований повреждено излучением или химической активностью. Они вырезают поврежденные основания из цепочки ДНК, включая механизмы их замены соответствующими неповрежденными основаниями. Процесс очень важен для здоровья клетки, говорит биохимик из NIST, старший научный сотрудник Мирал Диздароглу (Miral Dizdaroglu). «ДНК повреждается постоянно. От 1 до 2 % кислорода в организме становятся токсичными для клеток, создавая, например, свободные радикалы, повреждающие ДНК. Без таких репарационных механизмов на нашей планете просто не существовало бы никакой жизни».

Гликозилазы – высоко специфичные белки. Каждый из них отвечает всего за несколько уникальных случаев из многих потенциальных повреждений ДНК, точный выбор которых может оказаться сложной задачей. NEIL3 и его «родственники» NEIL1 и NEIL2 в организмах млекопитающих - аналоги фермента, найденного в кишечной палочке (E. coli). Впервые он был обнаружен в Университете Вермонта. Повреждения-мишени для NEIL1 и NEIL2 уже известны, но NEIL3, гораздо более сложный белок в два раза крупнее других, отразил несколько попыток ученых выделить его и определить его функции. Важным шагом вперед стало то, что исследовательская группа из Университета Вермонта сумела получить клон NEIL3 домовой мыши (на 99% идентичный NEIL3 человека), а затем создать упрощенную версию белка, которая была достаточно маленькой, чтобы хорошо растворяться для проведения анализов, но достаточно большой, чтобы сохранить часть белка, узнающую и вырезающую повреждения ДНК.

Используя технологию, созданную для быстрого анализа таких ферментов, ученые из NIST Мирал Диздароглу и Павел Яруга (Pawel Jaruga) смешали модифицированный белок с образцом ДНК, облученным для получения больших количеств случайных повреждений оснований. Так как гликозилазы работают посредством вырезания поврежденных оснований, высоко чувствительный анализ раствора после удаления ДНК может выявить, какие именно повреждения «атакованы» ферментом и с какой эффективностью. Результаты ученых из NIST точно соответствовали результатам независимых опытов, проведенных другими членами группы, изучавшими, как ведет себя фермент с короткими цепочками ДНК с одним специфическим повреждением-мишенью.

В дополнении к наконец подтвердившейся гликозилазной природе NEIL3, говорит руководитель группы из Университета Вермонта Сьюзен Уоллес (Susan Wallace), эксперименты с ферментом в живом организме – модифицированной формой из E.coli, созданной для очень высокой скорости мутаций – принесли ученым неожиданный бонус. Измерения, проведенные в NIST, показывают, что NEIL3 чрезвычайно эффективен для вырезания определенного типа повреждений, называемого FapyGua (2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine), и резко сокращает количество мутаций в ДНК бактерии – результат, указывающий как на эффективность NEIL3, так и на потенциально важную роль FapyGua в возникновении опасных мутаций в ДНК.

Оригинал статьи

Mouse Work: New Insights on a Fundamental DNA Repair Mechanism

В лабораториях ученых

Опухоли прячутся от иммунной системы, «превращаясь» в лимфатические узлы

Новый механизм, объясняющий, как опухоли ускользают от естественной иммунной защиты организма, недавно открыт в Федеральной политехнической школе Лозанны (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne - EPFL) в Швейцарии. Исследование демонстрирует, как опухоли создают толерантное микроокружение и избегают атак со стороны иммунной системы, имитируя основные черты лимфатических узлов.

Открытие, опубликованное в Science и Science Express, подчеркивает роль лимфатической системы в развитии рака и может создать новые возможности для его лечения.

«Опухоль обманывает организм и заставляет принимать ее за здоровую ткань», - говорит руководитель исследования профессор EPFL Мелоди Шварц (Melody Swartz). Шварц и ее группа поставили своей целью понять, как опухоли индуцируют иммунную толерантность, позволяющую им прогрессировать и распространяться.

Ученые из EPFL сконцентрировали свое внимание на определенном белке, который обычно присутствует в здоровых лимфатических узлах. Этот белок привлекает Т-клетки и программирует их на выполнение жизненно важных иммунных функций. Однако исследователи обнаружили, что некоторые опухоли также могут секретировать этот белок для преобразования своего внешнего слоя в ткань, подобную лимфоидной. Этот внешний слой затем привлекает и эффективно перепрограммирует Т-клетки, которые теперь видят в опухоли не врага, а друга, в результате чего опухоль не распознается иммунной системой как мишень для атаки.

Так как большинство опухолей прогрессируют, только если они избежали воздействия со стороны иммунной системы, понимание этого нового механизма является важным шагом к будущей терапии рака. Работа также открывает новые области для исследований, сфокусированных на взаимосвязях между лимфатической системой и раком. Концепция о том, что раковые опухоли имитируют лимфоидную ткань для изменения иммунного ответа организма, представляет собой новое понимание взаимодействия опухолей и лимфатической системы.

По материалам Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Оригинал статьи

Tumors hide out from the immune system by mimicking lymph nodes

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