ВЫПУСК 101

Углеродные нанотрубки стимулируют иммунные клетки организма

Инженеры Йельского университета (Yale University) обнаружили, что дефекты углеродных нанотрубок заставляют антигены Т-клеток в крови объединяться в кластеры и стимулировать естественный иммунный ответ организма. Результаты их исследования, опубликованные в журнале Langmuir, могут улучшить адоптивную иммунотерапию, метод лечения, используемый для повышения способности организма бороться с раком.

Адоптивная иммунотерапия включает в себя экстрагирование крови пациента с тем, чтобы количество естественно существующих Т-клеток (типа белых клеток крови) могло более эффективно увеличиваться при выращивании в культуре. Хотя для борьбы с раком организм вырабатывает свои собственные Т-клетки, они часто подавляются опухолью и их количество становится недостаточным для борьбы с ней. Ученые увеличивают выработку Т-клеток вне организма, используя различные вещества для получения высоких концентраций кластеров антигенов Т-клеток. Чем сильнее такие вещества стимулируют образование кластеров, тем интенсивнее происходит размножение иммунокомпетентных клеток. Когда вырабатывается достаточное их количество, кровь возвращают в организм пациента.

Ранее ученые из Йельского университета уже сообщали о неожиданном эффекте, который углеродные нанотрубки оказывают на образование Т-клеток. Они обнаружили, что представленные на поверхности нанотрубок антигены стимулируют ответ Т-клеток гораздо более эффективно, чем антигены на других субстратах, например на полистироле, даже если общее их количество остается прежним.

Теперь ученые обнаружили причину усиления стимуляции. Они пришли к выводу, что антигены образуют высокие концентрации кластеров вокруг мельчайших дефектов нанотрубок.

«Пучки углеродных нанотрубок напоминают микроокружение лимфатического узла, имеющего геометрию лабиринта, - объясняет Тарек Фахми (Tarek Fahmy), доцент кафедры химической технологии и биомедицинской инженерии Йеля и автор статьи. «Пучки нанотрубок, вероятно, имитируют физиологические условия и абсорбируют больше антигенов, способствуя развитию более сильного иммунного ответа».

Применяемым в настоящее время методам адоптивной иммунотерапии требуются недели, чтобы наработать достаточное количество Т-клеток, в то время как лабораторные тесты показывают, что нанотрубки производят такие же концентрации иммунокомпетентных клеток в три раза быстрее, говорит Фахми.

Введение углеродных нанотрубок непосредственно в организм может привести к возникновению ряда проблем, таких, например, как сосудистая эмболия. Но этой опасности, естественно, не существует, если их использовать в крови пациента вне его организма. В ближайших планах ученых – работа над способом эффективного удаления нанотрубок из крови перед возвращением ее в организм больного.

«Мы считаем, что это очень интересная сфера применения углеродных нанотрубок. Это путь к безопасному использованию их уникальных свойств в области биологии», - комментирует Фахми.

Оригинал статьи

Carbon Nanotubes Boost Cancer-Fighting Cells

Магнитные поля несут наночастицы в стентированные артерии

Ученые и инженеры использовали однородное магнитное поле для перемещения железосодержащих наночастиц к металлическим стентам в поврежденных кровеносных сосудах, где частицы выделяли лекарственный препарат, эффективно препятствуя образованию тромбов. В экспериментах на животных новый метод продемонстрировал лучшие результаты при более низкой дозе препарата, чем обычное стентирование без наночастиц.

Исследования на клеточных культурах и крысах являются последними в серии экспериментов, проведенных в Детской больнице Филадельфии (Children's Hospital of Philadelphia). Они демонстрируют возможности управляемых магнитным полем наночастиц как нового средства доставки различных терапевтических средств – ДНК, клеток и лекарственных препаратов. Полученные результаты могут заложить основу новой медицинской технологии, названной магнитно-сосудистой интервенцией.

«Это может стать технологической основой для доставки лекарственных препаратов и других терапевтических средств в больные и поврежденные кровеносные сосуды, где они могут принести пользу», - говорит руководитель исследования доктор медицины Роберт Дж. Леви (Robert J. Levy).

Исследование опубликовано в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences. Ученые из Детской больницы Филадельфии сотрудничали с инженерами и учеными из Университета Дрекселя (Drexel University), Северо-Восточного университета (Northeastern University) и Университета Дьюка (Duke University).

Работа Леви представляет собой новую систему доставки, дополняющую уже существующую медицинскую технологию – катетерное стентирование. Такие стенты - тонкие металлические каркасы – обычно устанавливаются больным с заболеваниями сердца для расширения частично непроходимых кровеносных сосудов. Стенты часто покрываются антипролиферативными лекарственными препаратами, такими как паклитаксель (paclitaxel). Паклитаксель подавляет вызывающее непроходимость сосуда накопление гладкомышечных клеток внутри стента.

Однако применяемые сейчас стенты с лекарственным покрытием ограничены в своих возможностях. В них содержатся фиксированные дозы препаратов, рассчитанные только на одно применение. При этом у значительного числа пациентов возникают рестенозы. Управляемая магнитным полем система Леви расширяет возможности стентов, так как магнитная доставка разрешает использование более высоких доз и повторное введение лекарственных препаратов при возникновении проблем, а также применение более чем одного вида терапевтических средств для лечения стентированных кровеносных сосудов.

Леви использовал преимущества нанотехнологий – применения частиц материалов чрезвычайно малого размера. Ученые его лаборатории создали наночастицы, примерно 290 нанометров в диаметре, из биоразлагаемого полимера с магнитным ядром из оксида железа. (Нанометр – одна миллионная часть миллиметра, наночастицы такого размера в 10 -100 раз меньше эритроцитов). Магнетит частиц отвечает на воздействие магнитного поля. Так как частицы сделаны из биодеградирующего материала, они легко разлагаются в организме после выделения лечебного груза.

На первом этапе группа Леви имплантировала стенты из нержавеющей стали в сонные артерии живых крыс. После инъецирования с помощью катетера в артерии крыс загруженных паклитакселем наночастиц вокруг каждого животного было создано однородное магнитное поле. Длительность воздействия составляла пять минут. Магнитное поле, аналогичное производимому существующими МР-томографами, но в десять раз более слабое, намагничивало как стенты, так и наночастицы и перемещало частицы в стенты и в близлежащую артериальную ткань.

Исследователи вводили стенты и наночастицы и крысам контрольной группы, но без использования магнитного поля. Через пять дней после введения наночастиц животные, подвергшиеся воздействию магнитного поля, накопили в 10 раз больше частиц в стентированных артериях, чем в контрольной группе.

Более того, использование магнитных полей приводило к увеличению продолжительности эффекта. Через 14 дней после применения магнитного поля и разовой дозы содержащих паклитаксель наночастиц ученые обнаружили, что артерии крыс имели более низкий уровень рестеноза, чем в контрольной группе без применения магнитного поля.

За последние несколько лет Леви и его коллеги не раз успешно продемонстрировали эффективность своего подхода в других исследованиях на животных с использованием намагниченных наночастиц для проведения генной терапии и доставки эндотелиальных клеток к артериальным стентам. Метод универсален, говорит Леви, добавляя, что с его помощью можно доставлять широкий спектр эффективных терапевтических средств.

С помощью наночастиц можно доставлять различные терапевтические средства как одновременно, так и в разное время. Так как стенты остаются на месте, врачи могут неоднократно повторять лечебные процедуры, доставляя через катетеры необходимые вещества с помощью магнитного поля. Так как магнитное воздействие концентрирует наночастицы в определенном месте – внутри стента – можно достичь более выраженного эффекта, используя в целом меньшие дозы определенного препарата. Увеличивая эффективность метода, полимерные наночастицы обеспечивают постоянное выделение лекарств в течение 14 дней.

Таким образом, Леви представляет будущую терапию, названную магнитно-васкулярной интервенцией, при которой сосудистые хирурги или кардиологи будут назначать пациенту регулярное лечение в форме терапевтических наночастиц, доставляемых с помощью слабого однородного магнитного поля.

Хотя сейчас стенты используются в основном на больных с сердечными заболеваниями, Леви учитывает огромный неудовлетворенный спрос среди миллионов пациентов с хроническими заболеваниями периферических артерий. Например, при диабете у пациентов с ослабленной циркуляцией применение стентов с лекарственными покрытиями принесло «разочаровывающие результаты», говорит Леви, так как артерии ног больше, чем коронарные, и покрытие стентов содержит недостаточные для таких случаев дозы лекарственных препаратов. «Наш метод открывает новый подход, при котором мы может изменять дозировку и проводить повторные процедуры», - добавляет он.

У детей стенты используются для механического расширения анатомических структур при таких заболеваниях, как периферический стеноз легочной артерии, коарктация аорты, а также дефекты межпредсердной перегородки для восстановления нормального уровня оксигенации крови. Леви предполагает, что магнитные наночастицы могут доставлять лекарственные препараты, способные улучшить результаты при каждом из этих состояний, так же как и при целом ряде других основанных на стентах вмешательств, используемых в педиатрической кардиологии.

Клиническое применение созданных Леви магнитных наночастиц пока еще в будущем, но, возможно, не в слишком далеком. Чтобы приблизить магнитно-васкулярную интервенцию к клинической реальности он надеется в течение нескольких ближайших лет наладить партнерство с исследователями-клиницистами. «Этот метод имеет шанс стать новой основой для интервенционной терапии, которая будет более безопасной и более эффективной, чем применяемая сейчас», - говорит он.

Оригинал статьи

New Delivery Platform Reduces Blood Vessel Blockage

В лабораториях ученых

Ученые получили малые молекулы, имитирующие ключевой фактор роста нервов

Ученые из Медицинской школы Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine) идентифицировали несколько малых молекул, которые имитируют ключевые белки мозга. Это открытие открывает двери новым методам терапии целого ряда неврологических заболеваний. Считается, что белок, сокращенно обозначаемый как BDNF, участвует в важных функциях мозга, включая память и обучение.

«Эти малые молекулы могут стать основой препаратов, представляющих собой совершенно новое направление в лечении большого числа нейропсихических заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Хартингтона и депрессия», - говорит Фрэнк Лонго (Frank Longo). Фрэнк Лонго - доктор медицины и философии, профессор и руководитель кафедры неврологии и неврологических наук и автор исследования, опубликованного в журнале Journal of Clinical Investigation.

BDNF принадлежит к семейству белков, называемых факторами роста нервов, имеющих решающее значение для развития нервной системы. Когда фактор роста связывается со своим рецептором на поверхности нейрона, он может вызвать каскад внутриклеточных сигналов, направленных на его выживание, или образовать специализированную связь с другой клеткой, позволяющую им взаимодействовать. В некоторых областях мозга, где могут образовываться новые нервные клетки, BDNF способствует этому процессу. Но его активность снижается при определенных нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Хартингтона. У здоровых людей уровни BDNF снижаются с возрастом.

Использовать BDNF как собственно терапевтическое средство будет очень сложно, говорит Лонго, так как белковые препараты не только дороги в производстве, но и не могут приниматься в виде пероральных форм (наш желудочно-кишечный тракт не делает различий между белками в таблетках и бифштексом). Они должны вводиться инъекционно. Но и в этом случае BDNF очень быстро разрушается в организме. «Он сохраняется в крови всего около минуты», - говорит Лонго. И, наконец, гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от нежелательных посторонних веществ, будет эффективно противодействовать поступлению BDNF с кровью. «Таким образом, при неврологических заболеваниях белок не достигнет своей цели».

«BDNF является доминирующей и критически важной молекулой центральной нервной системы», - говорит невролог Дэйл Бредесен (Dale Bredesen), доктор медицины, профессор и президент-основатель Института изучения старения Бака в Новато, Калифорния (Buck Institute for Aging Research, in Novato, Calif.), не принимавший участия в исследовании, но знакомый с ним. «Это важная работа и первый шаг к возможности разрабатывать молекулы, которые будут ценны при целом ряде болезней человека, включая нейродегенеративные заболевания и травмы головы».

Возможно, для других исследователей важен не только терапевтический потенциал этих молекул, но и метод, с помощью которого они были получены. Работа была проведена в сотрудничестве со Стивеном Масса (Steven Massa), доктором медицины и философии, неврологом из Университета Калифорнии – Сан-Франциско (University of California-San Francisco) и Медицинского центра для ветеранов Сан-Франциско (San Francisco Veterans Affairs Medical Center), который разработал компьютерный поиск потенциально активных молекул, впоследствии проанализированных в лаборатории Лонго. Масса делит авторство исследования с Тао Янем (Tao Yang), старшим научным сотрудником лаборатории Лонго в Стэнфорде. Янь провел многие ключевые биопробы, чтобы показать, что эти вещества действительно активны в живых системах.

Сначала скрининг около 1 миллиона веществ с известной химической структурой был проведен in silico, то есть с помощью компьютера. Ученым нужно было найти характеристики, которые указывали на структурное подобие особым частям, соответствующим примерно 5 % длины белка BDNF. Эта часть молекулы является чрезвычайно важной для способности BDNF связываться со своим рецептором, так называемым TrkB, находящимся на поверхности мозговых клеток.

Масса, чья лаборатория отвечала за компьютерные скрининговые операции, говорит, что поиск занял всего несколько часов, в то время как программирование огромного количества виртуальных соединений потребовало нескольких месяцев.

Из миллиона протестированных молекул около 2000 имели признаки возможной активности для связывания подобного BDNF белка с TrkB. Чтобы сузить поиск исследователи воспользовались рядом эмпирических правил о том, какие молекулы делают препарат нетоксичным, более легко поглощаемым и так далее. «Мы остановились на 14, которые выглядели вполне подходящими», - говорит Лонго.

Но в отличие от порошков в мензурках на тот момент эти соединения были просто виртуальными, состоящими из единиц и нулей в электронных схемах. Исследователям были нужны реальные вещества, полученные из коммерческих источников. «Мы прибегли к услугам коммерческих посредников малых молекул. Часто это молекулы, которые не используются для каких-либо целей. Они могут быть продуктами побочных реакций из предыдущих проектов, и химики просто хранят их на полке, не зная как их использовать», - поясняет Лонго.

Лонго и его коллеги смогли получить из коммерческих источников семь таких молекул. Затем Янь провел трудоемкие биологические анализы, чтобы убедиться, действительно ли соединения соответствуют полученным компьютерным прогнозам. Например, действительно ли они предотвращают смерть нейронов, выращенных в культуре, как это делает BDNF.

«Мы использовали нейроны из частей мозга мышей, которые достаточно чувствительны к нейродегенеративным процессам», - говорит Лонго. «Даже вырастить из них тканевую культуру представляется очень сложной задачей. Когда они находятся в мозге, у них есть доступ к BDNF. Но когда вы извлекаем их из мозга и выращиваем в чашке для тканевой культуры, если не давать им BDNF, они гибнут».

Из семи испытываемых молекул пять проявили подобную белку BDNF способность предотвращать смерть выращенных в культуре нейронов. Четыре наиболее активные обсуждаются в статье ученых.

Важно отметить, что молекулы связываются только с TrkB. В противоположность этому BDNF взаимодействует, по крайней мере, с еще одним поверхностным рецептором нервных клеток – р75. «Считается, что когда BDNF взаимодействует с р75, он может вызывать чувство боли или способствовать возникновению других вредных функций», - говорит Лонго. «Поэтому вторым преимуществом наших малых молекул является то, что они избирательно взаимодействуют с TrkB, что дает нам возможность избежать негативных последствий, к которым может приводить природный белок».

«Получить малые молекулы, имитирующие гораздо более крупные белки, очень сложно. Часто потому, что белки и их рецепторы взаимодействуют очень большой площадью поверхности», - говорит Бредесен. Добиться в этом успеха - очень важный шаг вперед».

Оригинал статьи

Study identifies small molecules mimicking key brain growth factor

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