Первопричина многих заболеваний, в том числе онкологических, в том, что меняется структура ДНК. Мутировавшая молекула начинает посылать клеткам ложные сигналы или вовсе перестает контролировать их. И то и другое сбивает клетки с верного пути — они начинают размножаться и расселяться по всему организму. Формируются опухоль и метастазы.
Наиболее эффективный, но по большому счету пока теоретический способ лечения рака – генная терапия. Ученые разрабатывают технологии, с помощью которых специальные переносчики (векторы) смогут доставлять участки ДНК в опухолевую клетку. Таким способом можно заставить больную клетку совершить самоубийство или прекратить размножаться. В этом направлении проведено много формально успешных исследований, которые нельзя использовать в клинической практике. Некоторые способы доставки генов работают только in vitro, другие оказываются токсичными для всего организма.
Яд скорпиона
Яд
Хлоротоксин
Хлоротоксин против опухоли мозга.
С помощью хлоротоксина, который блокирует трансмембранные потоки ионов хлора, скорпион временно парализует жертву. Биологи выяснили, что ядовитый пептид можно использовать и в благих целях – для лечения онкологических заболеваний. Ведь хлоротоксин имеет особое (повышенное) влечение к клеткам глиомы головного мозга. Пептид взаимодействует с белками-рецепторами ММР2, расположенными на поверхности раковых клеток. ММР2 и хлоротоксин образуют пару, которая предпочитает скрываться от посторонних глаз в глубине клетки. Из-за снижения количества активных рецепторов раковая клетка утрачивает пластичность и перестает проникать в межклеточное пространство неповрежденных тканей. Но при таком способе лечения раковые клетки не погибают, а прекращают расти и размножаться. Да и подавляет хлоротоксин в лучшем случае лишь 45% клеток гиомы.
Более 20 лет ученые из разных стран исследуют хлоротоксин — один из ингредиентов яда, который вырабатывает скорпион Leiurus quinquestriatus. Исследователи пытаются использовать и развить свойство пептида — блокировать раковые клетки.
В 2008 году ученые из университета Вашингтона (University of Washington) под руководством Омида Вейса (Omid Veiseh) в статье Inhibition of Tumor-Cell Invasion with Chlorotoxin-Bound Superparamagnetic Nanoparticles смогли увеличить ингибиторную эффективность хлоротоксина до 98%. Для этого они прикрепили к яду наночастицу оксида железа.
За прошедшие годы исследователи пересмотрели варианты использования хлоротоксина. Учитывая привлекательность клеток глиомы для ядовитого пептида, ученые предложили впрячь токсин в молекулярную повозку, которая будет доставлять необходимые участки ДНК к клеткам-мишеням. Результаты экспериментального исследования появились в статье Chlorotoxin Labeled Magnetic Nanovectors for Targeted Gene Delivery to Glioma в журнале ACS NANO.
Молекулярная повозка
Доставить бесценный груз (молекулу лекарства или участок ДНК) в поврежденную клетку можно несколькими способами. Большинство транспортных средств работает благодаря специфичной проницаемости клеток. К некоторым терапевтическим системам ученые подвешивают намагниченные частицы, после чего притягивают их к больному органу. И тот и другой подходы достаточно эффективны для лечения локализованных (твердых) опухолей, которые растут сами по себе, не проникая в другие ткани. Ни один из методов не может быть эффективным, если клетки опухоли врастают в окружающие ткани и органы. Опухоли нервной системы тоже сложно поддаются лечению благодаря работе гематоэнцефалического барьера, который не пропускает чужеродные соединения.
Глиома головного мозга всеми способами противостоит лечению, отгораживаясь от медикаментов барьером и прорастая в смежные ткани (иногда за пределы мозгового вещества).
Идеальный троянский конь
Американские ученые нашли троянского коня, которому в эксперименте in vivo (на мышах) удалось проникнуть в самые глубинные и недоступные клетки глиомы головного мозга.
Изображение 1. Синтез троянского коня
Для этого экспериментаторы использовали частицу оксида железа размером 7,5 нм. Они закутали ее в синтетический сополимер из хитозана (Chitosan), полиэтиленгликоля (PEG) и полиэтиленимина (PEI). Частица оксида железа, покрытая сополимером, есть не что иное, как вектор (NP), который способен перевозить на себе молекулярные грузы.
К полученным векторам исследователи прикрепили терапевтические участки ДНК (DNA) с геном флуоресцирующего белка.
К экспериментальной группе (троянским коням) ученые с помощью реагента Трота подвесили молекулы хлоротоксина (CTX).
Ученые отмечают, что им удалось создать почти идеального троянского коня размером 48.8 нм — NP:DNA-CTX. Размер контрольной терапевтической (NP:DNA) системы не превышает 43,5 нм. Результаты эксперимента не зависели от проницающих способностей мембраны или работы гематоэнцефалического барьера, так как размеры контрольной и экспериментальной молекулярных повозок незначительно отличаются друг от друга.
Более того, параметры синтетических систем оказались оптимальными для того, чтобы пройти все физиологические препятствия. Ведь слишком маленькие соединения (до 10 нм) фильтруются почками, а слишком большие (более 100 нм) поглощаются иммунной системой. И даже минуя все физиологические преграды повозки с ДНК могли бы не протолкнуться внутрь раковой клетки, если бы габариты молекулярной телеги превышали 50 нм.
Скорпион в раке
В течение 48 часов исследователи следили за передвижением молекулярных повозок по кровяному руслу мышей с помощью МРТ. Ионы железа, входящие в состав вектора, давали контрастное изображение и позволяли регистрировать перемещение терапевтических систем. Через 48 часов, когда лекарство распределилось в организме и достигло цели, экспериментаторы сделали микроскопические срезы мозга, печени, почек и селезенки. С помощью оптического микроскопа исследователи изучили распределение и концентрацию флуоресцирующего белка, который свидетельствовал о том, что генетическое лекарство действует.
Изображение 2. Распределение флуоресцирующего зеленого белка в клетках опухоли головного мозга
Оказалось, что вектор с хлоротоксином гораздо эффективнее распределяется в клетках опухоли. Он не только проникает вглубь клетки и достигает ядра, но и находит периферийные и метастазирующие клетки глиомы головного мозга. Это означает, что с помощью яда скорпиона можно доставлять терапевтическую ДНК даже в недоступные участки опухоли.
К такому же выводу ученые пришли и по результатам гистологического анализа.
Изображение 3. Гистологический анализ глиомы головного мозга после экспериментального лечения. Голубым цветом показано распространение ДНК-несущих векторов в клетках опухоли. На микрофотографиях видно, что хлоротоксиносодержащая система (NP:DNA-CTX) намного эффективнее распределяется внутри опухоли.
Ложка дегтя
На срезах печени, почек и селезенки ученые тоже обнаружили флуоресцирующий белок, хотя и в незначительных количествах. Исследователи пришли к выводу, что вне зависимости от хлоротоксина терапевтические гены переносятся и в другие органы. То есть подобная генная терапия может вызвать побочные реакции – нарушить работу почек, печени и селезенки. Но исследователи отмечают, что в арсенале генных технологов имеется апробированная методика, которая позволит избежать и этого неприятного последствия. В следующих работах ученые постараются полностью обезопасить предложенный метод.
