Как доставлять лекарства к раковым клеткам

Большинство используемых сегодня противоопухолевых препаратов — неспецифические, не адресные. Многие из них очень ядовиты, у них серьезные побочные эффекты; другие плохо растворяются и плохо проникают в опухолевые клетки; третьи — слабо биосовместимы. Вместо того чтобы губить только злокачественные клетки, такие препараты убивают и здоровые. Выход — адресная, таргетная терапия, которая блокирует рост раковых клеток с помощью попадания конкретных молекул точно в цель.

Команда биохимических и клеточных исследований Института проблем химической физики РАН — Артур Гизатуллин, Надежда Дремова, Владимир Торбов, Александр Жиленков, Павел Трошин, Наталья Санина, Сергей Алдошин, Яна Нидер, Оскар Сильвестр и Олександр Савчук — разрабатывает технологии адресной доставки лекарственных средств и диагностических субстанций. Доставка таких препаратов в специальных наночастицах-капсулах обеспечивает более эффективное действие лекарства, позволяет снижать его дозировку и не наносит вреда здоровым клеткам. Особенно актуально применение таких технологий в онкологии при проведении химиотерапии.

Команде удалось создать многослойные наночастицы, состоящие из биополимерного носителя хитозана, гиалуроновой кислоты и инкапсулированных противоопухолевых препаратов, которые работают сразу в трех направлениях: тканевого, клеточного и молекулярного таргетинга.

Тканевый таргетинг

Тканевый таргетинг осуществляется за счет дизайна наночастиц специального размера (примерно 100 нм), определенной формы и поверхностного слоя в виде гиалуроновой кислоты, что позволяет наночастицам связываться с опухолевой тканью и увеличивает время циркуляции наночастиц в кровеносных сосудах опухолей.

В качестве носителя в наночастицах используется хитозан. Один из источников хитозана — панцири ракообразных. Это высококатионный, нетоксичный, биосовместимый и биодеградируемый материал. Из-за своей катионной природы хитозан способен образовывать нерастворимые комплексы с анионным полисахаридом — гиалуроновой кислотой. Наночастицы на основе хитозана способны длительно выполнять необходимую функцию в организме человека и затем разлагаться и выводиться из организма, не причиняя вреда.

Клеточный таргетинг

Активная таргетная доставка лекарственных препаратов осуществляется на основе отрицательно заряженного полимера гиалуроновой кислоты в качестве вектора доставки. Гиалуроновая кислота — это несульфированный глюкозоаминогликан, входящий в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей. Гиалуроновая кислота — один из основных компонентов внеклеточного матрикса, содержится во многих биологических жидкостях (слюне, синовиальной жидкости и др.). Она может обеспечить защиту доставляемого лекарственного препарата и улучшить растворимость гидрофобных лекарств.

Кроме того, гиалуроновая кислота — физиологический лиганд RHAMM (рецептор гиалуронан опосредованной подвижности), поэтому хорошо взаимодействует с этим рецептором на поверхности мембраны опухолевых клеток, обеспечивая селективность доставки препарата в клетку. В настоящее время известно, что RHAMM-рецептор синтезируется в избытке в агрессивных раковых клетках — рака груди, простаты, при солидных опухолях, миелоидной лейкемии, множественной миеломе и других. В то же время в нормальных клетках этот рецептор содержится в незначительном количестве. Известно, что повышенный синтез RHAMM-рецептора коррелирует с плохим прогностическим фактором. Известно также, что RHAMM-рецептор участвует в делении, регуляции подвижности, миграции и инвазивности раковых клеток, то есть образовании метастазов. Наночастицы на основе гиалуроновой кислоты способны узнавать RHAMM-экспрессирующие клетки и, таким образом, точно доставлять связанные с частицами лекарственные препараты внутрь раковой клетки.

Эта стратегия клеточного таргетинга позволяет забраться прямо в опухолевые клетки, а не концентрировать лекарство в почках, печени и затем выводить из организма ретикулоэндотелиальной системой. Гиалуроновая кислота имеет отрицательный заряд, который обеспечивает быстрое прохождение наночастиц через клеточную мембрану. Кроме того, такие наночастицы способны легче проникать в раковые клетки, так как мембраны опухолевых клеток имеют более отрицательный заряд, чем нормальные клетки. Это обеспечивает дополнительную селективность доставки лекарственных препаратов. Клеточные ферменты (гиалуронидазы) способны расщеплять гиалуроновую кислоту внутри клетки, тем самым высвобождая лекарственный препарат непосредственно в раковую клетку.

Молекулярный таргетинг

Молекулярный таргетинг позволяет инкапсулировать в наночастицы высокоэффективные лекарственные препараты, действующие целенаправленно на молекулярную мишень внутри раковой клетки. В качестве таких лекарственных препаратов можно использовать ингибиторы или, наоборот, активаторы ферментов — биомаркеров онкологических заболеваний. Такие частицы могут также нести и доставлять в клетку различные лекарственные препараты, обладающие противоопухолевой активностью, например динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ).

Сейчас для лечения онкологических заболеваний используются соединения, являющиеся донорами оксида азота. Эти соединения проявляют противоопухолевую активность против лейкемии, лейкоза, множественной миеломы, рака яичников. Однако основная проблема этих препаратов заключается в том, что они плохо растворимы и нестабильны в воде, неспецифичны и имеют ряд побочных эффектов. ДНКЖ являются синтетическими аналогами природных высокореакционных нитрозильных клеточных интермедиатов и демонстрируют высокую биологическую (в том числе противоопухолевую) активность.

Совместно с международной Иберийской лабораторией нанотехнологий мы инкапсулировали Dox (известный противоопухолевый препарат) в состав наночастиц и изучили их локализацию в клетке. В исследовании были получены наночастицы оптимального размера примерно 100 нм, отрицательно заряженные и стабильные.

Результаты анализа локализации наночастиц в живых клетках показали, что они проходят через цитоплазматическую мембрану и локализуются вокруг и внутри клеточного ядра раковых клеток. То есть произошла доставка инкапсулированного лекарства внутрь раковой клетки. Кроме того, удалось инкапсулировать ДНКЖ в состав наночастиц (хитозан и гиалуроновая кислота) и исследовать их стабильность и генерацию оксида азота во времени. Результаты исследования показали, что это значительно увеличивает стабильность ДНКЖ, а также пролонгирует генерацию оксида азота и повышает выход оксида азота, тем самым повышая эффективность действия этих соединений.

Созданные нами наночастицы способны осуществлять тканевый, клеточный и молекулярный таргетинг, чтобы обеспечить специфичность действия противоопухолевых препаратов. Эти частицы — комбинация безопасных биоматериалов, идеальны для инкапсулирования катионных гидрофильных препаратов; они способны обеспечить внутриклеточную доставку лекарств. Они могут долго находиться в организме человека, не нанося вреда здоровью, они легко производятся. Такие наночастицы, таргетно доставляющие лекарственные препараты непосредственно в раковую клетку, будут качественно и эффективно улучшать лечение онкологических заболеваний.

Наталья Акентьева, ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук, PhD, руководитель группы биохимических и клеточных исследований Института проблем химической физики РАН