Наночастицы: новое оружие против рака

Онкология, рак — это страшные слова. Еще совсем недавно они означали верную мучительную смерть. К счастью, медики, биологи и фармацевты трудились, не покладая рук, и в наши дни онкологический диагноз — еще не приговор.

Если своевременно принять меры, от рака можно излечиться и вернуться к полноценной жизни, тому есть огромное количество примеров. Но отработанные методы лечения, как оперативное вмешательство, химео- и радиотерапия, хоть и эффективны, но все еще далеки от совершенства.

Главным образом потому, что сами по себе очень тяжелы для больного, имеют массу побочных эффектов и зачастую пугают пациента и его близких едва ли не больше самой болезни.

Процедуры, призванные уничтожить раковые клетки, что называется, «бьют по площадям», причиняя вред и здоровым тканям. Не столь фатальный, как раковая опухоль, но весьма ощутимый. Пациент чувствует себя отвратительно, его мучает тошнота, у него выпадают все волосы. Излечившемуся от основной болезни организму еще предстоит преодолевать последствия побочных эффектов терапии.

Наночастицы: новое оружие против рака

ЧЕКАНОВ Максим Александрович — кандидат химических наук, старший научный сотрудник отдела биомедицинской химии Института молекулярной биологии и генетики Национальной академии наук Украины, постоянный член Украинской академии наук, автор более 40 научных публикаций и основатель двух научных стартапов в области дизайна лекарственных препаратов. Максим Чеканов является одним из ведущих ученых в области биоорганической, фармацевтической и медицинской химии, внесшим огромный вклад в развитие фармацевтической индустрии своими работами, посвященными дизайну ингибиторов протеинкиназ как предшественников лекарственных средств с применением инновационных методов комбинаторной химии и компьютерного моделирования. Максим — один из немногих ученых, ставший успешным предпринимателем. Он основал в США научный стартап, разрабатывающий для мировых фармацевтических гигантов (Merck, Bayer и др.), а также международных научно-исследовательских институтов новые химические билдинг-блоки, интермедиаты и биоактивные соединения, которые используются для создания новых лекарств. Украинский химический стартап получил награду и удостоился высокого статуса «Лидер года 2017» по оценке Национального бизнес-рейтинга.

Как следствие, с лечением онкологии часто тянут до последнего, надеясь на чудо. Человек знает о своем диагнозе, но убеждает себя, что это ошибка, лечится травами, медитациями, в общем, всем чем угодно, лишь бы не обращаться в онкологическую клинику.

Порой это заканчивается трагически. Момент оказывается упущен, и врачи бессильны, а ведь явись больной несколькими месяцами раньше, и его спасли бы почти наверняка. Поэтому ученые всего мира ищут новые, лучшие методы лечения.

Отрадно сознавать, что не так мало в этой области было сделано в Украине.

Со своими исследованиями, которые ведутся в Институте молекулярной биологии и генетики Национальной академии наук Украины (г. Киев), нас познакомил старший научный сотрудник отдела биомедицинской химии института Максим Александрович Чеканов.

Цель его научной работы заключается в том, чтобы создавать лечебные препараты селективного воздействия, умеющий выбирать себе мишень, уничтожая раковую опухоль и не причиняя вреда здоровым клеткам.

В данном случае «мишень» — это не только образное выражение, но и научный термин.

«Развитие неинфекционных заболеваний связано с нарушением функционирования того или иного фермента (мишени), — объясняет ученый.

— Если как следует изучить функцию и пространственное строение мишени, можно подобрать молекулу, которая свяжется именно с ней и будет регулировать ее активность». Искомая молекула называется лиганд, и она может служить лекарственным препаратом.

Приоритетным направлением для Максима Александровича является поиск лигандов для ферментов, которые называются протеинкиназами.

Протеинкиназы — очень большая группа ферментов. Только в человеческом организме их известно более 500 видов. Их функция — модифицировать белки путем так называемого фосфорилирования — переноса остатков фосфорной кислоты, которые отщепляются от аденозинтрифосфата( АТФ).

Это меняет свойства белков. Таким образом может изменяться метаболизм и передача сигналов в клетке, регулироваться ее деление и рост. Именно с неправильной «настройкой» протеинкиназы, ее слишком интенсивной работой связывают бурный неконтролируемый рост раковых опухолей.

Наверное, стоит сказать несколько слов о природе онкологических заболеваний вообще. Они довольно разнообразны и связаны с накоплением в клетках различных мутаций.

В принципе в организме предусмотрен механизм, препятствующий сохранению и накоплению мутаций, — так называемый апоптоз, запрограммированная гибель клеток с поврежденной ДНК.

Но иногда этот механизм оказывается испорченным, «неправильная» клетка сохраняется, размножается, у кого-то из ее потомков появляются новые мутации, которые, в свою очередь, передаются потомкам.

В конце концов возникают раковые клетки, которые называют «клетками с асоциальным поведением».

Им нет никакого дела до интересов всего организма и до того, что их предки выполняли в этом организме определенные функции.

Они стремятся лишь бесконтрольно размножаться и размножаются, нарушая равновесие, естественно, до момента гибели всего организма. Клетки опухоли гибнут вместе с ним, но они не умеют это прогнозировать.

В числе прочего протеинкиназы отвечают за регуляцию апоптоза. Их слишком бурная деятельность создает условия, препятствующие запрограммированной гибели клеток-мутантов. Вещество, подавляющее активность конкретной протеинкиназы (ингибитор), может стать отличным селективным средством борьбы с онкологическими заболеваниями.

Ряд такого рода препаратов уже применяется. Это Иматиниб, созданный в 1990 г. интернациональной группой ученых, в состав которой входили британцы, американцы и итальянцы, а также Гефитиниб, синтезированный в начале нулевых в Японии. Но этого мало. Люди нуждаются в большом количестве разнообразных противораковых препаратов селективного воздействия.

Наночастицы: новое оружие против рака

Формула NQDI-1 — ингибитора протеинкиназы ASK-1, разработанного в Институте молекулярной биологии и генетики НАНУ

Молекулы ферментов — очень сложные образования, включающие в себя сотни атомов. «Прежде всего нужно установить трехмерную структуру протеинкиназы, — рассказывает Чеканов. — Для этого выращивают кристалл фермента.

Потом с помощью рентгеноструктурного анализа определяют расположение атомов в молекуле киназы и строят ее пространственную модель.

Если же данный вид киназы уже был выделен и охарактеризован другими исследователями, ее структуру можно найти на специальных интернетресурсах, таких как RCSBDataBank, и загрузить оттуда».

Наночастицы: новое оружие против рака

3D-модель электронных свойств поверхности NQDI-1

Наибольший интерес представляет фрагмент, связывающий АТФ, ведь задача исследователя состоит в том, чтобы получить молекулу, которая будет подходить к этому участку, «как ключ к замку», и сможет воспрепятствовать связыванию. Таким образом нежелательную активность протеинкиназы можно будет заблокировать.

Важной частью исследования является создание электронной базы данных, в которую будут входить тысячи молекул, как реально существующих, так и смоделированных виртуально.

Последние могут быть синтезированы и получить физическое воплощение, если потребуется.

Эти вещества должны отвечать ряду требований, необходимых для лекарственных препаратов: легко растворяться в воде, иметь молекулярную массу не больше 500 и т. д.

Наночастицы: новое оружие против рака

Компьютерная модель протеинкиназы СК2

Далее идет отбор подходящих кандидатов в лиганды на уровне виртуальных моделей. Для этого используются современные математические алгоритмы, заложенные в программных пакетах для компьютерного моделирования: DOCK, AutoDock, MOE, FlexX, ICMPro и др. На выходе получается несколько сот потенциально подходящих молекул.

Следующий этап проходит уже в химической лаборатории с синтезированными веществами. Здесь проверяют, как активность ингибитора зависит от его химической структуры, намечают способы сделать препарат более эффективным. Синтезируют новые соединения и проверяют уже их поведение, строят новые модели.

В конце концов отбирается несколько ингибиторов, показавших себя наиболее активными. Их передают биологам, для тестирования непосредственно на раковых клетках.

«На первый взгляд все кажется довольно простым, — говорит исследователь. — Но на практике мы сталкиваемся с серьезными трудностями. Прежде всего 3D-структуру фермента нужно определить чрезвычайно точно, и это нелегко, так как не всегда удается вырастить кристалл фермента нужного качества.

В отношении многих киназ этого так и не удалось до сих пор добиться. К тому же некоторые протеинкиназы очень близки между собой по строению. Их нужно изучать очень тщательно, чтобы отличить друг от друга. Именно используя эти незначительные, казалось бы, отличия, можно создавать селективные ингибиторы.

Также важно учитывать, что ингибиторы должны быть высокоактивными, но все же не настолько, чтобы связать фермент необратимо и навсегда расстроить механизм работы клетки. Ну и синтез новых веществ является трудоемким и дорогостоящим процессом.

Для решения всех этих проблем нами был разработан новый метод и система высокопродуктивного комбинаторного синтеза малых органических молекул».

В заключение нашей встречи мы задали исследователю несколько вопросов о внедрении результатов его работы в медицинскую практику.

Максим, скажите, Ваши научные разработки уже где-то применяются?

— Да, нам удалось одним из первых в мире разработать и опубликовать высокоактивный и одновременно селективный ингибитор ASK-1 протеинкиназы, которая является важным звеном в развитии различных тяжелых заболеваний, в том числе рака, болезни Альцгеймера и сахарного диабета. Ми назвали это вещество NQDI-1.

В названии использовали аббревиатуру названия химического класса вещества, использовавшегося в исследованиях. Этот ингибитор использовали в своих биомедицинских научных исследованиях около 10 групп ученых биологов и медиков по всему миру — США, Великобритания, Южная Корея, Китай, Германия и другие страны.

Наши зарубежные коллеги показали, что ингибитор NQDI-1 успешно замедляет развитие остеоартроза, защищает клетки головного мозга при перинатальном поражении, защищает почки от ишемических повреждений, обладает общими нейропротекторными свойствами, может использоваться как цитопротектор при лечение силикоза, а также резко подавляет рост клеток рака поджелудочной железы.

Можно сказать, что данный ингибитор NQDI-1 — это новое лекарство от целого ряда серьезных заболеваний, включая рак?

— NQDI-1 успешно используется в научных исследованиях по разработке современных лекарств нового поколения против рака, воспалительных и аутоимунных заболеваний, но называть это химическое соединение лекарством пока преждевременно.

Читайте также:  НЯК: симптомы, лечение при обострении, осложнения, неспецифический язвенный колит кишечника

Часто бывает так, что вещество, которое изначально использовалось в разработке лекарства, претерпевает ряд изменений химической структуры для улучшения его биологических свойств, например увеличения растворимости, уменьшения токсичности и т. д.

Поэтому NQDI-1 — это удачный предшественник новых лекарственных препаратов, которые еще предстоит разработать на его основе.

Вы можете разработать новые лекарства на основе NQDI-1 или других ингибиторов ASK-1?

— Дело в том, что разработка одного нового фармацевтического препарата — это очень долгая и дорогостоящая процедура. Стоимость выведения на рынок одного препарата обходится в 1,5 миллиарда долларов и около 10–15 лет исследований.

Такие инвестиции могут позволить себе только крупные фармацевтические компании. Над разработкой новых препаратов работают не только химики и фармацевты, но также биологи и медики, которые проводят клинические и доклинические испытания.

Наши исследования — это только первая ступень в разработке новых лекарств.

Мы как ученые — медицинские химики разрабатываем новые молекулы — ингибиторы протеинкиназ, публикуем результаты в научных журналах, и наши разработки могут использовать ученые по всему миру для своих биомедицинских исследований, в том числе и фармацевтические компании для разработки новых лекарств.

Проявляют ли зарубежные фармацевтические компании интерес к Вашим исследованиям?

— Фармацевтические гиганты постоянно ищут что-то новое, что они могут использовать для разработки новых лекарств. Для того чтобы коммерциализировать инновационный опыт, накопленный в результате исследований в сфере дизайна биоактивых молекул, мною были основаны научные стартапы в Украине и США — лаборатория УкрХимАнализ и AZEPINELLC.

Эти компании разрабатывают и синтезируют новые химические билдингблоки, фармацевтические интермедиаты и биоактивные соединения, которые используются для создания новых лекарств международными фармацевтическими гигантами, научно-исследовательскими лабораториями зарубежных университетов и госпиталей.

В основном для борьбы с раком, сахарным диабетом и болезнью Альцгеймера. Мы сотрудничаем с такими всемирно известными фармкомпаниями, как Merck, Bayer, Novartis, а также с Колумбийским университетом (США), японскими и южнокорейскими hitech-компаниями.

Наша украинская химическая лаборатория получила награду и звание «Лидер года 2017» от Национального бизнес-рейтинга, что подтверждает нашу ценность также и для рынка Украины.

Сейчас для американского фармацевтического рынка мы готовим к запуску еще один новый проект — online-маркетплейс. Это будет что-то наподобии Amazon, но только для ученых — медицинских химиков.

Он позволит американским исследователям легко находить зарубежных партнеров, имеющих опыт в определенных областях медицинской химии, и размещать у них заказы на разработку и синтез фармацевтических интермедиатов и билдинг-блоков.

Это существенно ускорит и удешевит разработку новых лекарств американскими учеными-фармацевтами.

Наночастицы: новое оружие против рака

Статья была опубликована в июньском номере журнала «Наука и техника» за  2019 год

Ученые создали гибридные наночастицы против рака и бактерий

Наночастицы: новое оружие против рака

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» вместе с коллегами из ФБУН «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии» и Университета Квинсленда (Брисбен, Австралия) разработали гибридные наноматериалы на основе нитрида бора и серебра, показав их эффективность в терапии онкологических заболеваний, а также в качестве новых катализаторов и антибактериальных агентов.

Как передает Day.Az со ссылкой на РИА Новости, результаты исследования опубликованы в «Beilstein Journal of Nanotechnology». 

Интерес к наноматериалам связан с тем, что при уменьшении размера частицы материала до нанометров (1 нм = 10-9 м) меняется его электронная структура, и проявляются новые физико-химические свойства вещества. Например, магнит при уменьшении размера до десяти нанометров может полностью потерять магнитные свойства.

В настоящее время ученые переходят от изучения отдельных наночастиц (фуллерены, нанотрубки) к исследованиям сочетаний различных материалов на наноуровне. Возникло понятие гибридных наноматериалов, которым присущи свойства составляющих их индивидуальных компонентов.  

Благодаря гибридизации можно  добиться сочетания  ранее несовместимых свойств,  например, получить одновременно твердый и пластичный  материал. Кроме того, ученые заметили, что зачастую комбинации наноматериалов  проявляют улучшенные  или даже новые свойства по сравнению с исходными. В настоящее время область науки, связанная с наногибридами, только начинает развиваться.

Ученые НИТУ «МИСиС» активно изучают свойства гибридных наноматериалов на основе наночастиц нитрид бора (BN). Нитрид бора был выбран в качестве основы новых гибридных наночастиц, потому что он химически инертный, биосовместимый и имеет низкую удельную плотность. 

Гибридные наноматериалы на основе нитрида бора используют в качестве перспективных ключевых компонентов современных биоматериалов, катализаторов и сенсоров нового поколения.

Такие гибриды обладают выгодной комбинацией свойств: биосовместимостью, высокой прочностью и теплопроводностью, химической стабильностью и высокой электрической изоляцией.

Это объясняет их эффективность в создании новых биомедицинских препаратов, упрочнении легких металлов и полимеров, производстве прозрачных супергидрофобных пленок, а также квантовых устройств. 

«Мы изучили свойства наногибридов на основе наночастиц нитрида бора и серебра (BN/Ag) и обнаружили высокий потенциал  их использования.

Особенно нас интересовало применение в лечении онкологических заболеваний, а также свойственная  этим веществам каталитическая и антибактериальная активность», — рассказывает один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Андрей Матвеев.

По словам ученого, такие наногибриды могут быть использованы в онкологии как основа для препаратов адресной доставки лекарств к опухоли. Пропитанные лекарством наногибриды превращаются в «контейнеры», которые надо доставить внутрь раковых клеток. Для этого наногибриды химически модифицируют «пришивкой» к их поверхности фолиевой кислоты (витамин В9) через наночастицу серебра.

Поскольку в раковых клетках находится патологически увеличенное количество рецепторов фолиевой кислоты,  модифицированные фолиевой кислотой наногибриды накапливаются преимущественно в таких тканях.

В итоге  их концентрация там становится в тысячу раз больше, чем в здоровых.

При этом внутри опухолевой клетки кислотность выше, чем в межклеточном пространстве, и смена кислотности приводит к высвобождению лекарства из наноконтейнера.

«Таким образом, лекарство выделяется преимущественно внутри раковых клеток, что сильно снижает общую концентрацию препарата в организме — и, как следствие, предотвращает интоксикацию», — отмечает Матвеев.

По мнению авторов, наногибриды, модифицированные для адресной доставки, также актуальны для изотопной и бор-нейтрон захватной терапии онкологических заболеваний. 

Синтезированные частицы также показали высокую антибактериальную активность против тестовых бактерий Escherichia coli — кишечной палочки, которая обычно встречается в грязной воде. Потому обеззараживание воды данными наногибридами может быть актуально при чрезвычайных ситуациях или в военное время. 

Наногибриды на основе наночастиц нитрида бора могут также найти применение в качестве фотоактивных материалов в ультрафиолетовом диапазоне.

Наночастицы против рака: прорыв в онкологии

Крошечные наночастицы, в разы тоньше человеческого волоса, могут помочь иммунной системе человека в борьбе с опухолями. Об этом рассказывает исследование, где в ходе эксперимента на мышах терапия с использованием наночастиц не только полностью уничтожила целевые опухоли молочной железы, но и избавила организм от метастазов в других частях тела. Клинические испытания, как уверяют исследователи, начнутся уже в ближайшие месяцы.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Поиск лекарств, которые стимулируют собственную иммунную систему организма для борьбы с опухолями, является одной из самых горячих тем во всей современной онкологии.

«Часовые» иммунитета, известные как Т-клетки, обычно реагируют на потенциальную угрозу, скажем, на бактериальные агенты и потенциально опухолевые клетки и вызывают подмогу, чтобы вместе справиться с проблемой.

Однако сигналы тревоги этих клеток могут быть приглушены с помощью так называемых иммунных КПП, белков на поверхности здоровых клеток, которые подавляют опасные аутоиммунные реакции, направленные на здоровые ткани.

Опухолевые клетки, в свою очередь, часто захватывают контроль над подобными системами и таким образом тормозят работу всей системы. Чтобы преодолеть эту проблему, фармацевтические компании разработали целый ряд различных белковых антител, которые блокируют контроль над белками-регуляторами и позволяют иммунной системе делать свое дело.

В тех случаях, когда множество Т-клеток располагаются в непосредственной близости от опухоли, или же там, где опухолевые клетки претерпели большое количество мутаций, создав таким образом еще больше мишеней для иммунных агентов, Т-клетки смогут отправить иммунной системе полноценный сигнал — а это может добавить годы к жизни даже тяжелобольного пациента.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Тем не менее, существующие на сегодняшний день препараты эффективны только в 20−30% случаев.

В некоторых случаях, даже когда КПП-молекулы заблокированы, вокруг оказывается недостаточно Т-клеток, и сигнал до иммунной системы не доходит, говорит Джедд Вулок, эксперт по раковой иммунотерапии из Memorial Sloan Kettering Cancer Center в Нью-Йорке. По его словам, другая частая проблема — это отсутствие на поверхности опухолевых клеток антигенов-мишеней, на которые и реагируют Т-клетки.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако эти проблемы, на первый взгляд практически не связанные друг с другом, в итоге натолкнули медиков на методику значительно увеличения эффективности иммунотерапии.

Онкологам было известно, что после того, как пациент получает дозу облучения во время лучевой терапии, иммунная система ответит агрессивной реакцией, которая уничтожает не только опухоли, но и метастазы в тех областях, которые облучению не подвергались.

Теперь исследователи полагают, что облучение иногда убивает некоторые опухолевые клетки так, что те выделяют антигены, на которые и реагируют Т-клетки.

Так выглядят разрозненные раковые клетки под электронным микроскопом

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вэньбинь Лин, химик из Университета Чикаго в штате Иллинойс, и соавтор исследования, решил изучить э тот процесс и узнать, может ли он использовать нетоксичные наночастицы для сенсибилизации иммунной системы аналогичным образом.

Это не так просто, как может показаться: если частицы будут слишком большими, клетки-макрофаги попросту поглотят и утилизируют их как инородные элементы. К тому же, белки крови часто коагулируют с различными частицами, облегчая их поглощение.

За последние несколько лет команда Ли разработала новый метод получения частиц, размер которых колеблется от 20 до 40 нанометров — наиболее выгодный диапазон для того, чтобы их не могли засечь макрофаги.

Помимо этого, частицы покрыты оболочкой из полиэтиленгликоля, который помогает им сохранять целостность во время циркуляции крови и успешно проникать в клетки-мишени. И, наконец, на внутренней стороне частицы оснащены светопоглощающими, хлорсодержащими молекулами, которые и превращают наночастицы в убийцы опухолей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В предыдущих исследованиях ученые обнаружили, что после попадания в кровь наночастицы могут циркулировать в ней достаточно долго, прежде чем они найдут свою цель.

Из-за того, что опухоли обычно обладают дырявой, деформированной сосудистой сетью, частицы могут просачиваться прямо в пораженную раком ткань и внедряться в сами опухолевые клетки. После того, как они будут поглощены, медики направляют на зону рядом с опухолью пучок инфракрасного света.

Этот свет поглощается хлорсодержащими молекулами, которые потом возбуждают соседние молекулы кислорода, переводя его в высокоактивную форму, которая и разрывает соседние биомолекулы, уничтожая опухоль на корню.

Читайте также:  Рак миндалин: причины заболевания, симптомы и лечение

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но это только начало, говорит Линь. Активный кислород имеет тенденцию разрывать опухолевую ткань таким образом, что она обнажает множество дендритных клеток-антигенов, на которые и реагируют Т-клетки.

Благодаря этому уже сама иммунная система человека может продуцировать полноценный противоопухолевый ответ даже в тех случаях, когда самих Т-клеток вокруг очень мало. До сих пор ученые проводили лишь испытания на мышах, которые увенчались успехом.

Рак молочной железы и рак толстой кишки у грызунов исчезли, при этом ученые с удивлением обнаружили, что эффективность наночастиц никак не зависит от токсических агентов обычной химиотерапии, которыми медики «подстраховывались» поначалу.

Если испытания на людях увенчаются успехом — это может быть одним из самых серьезных прорывов в онкологии за последние несколько лет.

Ученые создали гибридные наночастицы против рака и бактерий

МОСКВА, 19 фев — РИА Новости.

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» вместе с коллегами из ФБУН «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии» и Университета Квинсленда (Брисбен, Австралия) разработали гибридные наноматериалы на основе нитрида бора и серебра, показав их эффективность в терапии онкологических заболеваний, а также в качестве новых катализаторов и антибактериальных агентов. Результаты исследования опубликованы в «Beilstein Journal of Nanotechnology».

Интерес к наноматериалам связан с тем, что при уменьшении размера частицы материала до нанометров (1 нм = 10-9 м) меняется его электронная структура, и проявляются новые физико-химические свойства вещества. Например, магнит при уменьшении размера до десяти нанометров может полностью потерять магнитные свойства.

В настоящее время ученые переходят от изучения отдельных наночастиц (фуллерены, нанотрубки) к исследованиям сочетаний различных материалов на наноуровне. Возникло понятие гибридных наноматериалов, которым присущи свойства составляющих их индивидуальных компонентов.

Благодаря гибридизации можно добиться сочетания ранее несовместимых свойств, например, получить одновременно твердый и пластичный материал. Кроме того, ученые заметили, что зачастую комбинации наноматериалов проявляют улучшенные или даже новые свойства по сравнению с исходными. В настоящее время область науки, связанная с наногибридами, только начинает развиваться.

Ученые НИТУ «МИСиС» активно изучают свойства гибридных наноматериалов на основе наночастиц нитрид бора (BN). Нитрид бора был выбран в качестве основы новых гибридных наночастиц, потому что он химически инертный, биосовместимый и имеет низкую удельную плотность.

Гибридные наноматериалы на основе нитрида бора используют в качестве перспективных ключевых компонентов современных биоматериалов, катализаторов и сенсоров нового поколения.

Такие гибриды обладают выгодной комбинацией свойств: биосовместимостью, высокой прочностью и теплопроводностью, химической стабильностью и высокой электрической изоляцией.

Это объясняет их эффективность в создании новых биомедицинских препаратов, упрочнении легких металлов и полимеров, производстве прозрачных супергидрофобных пленок, а также квантовых устройств.

«Мы изучили свойства наногибридов на основе наночастиц нитрида бора и серебра (BN/Ag) и обнаружили высокий потенциал их использования.

Особенно нас интересовало применение в лечении онкологических заболеваний, а также свойственная этим веществам каталитическая и антибактериальная активность», — рассказывает один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Андрей Матвеев.

По словам ученого, такие наногибриды могут быть использованы в онкологии как основа для препаратов адресной доставки лекарств к опухоли. Пропитанные лекарством наногибриды превращаются в «контейнеры», которые надо доставить внутрь раковых клеток. Для этого наногибриды химически модифицируют «пришивкой» к их поверхности фолиевой кислоты (витамин В9) через наночастицу серебра.

Поскольку в раковых клетках находится патологически увеличенное количество рецепторов фолиевой кислоты, модифицированные фолиевой кислотой наногибриды накапливаются преимущественно в таких тканях.

В итоге их концентрация там становится в тысячу раз больше, чем в здоровых.

При этом внутри опухолевой клетки кислотность выше, чем в межклеточном пространстве, и смена кислотности приводит к высвобождению лекарства из наноконтейнера.

«Таким образом, лекарство выделяется преимущественно внутри раковых клеток, что сильно снижает общую концентрацию препарата в организме — и, как следствие, предотвращает интоксикацию», — отмечает Матвеев.

По мнению авторов, наногибриды, модифицированные для адресной доставки, также актуальны для изотопной и бор-нейтрон захватной терапии онкологических заболеваний.

Синтезированные частицы также показали высокую антибактериальную активность против тестовых бактерий Escherichia coli — кишечной палочки, которая обычно встречается в грязной воде. Потому обеззараживание воды данными наногибридами может быть актуально при чрезвычайных ситуациях или в военное время.

Наногибриды на основе наночастиц нитрида бора могут также найти применение в качестве фотоактивных материалов в ультрафиолетовом диапазоне.

Нанотехнологии: наночастицы как оружие против рака

Многие химиотерапевтические агенты, используемые для лечения рака, связаны с побочными эффектами различной степени тяжести, поскольку они токсичны как для нормальных клеток, так и для злокачественных опухолей.

Это мотивировало поиск эффективных альтернатив синтетическим фармацевтическим препаратам, с помощью которых в настоящее время лечат большинство видов рака.

Использование фосфата и цитрата кальция для этой цели обсуждается уже несколько лет, так как они приводят к гибели клеток при доставке непосредственно в клетки, а их присутствие в кровообращении оказывает незначительное токсическое действие или не оказывает никакого токсического действия.

Проблема состоит в поиске способов преодоления механизмов, которые контролируют поглощение этих соединений клетками, и обеспечения того, чтобы соединения действовали избирательно на клетки, которые необходимо удалить.

И фосфат кальция, и цитрат участвуют в регуляции многих клеточных сигнальных путей. Следовательно, уровни этих веществ, присутствующих в цитоплазме, строго контролируются, чтобы избежать нарушения этих путей. Что особенно важно, наночастицы, описанные в новом исследовании, способны обходить этот регуляторный контроль.

«Мы приготовили аморфные и пористые наночастицы, состоящие из фосфата кальция и цитрата, которые инкапсулированы в липидном слое», — объясняет автор исследования доктор фон Ширндинг. Инкапсуляция гарантирует, что эти частицы легко захватываются клетками, не вызывая контрмер.

Попадая внутрь клетки, липидный слой эффективно разрушается, и большие количества кальция и цитрата откладываются в цитоплазме.

Эксперименты на культивируемых клетках показали, что частицы избирательно смертельны — убивают раковые клетки, но оставляют здоровые клетки (которые также принимают частицы) практически невредимыми.

«Очевидно, что частицы могут быть очень токсичными для раковых клеток. Действительно, мы обнаружили, что чем агрессивнее опухоль, тем сильнее на нее воздействие», — говорит исследователь доктор Энгельке.

Во время клеточного поглощения наночастицы приобретают вторую мембранную оболочку.

Авторы исследования постулируют, что неизвестный механизм, специфичный для раковых клеток, вызывает разрыв этой внешней мембраны, позволяя содержимому везикул просачиваться в цитоплазму.

С другой стороны, в здоровых клетках этот внешний слой сохраняет свою целостность, и везикулы впоследствии выводятся неповрежденными во внеклеточную среду.

«Высокоселективная токсичность частиц позволила нам успешно лечить два разных типа высокоагрессивных опухолей плевры у мышей. Всего с помощью двух доз, введенных местно, мы смогли уменьшить размер опухоли на 40 и 70% соответственно». — говорит Энгельке.

Многие плевральные опухоли являются метастатическими продуктами опухолей легких и развиваются в плевральной полости между легким и грудной клеткой. Поскольку эта область не снабжается кровью, она недоступна для химиотерапевтических средств. «Напротив, наши наночастицы можно вводить непосредственно в плевральную полость», — говорит Бейн.

Кроме того, в течение 2-х месячного курса лечения никаких серьезных побочных эффектов выявлено не было.

Нанозолото против рака

Золотые наночастицы помогут избавиться даже от самых ничтожных остатков раковых клеток, оставшихся в организме после операции.

После операции по удалению опухоли больным обычно назначают курс радиотерапии или химиотерапии – хирургическим путём удалить абсолютно все злокачественные клетки не получается, поэтому, чтобы их убить, приходится использовать либо излучение, либо лекарства. Кроме того, бывает так, что опухоль просто неоперабельна, так что приходится надеяться только на радио- или на химиотерапию.

Клетки плоскоклеточной карциномы, окрашенные зелёным и красным по двум формам белка кератина. (Фото Elisabetta Palazzo, Ph.D., NIAMS Laboratory of Skin Biology / Flickr.com.)

Кластеры золотых наночастиц на поверхности раковой клетки. (Фото D. S. Wagner et al., Biomaterials, 31 (2010).)

Однако у них есть свои минусы: с одной стороны, какая-то доля раковых клеток всё равно может выжить (например, приобретя устойчивость к противораковому препарату), с другой – при лечении страдают и здоровые ткани тоже, так что специалистам приходится неустанно думать, как бы сделать так, чтобы лекарства от рака приходили точно по адресу, то есть строго к злокачественным клеткам.

Здесь можно поступить иначе – попробовать найти альтернативу как радио-, так и обычной химиотерапии. В качестве такой альтернативы часто рассматривают наночастицы.

Например, частицы из золота, если их ввести в кровь, из-за особенностей кровеносных сосудов, снабжающих опухоль, могут накапливаться в ней.

Потом их можно разогреть лазерным лучом, из-за накопленного частицами тепла в воде рядом с ними появятся пузырьки, и такое «микрокипение» убьёт раковые клетки.

Однако, если использовать золотые наночастицы как есть, то мы столкнёмся с теми же проблемами, что и при химиотерапии: некоторая доля частиц неизбежно оседает в нормальных, здоровых клетках. Сам лазер тоже может доставить неприятности: непрерывный инфракрасный лазерный луч может разогреть расположенные рядом с опухолью ткани.

Пострадать могут сосуды, нервы и т. д., и побочные эффекты здесь могут быть довольно опасными. То есть нам опять же нужно снабдить наночастицы точным адресом, чтобы они шли именно к раку и никуда больше.

И здесь в качестве адреса можно использовать, например, антитела, специфично связывающиеся только с теми белками, которые сидят на мембране опухолевых клеток.

Екатерина Лукьянова-Хлеб и Дмитрий Лапотко из Университета Райса вместе с Игорем Белоцерковским из белорусского Республиканского научно-практического центра онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н.

Александрова и коллегами из Исследовательского института при Методистской больнице и Онкоцентра им. М. Д.

Андерсона в Хьюстоне попробовали использовать такие золотые наночастицы против плоскоклеточной карциномы.

Мышам пересаживали клетки человеческого рака, потом, когда у животных развивалась опухоль, её удаляли, но одновременно с операцией животным вводили частицы с антителами против мембранных рецепторов злокачественных клеток. Для разогрева наночастиц вместо непрерывного инфракрасного лазера использовали более слабые по энергии короткие лазерные импульсы околоинфракрасной частоты.

В статье в Nature Nanotechnology авторы пишут, что таким образом удавалось обнаружить чрезвычайно малые группы клеток, буквально от трёх до тридцати штук.

Читайте также:  Метастазы при раке простаты: рак простаты 4 степени с метастазами, как уничтожить метастазы при раке простаты

«Увидеть» их можно было с помощь акустического теста на скопление наночастиц, но, что самое главное, эти злокачественные клеточные кластеры по ходу дела легко уничтожались.

Мыши, у которых саму опухоль удаляли полностью, после такой дополнительной наноочистки полностью выздоравливали; если же опухоль удавалось удалить только частично, то выживаемость животных была вдвое больше после обработки наночастицами, чем без неё.

Плоскоклеточные карциномы с трудом поддаются обычному лечению, так что остаётся надеяться, что клинические испытания (которые исследователи планируют выполнить в ближайшие два года) пройдут с таким же успехом, и новый метод войдёт в повседневную медицинскую практику. Возможно, что, меняя иммунный адрес на частицах, их можно будет направлять и на другие злокачественные опухоли.

Почти год назад мы писали о чём-то похожем – о золотых наночастицах, которые могут заметно повысить эффективность радиотерапии, если привести их прямо к раковым клеткам.

Однако в тогдашней статье в PNAS речь шла не об антителах, но о специальных пептидах, которые чувствуют более кислую, чем обычно, клеточную среду, и закрепляются в мембране подкисленной клетки.

Раковые же клетки как раз и отличаются пониженным pH, так что такие пептиды могли бы доставить связанные с ними наночастицы прямиком к адресату. Однако, в отличие от вышеописанных результатов, опубликованных в Nature Nanotechnology, «кислотолюбивые» частицы опробовали пока лишь только на культуре клеток.

И напоследок можно вспомнить про «умный нож», или iKnife (Intelligent Knife), описанный в статье трёхлетней давности в Science Translational Medicine.

Разработчики «умного ножа» – точнее, «умного пинцета» – хотели решить ту же проблему: как во время операции по максимуму удалить злокачественные ткани.

С помощью iKnife хирург прямо во время операции слегка прижигает ткани, а дым и пар от сожжённых биомолекул тут же отправляется в масс-спектрометр.

За 1-3 секунды устройство выдаёт химический анализ, и по результатам которого можно сказать, какая ткань попала под электропинцет, больная или здоровая, и даже отличить первичную опухоль от вторичной.

Инструмент опробовали в настоящих клинических операциях, однако для того, чтобы понять, действительно ли есть от него какая-то заметная польза, за пациентами, которых оперировали с помощью «умного ножа», нужно понаблюдать какое-то время.

По материалам Science.

Наночастицы против рака

Обратная сторона долгой жизни – заболевания, характерные для пожилого возраста. Никогда раньше такое количество американцев не доживало до глубокой старости. Высокая продолжительность жизни означает, помимо всего прочего, слабеющую иммунную систему и, как следствие, высокую частоту онкологических заболеваний.

Их эффективное лечение требует новых, более универсальных методов. Об одном из разрабатываемых методов лечения рака на стыке биологии, нанотехнологий и физики пойдет речь в сегодняшней Техносреде.Как ни странно, убить раковые клетки не так уж сложно.

Это с успехом делается в лабораторных условиях несколькими способами: токсичными для клеток химическими соединениями, радиацией, физическими воздействиями или обыкновенным нагреванием. Ни один из этих методов, однако, не обеспечивает полного успеха в клинических условиях по одной простой причине.

Убивая раковые клетки, яды, радиация и другие методы воздействия так же убивают и здоровые ткани организма. Из-за высокой токсичности химиотерапии и низкой избирательности лучевой терапии они часто применяются в комбинациях или в качестве вспомогательного лечения, а основным оружием против рака чаще оказывается хирургическая операция.

По крайней мере, в тех случаях, когда она возможна. Создать метод, избирательно убивающий раковые клетки без хирургического вмешательства, задача не из тривиальных.Если нагреть раковые клетки в пробирке до температуры выше 43˚C, они начинают погибать.

То же, конечно, верно и для здоровых клеток, и поэтому изначально ясно, что нагревание должно быть хорошо локализовано. Казалось бы, при чем здесь наночастицы металлов? Они могут существовать в виде взвеси в воде. Их можно вводить в виде инъекций в определенные участки тканей, в том числе пораженные раком.

И вот основной этап в предлагаемом методе лечения: когда опухоль окажется насыщенной достаточным количеством этих частиц, достаточно создать переменное магнитное поле вокруг них, чтобы они начали разогреваться. Таким образом можно избирательно нагревать раковые опухоли, по крайней мере, в теории.

На практике исследователи, разрабатывающие этот метод, сталкиваются с рядом проблем. Обычные металлические наночастицы нагревают ткань недостаточно эффективно, и для разогрева выше 43 градусов требуется слишком интенсивное магнитное поле, которое само по себе негативно влияет на организм.

Исследователи из Кореи обошли эту проблему, создав двухслойные частицы из разных металлов. Интенсивность магнитного поля для нужного разогрева этих частиц упала в десять раз. Таким образом, доза магнитного облучения составила всего 10 процентов от изначального.

В экспериментах на мышах десятиминутная обработка опухоли привела к ее полному исчезновению (данные в статье журнала Nature).

На этой неделе вышла новая статья, описывающая еще один шаг на пути к созданию эффективного лечения наночастицами металла. Оказалось, что форма частиц также влияет на характер нагревания.

Восьмиконечные звезды из золота, использованные в новых экспериментах, повысили создаваемую температуру еще в десять раз при том же магнитном поле.

Размеры этих звезд составляют порядка одной тысячной толщины человеческого волоса.

Несмотря на полное исчезновение опухолей у животных и относительную простоту лечения (после инъекции животных помещают в сферический магнит на несколько минут), этому методу еще предстоят новые этапы совершенствования, прежде чем им начнут лечить людей. Одна из дополнительных проблем – создание высокой концентрации наночастиц в опухоли.

Сами по себе они относительно безвредны, но их высокая концентрация способна вызывать иммунную реакцию у пациента. Поэтому путь к созданию работающего метода лечения лежит через повышение эффективности нагревания.

Чем меньше частиц понадобится, чтобы нагреть ткань выше 43 градусов, тем ближе будет метод к широкому клиническому применению и, в конечном счете, – тем счастливее жизнь стареющего поколения.

Свет и наночастицы против рака | Капитал страны

16 Июля 2020 8984 0 Наука и технологии

Студент Лейденского института химии Сюэцюань Чжоу разработал новую многообещающую молекулу, которая эффективно убивает раковые клетки, но не наносит вреда здоровым тканям. Хитрость: препарат активен только при облучении светом. Новое соединение Чжоу делает это более эффективно, ловко самоорганизуясь в наночастицы. Исследование попало на обложку журнала Американского химического общества.

Обычные противоопухолевые препараты часто проводят слишком мало различий между плохим и здоровым клетками: они убивают оба типа.

Поэтому группа профессора Боннета в Лейденском институте химии (LIC) занимается разработкой новых молекул, которые становятся активными только под воздействием видимого света.

Это позволяет врачам лечить определенные участки тела, не причиняя вреда остальным. Эта так называемая фотодинамическая терапия уже используется в клиниках для борьбы с раком.

Новое лекарство

«Структура молекулы определяет ее физические, химические и биологические свойства», — объясняет Сюэцюань Чжоу. «Поэтому изменение этой структуры может оказать огромное влияние на ее производительность. Наша новая работа является отличным примером этого». 

Чжоу создал новое и эффективное противораковое соединение, внеся небольшое изменение в существующую молекулу: он заменил один атом азота на углерод. Это привело к возникновению молекулы, содержащей палладий в качестве металлического центра, непосредственно связанного с органическим фрагментом через углерод-палладиевую связь.

Из-за этой связи молекула реагирует на синий свет и может превосходно убивать клетки при облучении этим синим светом.

Светоиндуцированная терапия

Виды палладия Xuequan работают через так называемую активацию кислорода. При облучении светом комплекс палладия входит в возбужденное состояние (то есть получает дополнительную энергию).

Возбужденный комплекс палладия затем передает эту световую энергию молекуле диоксида кислорода (O2), которая присутствует в облученной клетке или ткани.

Это генерирует активные формы кислорода, которые затем убивают клетки.

Самосборные наночастицы

«Помимо своего фотохимического поведения, эта молекула также демонстрирует довольно необычные агрегационные свойства», — говорит Чжоу. «Из-за своего низкого заряда и довольно гидрофобного органического лиганда она имеет тенденцию к самосборке посредством процесса, называемого «металлофильное взаимодействие»: центры палладия стараются быть рядом друг с другом». 

При этом при растворении в организме соединение Чжоу самоорганизуется в наночастицы. Раковые клетки могут очень эффективно поглощать эти наночастицы, активированные синим светом. Поэтому они используются в качестве наночастиц, нацеленных на рак. 

«Обычно эти наночастицы специально прикрепляются к противораковым соединениям, чтобы помочь им нацелиться на опухоль», — объясняет руководитель группы профессор Сильвестр Боннет. «Однако для нового соединения Чжоу этот шаг больше не нужен, потому что сам препарат создает свои собственные наночастицы».

Многообещающие результаты

С помощью первых биологических экспериментов в Лейдене Чжоу уже продемонстрировал in vitro, что наночастицы действительно очень эффективны при уничтожении раковых клеток при облучении синим светом. Затем сотрудничество с профессором Вэнь Сунь из Даляньского технологического университета в Китае показало, что наночастицы могут ингибировать рост рака на моделях опухолей у мышей, пишет phys.org.

«В целом, эти результаты предполагают многообещающее будущее для самоорганизующихся молекул в качестве противораковых лекарств, которые могут лучше воздействовать на опухоли и, следовательно, более эффективно их уничтожать», — подытожил Чжоу.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector