Сам находит и лечит

Лекарство будущего должно быть «умным» (то есть самостоятельно находя себе поле деятельности, диагностируя заболевание), направленным (действовать без побочных эффектов) и индивидуальным (подобранным для каждого пациента с его проблемой и стадией развития заболевания). Особенно это касается онкологических заболеваний, при которых борьба со злокачественными клетками зачастую сопровождается угнетением всего организма и его разрушением. Конечно, в своем роде это еще фантазии.

Однако прообраз «умных» препаратов можно видеть уже сейчас – в последних разработках ведущих ученых.

Сотрудники лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН смогли создать многофункциональный препарат на основе сшитых белками наночастиц, который способен самостоятельно идентифицировать опухоль в организме, окрашивать ее, делая видимой для врача, а затем может уничтожать пораженные клетки под действием внешнего магнитного поля. Их работу публикует Proceedings of the National Academy of Sciences.

Авторский коллектив работы под руководством заведующего лабораторией члена-корреспондента РАН Сергея Михайловича Деева в целом очень молодой. Один из соавторов – молодой кандидат наук, другая – аспирантка, а вот первый автор работы Максим Никитин сейчас заканчивает шестой курс – магистратуру МФТИ в Долгопрудном.

Отдел науки «Газеты.Ru» поздравил Максима с таким серьезным достижением на заре научной карьеры и попросил подробнее рассказать о проведенной работе.

– В чем новизна ваших разработок?
– Нанотехнологические медицинские препараты сейчас – «передний край» науки. В разных странах разрабатываются различные подходы к этому вопросу, есть разработки по магнитным, золотым наночастицам, квантовым точкам и т. д. Большинство исследований посвящено либо созданию самих лекарственных препаратов, либо технологиям их направленной доставки (англ. – targeted drug delivery), которые обеспечат доставку препарата непосредственно в ту часть организма, которая в ней нуждается.

В принципе, создано довольно много препаратов на основе наночастиц, все они имеют свои достоинства и недостатки. В частности, наночастицы, конъюгированные (соединенные) с антителами, способны находить в организме раковые клетки и селективно присоединяться к ним. Если частицы флуоресцентны, то они могут быть использованы для диагностики злокачественных опухолей – они их специфически окрашивают. Если частицы магнитные, то они могут быть использованы для уничтожения опухолей или метастаз – под воздействием внешнего поля они, нагреваясь, убивают раковые клетки.

Важность и новизна нашей работы в том, что мы разработали подход для создания многофункциональных агентов, совмещающих в себе одновременно и магнитные, и флуоресцентные частицы, и антитела, «нацеливающие» препарат на раковую опухоль. Причем этот подход универсален, за счет него данной структуре можно будет придать и другие функции, например, присоединить токсин, вирус или бактерию, которые убьют клетку-мишень.

Таким образом, комбинация ценных свойств наночастиц позволяет получить препарат, работающий последовательно для диагностики, а затем для лечения опухоли.

На первом этапе такие многофункциональные структуры могли бы за счет антител распознать раковые клетки, а за счет флуоресцентных квантовых точек или полимерных частиц прокрасить опухоль, чтобы хирург видел, какой участок необходимо удалять. На втором этапе могут быть уничтожены метастазы – самое опасное проявление онкологического заболевания. Для этого используются магнитные наночастицы, входящие в состав тех же структур. Они разрушают оставшиеся раковые клетки под воздействием внешнего магнитного поля.

По сути, многофункциональность препарата достигается за счет совмещения в одной структуре разных частиц. Как в детском конструкторе, мы можем совмещать совершенно разные частицы в одном лекарстве.

Как объединяются эти частицы? Для этого мы используем два специальных сильно взаимодействующих друг с другом бактериальных белка – барназу и барстар. Один тип частиц конъюгирован с одним белком, другой тип – с другим. После смешения таких биоконъюгатов они прочно связываются, за счет чего в одной структуре можно объединить совершенно разные по размерам и химической природе агенты.

Наша работа, как и большая часть перспективных сегодня исследований, ведется на стыке наук – фактически, это и физика, и биология.

– Как проходило испытание препарата?
– На первом этапе исследования нами разрабатывался механизм самосборки частиц, и обеспечение успешной сборки было нашей промежуточной целью. На этом этапе речь еще не шла о терапии, но лишь об успешной разработке механизма, матрицы для комбинации разных частиц в одном препарате.

На второй стадии начались in vitro испытания наших частиц на клеточных культурах. Оказалось, что наш механизм работает весьма успешно.

К раковым клеткам были добавлены трифункциональные структуры: магнитные, флуоресцентные и противоопухолевые (направленные на раковые клетки за счет антител). На первом этапе частицы успешно присоединились к рецепторам, специфически отличив клетки-мишени от других клеток.

Затем мы приложили к суспензии таких «меченых» клеток хитрое магнитное поле так, чтобы сцепленные с наночастицами клетки образовали буквы MF (англ. – multifunctional, многофункциональный). Как видно на иллюстрации, клетки успешно расположились по этому контуру. Этот изящный пример показывает, как мы можем управлять движением сцепленных с наночастицами клеток. Таким образом, например, можно магнитным полем удалить из крови больного лейкозом раковые клетки. После того как мы исследовали образец с помощью флуоресцентного микроскопа – «выложенные» клетками буквы светились. Это значит, что и флуоресцентная компонента трифункциональных структур работает, успешно «прокрашивая» раковые клетки.

Это весьма удобная методика для разработки индивидуальных препаратов – мы видим ее как некое «лекарство будущего».

– Как будет практически реализовываться работа такого препарата?
– В перспективе для каждого пациента можно будет подобрать отдельное лечение и свое собственное лекарство с нужным соотношением структурных единиц в нем. В зависимости от конкретной ситуации врач может решить, чему больше следует уделить внимание, например, диагностике или терапии, в случае данного конкретного пациента. Сообразно этому, за считанные минуты врач сможет скомбинировать необходимые модули в многофункциональные структуры, пользуясь препаратами из 20 баночек, стоящих на столе.

Практическое применение таких препаратов для лечения – пока еще отдаленные планы.

Однако исследования полученных многофункциональных препаратов in vivo уже ведутся – мы проверяем, годятся ли они для диагностики и лечения опухолей у мышей и крыс, а также смотрим, что происходит с наночастицами в живых организмах.

– Как велась подготовка к публикации полученных данных?
– Нашей публикации предшествовала большая работа. Достаточно лишь сказать, что при обсуждении возникло 27 вариантов манускрипта, всего было подготовлено более 180 вариантов рисунков. В статью же вошло только пять (еще пять в расширенное приложение работы). Работа была поддержана программами РАН «Молекулярная и клеточная биология», «Нанотехнологии и наноматериалы», а также Российским фондом фундаментальных исследований.