Нанотехнологии против рака
Ирина Терешкова, Роснаука
Российским ученым удалось разработать уникальный метод диагностики рака – наносредство на основе магнетита, которое поможет обнаружить недуг на ранней стадии с помощью МРТ и сразу начать эффективное лечение. Как работает инновационный препарат и когда с его помощью можно будет не только диагностировать, но и лечить рак, «Rosnauka.ru» рассказал руководитель проекта, заведующий лаборатории НИТУ «МИСиС» Александр Мажуга.
Досье. Александр Георгиевич Мажуга
Доктор химических наук. Профессор, заместитель декана Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией «Биомедицинские наноматериалы» в НИТУ «МИСиС».
Область научных интересов: синтез наногибридных функциональных материалов, биоорганическая химия, медицинская химия, нанохимия, развитие новых подходов к синтезу и исследованию биологически активных веществ.
– Александр Георгиевич, в чем принципиальное отличие диагностики рака методом МРТ с помощью нового наносредства от традиционно используемых методов?
Прежде всего, стоит рассказать о том, какие методы диагностики онкопатологии существуют – это УЗИ диагностика, компьютерная томография, МРТ. Половина из этих методов – МРТ, причем примерно в 70% случаях магнитно-резонансная томография применяется без контрастных средств. Однако, если мы говорим о раке головного или поражениях спинного мозга, других патологиях, их нельзя обнаружить без использования контрастного вещества, позволяющего лучше визуализировать очаг поражения и определить размер опухоли. Для этого, в качестве контрастных средств во всем мире используют препараты на основе гадолиния и магнитных частиц.
У препаратов на основе гадолиния – два недостатка: во-первых, высокая токсичность, т.к. гадолиний тяжелый металл, во-вторых, слишком быстрый период выведения из организма. Поэтому МРТ нужно проводить очень быстро – в период от 5 до 10 минут, пока препарат еще не выведен из организма пациента, что не всегда возможно.
Второй тип контрастных агентов – магнитные частицы, это то направление, которое разрабатывает наша лаборатория. В клинической практике существовало 5 контрастных агентов на основе магнитных частиц для диагностики рака печени. Они захватывались клетками печени или макрофагами, циркулирующими в крови человека, и направлялись непосредственно в печень. Контрастный эффект был весьма впечатляющим, но, к сожалению, из-за большого размера – более 100 нанометров, контрастное вещество имело большую токсичность. Из клинической практики пришлось вывести 3 из 5 подобных препаратов. Сейчас используется 2 из них – для желудочно-кишечного тракта и сторожевых лимфатических узлов.
На наш взгляд, проблема была не только в большом размере, но и в том, что сама технология получения магнитных частиц была неправильной – агрегаты получали неконтролируемым образом.
Магнитные частицы можно сделать маленькими, например, нам удается получать материалы с размером частиц от 10 нанометров. Однако, если технология синтеза будет неправильной, из этих магнитных частиц получится агрегат слишком большого размера, что грозит, например, закупоркой сосудов.
Приступив к реализации этого проекта, мы искали ответ на вопрос, как сделать частицы устойчивыми и нечужеродными для нашего организма. Для этого коллектив ученых НИТУ «МИСиС», РНИМУ имени Н.И. Пирогова и МГУ имени М.В. Ломоносова синтезировал частицы, покрытые человеческим сывороточным альбумином, представляющим собой один из белков крови, нечужеродный для нашего организма. С помощью химического синтеза мы добились того, чтобы частицы имели размер от 40 до 60 нанометров и были абсолютно стабильны.
Как ведут себя частицы внутри организма животных, изучали с помощью крысиной модели – мультиформной глиобластомы, это рак головного мозга.
Настоящим открытием стало доказательство того, что частицы накапливаются не только в клетках печени, но и в головном мозге. При этом в отличие от препаратов на основе гадолиния, находятся внутри организма не несколько минут, а около часа, после чего выводятся через печень.
С уверенностью говорить об этом мы сможем после соответствующих исследований. Сейчас начались доклинические испытания инновационного нанопрепарата, цель которых – подтвердить его безопасность и эффективность. Предстоит проверить, не будет ли препарат пагубно воздействовать на иммунную систему, вызывать аллергию и даже влиять на состояние следующего поколения. Планируем в 2018 году начинать клинические испытания.
– Почему так важно, чтобы магнитные частицы имели определенный размер и были стабильными?
(Отвечает Тимур Низамов, инженер первой категории лаборатории «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ МИСиС)
Это очень важно, иначе, они могут вызывать различные побочные эффекты – тромбоз, иммунную реакцию организма и прочие негативные последствия. Обеспечить стабильность помогает правильный выбор полимера. Мы можем его химически модифицировать или загрузить меньшее количество лекарства, что также влияет на свойства стабильности.
Для того, чтобы наночастица обладала определенными магнитными свойствами, и вела себя нужным нам образом, мы синтезируем именно магнетит или другие оксиды железа, демонстрирующие суперпарамагнетизм либо феремагнетизм в зависимости от задач. Одновременно решаем и другую задачу – покрываем магнетит стабилизаторами – полимерами. В магнитном поле частица может нагреваться или вращаться и тем самым выполнять ту задачу, которая ей отведена.
– Инновационный препарат можно использовать для диагностики опухолей головного мозга, какие исследования необходимо провести для того, чтобы применять его и для выявления других видов рака?
(А.М.)В проекте доклинических испытаний планируется также проверить препарат для диагностики рака молочной железы. Если подтвердится, что наша технология работает правильно, с ее помощью можно будет диагностировать разные виды онкопатологии – магнитные частицы будут проникать в любой пораженный очаг.
– А каким образом магнитные частицы «выбирают» себе цель и накапливаются именно в опухолевых клетках?
Все просто. Стенки наших сосудов выстилает эндотелий, имеющий определенные поры. У сосудов, выстилающих здоровую ткань, поры не превышают 10 нанометров. Поры в сосудах, питающих злокачественную опухоль, увеличиваются в 60 раз. И это тоже легко объяснить. Опухолевые клетки активно размножаются, им в большом количестве требуются кислород, питательные вещества и витамины. Поэтому опухоль выращивает вокруг себя разветвленную сеть сосудов и поры увеличиваются в десятки раз, чтобы питательным веществам было легче сквозь них проникнуть. То есть в здоровую ткань магнитные частицы провалиться не могут, а в опухоли спокойно накапливаются.
– Что необходимо сделать для того, чтобы технологию использовать в дальнейшем не только для диагностики, но и для терапии онкологических заболеваний?
Мы сейчас над этим активно работаем. Для того, чтобы с помощью магнитных частиц можно было не только диагностировать, но и лечить рак, нужно загрузить в них лекарство. Мы используем клинически одобренный препарат доксорубицин, предназначенный для химиотерапии. В оболочку, в которую зашиваются магнитные частицы, добавляется доксорубицин, задача которого – убивать злокачественные клетки.
Для того, чтобы эту методику можно было применять в терапии рака, нужно провести немало доклинических испытаний на клетках, подобрать нужную концентрацию, очень важно правильно осуществить синтез, чтобы частицы были стабильными, загружалась оптимальная доза лекарства.
Важная задача – добиться того, чтобы лекарство вытекало с поверхности частиц в определенное время и в строго определенном месте под воздействием внешних факторов. Для этого используется магнитное поле: оно включается, и частицы начинают вытекать.
– Планируете в 2018 году проводить клинические испытания. А какие-то прогнозы можно сделать уже сейчас?
Не секрет, что ученые не любят загадывать. Пока все идет хорошо. Мы подобрали оптимальную дозу лекарства – 5 мг на кг веса. Диагностировать опухоль можно практически с момента ее зарождения. Сейчас в рамках доклинических испытаний уже получен хороший результат: расширено диагностическое окно, с помощью контрастного вещества можно наблюдать злокачественное новообразование в течение 2 часов, а не 5-15 минут. Этого времени уже достаточно для того, чтобы оболочка с магнитными частицами выгрузила достаточное количество лекарства.
– Как родилась подобная идея диагностировать рак с помощью наночастиц магнетита?
Это продукт интеллектуального труда коллаборации НИТУ «МИСиС» совместно с МГУ имени М.В. Ломоносова и РНИМУ имени Н.И. Пирогова. Изначально разрабатывать направление начали в МГУ, где существовал проект, посвященный синтезу различных наноматериалов. Мы стали сотрудничать с РНИМУ имени Н.И. Пирогова, где работают главные специалисты по опухолям головного мозга в нашей стране. Они предоставили модель головного мозга, поэтому было решено разрабатывать диагностику именно этого вида онкопатологии. Важно правильно охарактеризовать магнитные свойства, сейчас у нас в одной команде трудятся химики, биологи, физики и медики.
Препараты новые, традиции старые
Работа строилась по уже проложенному до нас пути. Еще в Советском Союзе пытались диагностировать и лечить рак с помощью магнитных частиц, загруженных лекарством. Созданные препараты исследовали на овцах, а вот до клинических испытаний на людях так и не дошло. Использование магнитных частиц большого размера влекло за собой массу побочных эффектов. Например, клетка, нагретая с помощью магнитного поля до 42-44 градусов Цельсия, умирала и отравляла весь организм продуктами своего разложения.
Появление нанотехнологий вдохнуло новую жизнь в эту методику.
-Новый препарат будет дорогим?
Совершенно нет, ведь в его основе – обычный оксид железа. Единственный дорогой компонент – человеческий сывороточный альбумин, которым покрывается магнетит. Но с уверенностью могу сказать, что если все пойдет успешно, новое лекарство окажется вполне по карману россиянам. Кроме того, препарат практически не будет иметь противопоказаний, за исключением заболеваний, связанных с повышенным содержанием железа, так как магнетит – это оксид железа.
– Какие еще исследования в области диагностики и терапии рака проводятся в вашей лаборатории?
Наша лаборатория «Биомедицинские наноматериалы», образованная в НИТУ МИСиС еще очень молодая, она создана в 2014 году. На уровне научно-исследовательской работы мы сейчас также изучаем влияние низкочастотного магнитного поля на биохимические реакции внутри клеток с магнитными частицами. Это неинвазивный способ воздействия на злокачественные клетки. Ничего подобного в мире еще нет.
НИТУ «МИСиС» разрабатывает и метод фотодинамической терапии, когда опухолевые клетки загружаются специальными веществами, после чего на них светят лазером с определенной длиной волны, вследствие чего происходит образование активных форм кислорода, которые буквально убивают опухоль изнутри. В перспективе он сможет заменить операционное вмешательство, которое чревато тем, что опухоль во время операции выпускает в кровоток большое количество метастазов и пациенту приходится принимать специальные препараты, чтобы их убить еще в крови и не дать «прилипнуть» к стенкам сосудов.
– Рак распространяется по всему миру с быстротой, вызывающей сильную тревогу и при этом сильно молодеет. Существуют ли сегодня прецеденты полного излечения?
Да, такие случаи есть и они не так уже редки. С каждым годом появляются новые эффективные химиотерапевтические средства, если раньше в арсенале онкологов было всего 30-40 подобных препаратов, то сегодня их количество перешагнуло уже за 300. Будущее за комбинацией методов: если раньше ограничивались монотерапией, то сейчас на опухоль воздействуют химиотерапией и облучают или еще чем-то воздействуют.
Главное – выявить опасный недуг на ранней стадии. Чем раньше будет поставлен диагноз, тем выше шансы на излечение. В связи с этим разработка новых методов диагностики имеет большое значение.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
06.04.2016