Нанороботы из ДНК-оригами отыщут опухоль и перекроют ей кислород
Китайские ученые разработали нанороботов на основе технологии ДНК-оригами, которые способны доставлять лекарство к опухолевым клеткам млекопитающих и вызывать там образование тромбов. Эксперименты показали, что из-за недостатка кислорода и питательных веществ опухоли существенно снижают темпы развития, а в некоторых случаях и вовсе исчезают. Работа опубликована в Nature Biotechnology.
Нанороботы — невидимые глазом инструменты, способные приходить к четко заданной цели, например — к отдельным клеткам, и выполнять некую заложенную в их структуру задачу. Они включаются с помощью специальных молекулярных «триггеров», поэтому их работу можно эффективно контролировать и запускать в нужный момент.
Инструменты на основе ДНК обладают массой полезных свойств, поскольку тонкий дизайн их структуры позволяет добиться почти любой заданной архитектуры и точности механизма их действия. Так называемые «ДНК-оригами» могут, например, двигаться заданным способом — в том числе, раскрываться и закрываться в зависимости от воздействия на них определенных молекул или даже света (о примере такой структуры - управляемыми светом нано-ножницами - мы подробно рассказывали здесь). С помощью ДНК даже делают нечто вроде протипа компьютерных микрочипов. Наночастицы на основе ДНК для доставки веществ к клеткам уже успешно применялись в культурах клеток, а также в организмах насекомых и червей. В этих случаях ДНК-структура сконструирована в виде контейнера, и она может контролируемо выпускать свое содержимое. Однако до сих пор подобных инструментов для доставки лекарств in vivo в клетки млекопитающих разработано не было.
В новой работе ученые создали нанороботов для доставки лекарств к раковым опухолям. ДНК-аптамер (синтетический полинуклеотид) такого наноробота умеет связываться с нуклеолином, — белком, который вырабатывается снаружи эндотелиальных опухолевых клеткок — и менять свою структуру после этого. Внутри аптамера располагается тромбин, белок свертывания крови. Размеры исходного ДНК-листа, из которого складывается «оригами» аптамера, составляют 90 нанометров × 60 нанометров × 2 нанометра, а получившийся наноробот — трубка диаметром 19 нанометров и длиной 90 нанометров, внутри которой и располагается химически связанный с ней тромбин.
Когда происходит связывание ДНК с нуклеолином, это служит триггером механического распаковывания аптамера («оригами раскрывается»), в результате чего тромбин начинает свертывание крови вблизи опухолевой клетки. Вследствие образовавшегося тромба опухолевые клетки теряют доступ к кислороду и питательным веществам, что приводит к некрозу опухолевой ткани и снижению темпов ее роста.
Сначала ученые убедились, что ДНК успешно связывается с нуклеолином, а тромбин успешно вызывает свертывание крови in vitro. Затем работа нанороботов была успешно протестирована на лабораторных мышах и карликовых свиньях. В одном из экспериментов разные группы мышей подвергались лечению препаратами с нанороботами, а для контроля — препаратами со свободным тромбином, солевым раствором, пустыми нанороботами (без тромбина), а также наночастицами с иной структурой ДНК, не связывающейся с нуклеолином, или со структурой, которая умеет с ним связываться, но не умеет раскрываться после связывания. Предварительно этим мышам были введены клетки человеческого рака груди (MDA-MB-231).
Оказалось, что рост опухолей у мышей с введенным настоящим препаратам был значительно замедлен по сравнению со всеми контрольными группами. Среднее время выживаемости у контрольных групп составило 29 дней, а у группы, подвергнутой лечению — 39 дней.
Другой эксперимент провели с мышами с меланомой. В этом случае у 3 из 8 мышей, которым давали препарат с нанороботами, наступила полная регрессия опухолей. У остальных выживаемость увеличилась с 20,5 дней до 45 дней. Скорее всего, это связано с повышенной васкуляризацией (насыщенности сосудами) меланомовых опухолей. Препарат также значительно снижал среднее число метастазов в печени.
Эксперименты с другими типами опухолей, в частности, с опухолями яичников, которые являются менее васкуляризованными, не давали настолько сильного преимущества в снижении развития заболевания, однако также значимо увеличили выживаемость животных и тормозили рост их опухолей.
Отдельно ученые убедились в том, что доставка тромбина в составе нанороботов не влияет на количество микротромбов в кровяных сосудах мозга (что могло бы быть серьезным препятствием для использования подобного препарата). В то время как свободный тромбин повышал этот уровень, использование нанороботов не приводило к этому эффекту, поскольку тромбин выпускался только в нужном месте, при контакте с опухолевыми клетками.
Эксперимент с карликовыми свиньями был особенно интересен, поскольку организм свиньи по своей физиологии и анатомии во многом напоминает человеческий организм. Выяснилось, что введение препарата не вызывало формирования тромбов в основных тканях свиней, и, поэтому, оказалось безопасным.
Ученые надеются, что данная разработка может стать основой для целого поколения новых инструментов для доставки лекарств млекопитающим in vivo.
А еще вы можете прочитать о том, как люди буквально силой мысли (а именно, решением математических задач) включали внешнее магнитное поле и заставляли лекарство выпускаться из нано-контейнеров в крови тараканов.
Анна Казнадзей
И еще четырех видов опухолей
Британские и датские иммунологи обнаружили на цитотоксических T-лимфоцитах рецептор, узнающий одновременно три разных опухолевых антигена. Пациент, у которого были обнаружены эти Т-клетки, смог достичь полной ремиссии меланомы четвертой клинической стадии. Такое строение T-клеточных рецепторов не дает клеткам опухоли ускользнуть от противоопухолевого иммунитета. Похожие типы Т-клеточных рецепторов есть и у здоровых людей, но их роль в противоопухолевом иммунитете пока неясна. Исследование опубликовано в виде статьи в журнале Cell. Клеточная терапия онкологических заболеваний направлена на введение в организм Т-лимфоцитов, узнающих фрагменты белков опухоли, выставляемые клетками на поверхности белков главного комплекса гистосовместимости (HLA-антигенов). Она позволяет добиться ремиссии во многих случаях, при которых другие виды лечения неэффективны. Но врачи часто сталкиваются с ускользанием опухолевого клона от такого иммунитета. Иногда достаточно нескольких месяцев, чтобы опухолевые клетки перестали экспрессировать маркер, который должны были узнавать лимфоциты. Хотя большинство Т-лимфоцитов узнают один эпитоп, некоторая часть из многообразия Т-клеточных рецепторов, образующихся в процессе созревания Т-клеток, узнает не один, а сразу несколько антигенов. Такие клетки есть и у здоровых людей, и у пациентов с аутоиммунными болезнями. Рецепторы, нацеливающие иммунную систему сразу на несколько молекул-мишеней, могли бы повысить эффективность клеточной терапии. Ведь даже если с поверхности опухоли исчезнет один антиген, то иммунный ответ против второго сохранится, и лечение останется эффективным. Шаг в сторону использования этого принципа в терапии сделала группа онкологов и иммунологов из Великобритании и Дании под руководством Эндрю К. Сьюэлла (Andrew K.Sewell) из Университета Кардиффа. На протяжении последних 15 лет они занимаются клеточной терапией меланомы. В рамках клинических исследований врачи забирали у пациентов клетки крови, отбирали среди них Т-лимфоциты, тропные к меланоме, и после культивации in vitro вводили клетки обратно пациентам. В одном из исследований, проведенном в 2011-2014 годах, участвовал пациент с четвертой клинической стадией меланомы, у которого клеточная терапия позволила добиться десятилетней ремиссии болезни (обычно же медианная продолжительность жизни с момента постановки диагноза у таких пациентов не превышает года). Ученые решили детально исследовать, с какими особенностями Т-клеточного ответа это было связано. Как выяснили иммунологи, почти вся противоопухолевая активность лимфоцитов пациента была связана одним лимфоцитарным клоном (его обозначили MEL8), который реагировал in vitro не только на меланому, но и на клетки острого миелолейкоза, опухоли молочной, предстательной и поджелудочной железы от других пациентов с таким же типом HLA-антигена (гаплотип HLA A*02:01, наиболее распространенный в мире). Это было неожиданно, ведь рецепторы этих Т-клеток чувствительны к белку мелану A, специфичному для меланоцитов и происходящих от них опухолей (включая меланому). Авторы создали библиотеку из 936 миллиардов декапептидных последовательностей и оценили in silico сродство рецепторов MEL8 к олигопептидам, связанным с HLA A*02:01. Такой скрининг позволил отобрать 500 пептидов, представленных в протеоме человека. Три из них — участки белков мелана А, BST2 и IMP2 — имели сродство к Т-клеточному рецептору MEL8 in vitro и при этом экспрессировались меланомой. У всех трех декапептидных последовательностей нашлась гомология и на уровне аминокислотной последовательности, и на уровне третичной структуры, что было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Т-клетки, у которых есть рецепторы, тропные одновременно к мелану А, IMP2 и BST2, были обнаружены у здоровых добровольцев и у одного пациента с хроническим лимфолейкозом, но их количество было невелико. Обнаруженный вид поливалентного рецептора можно использовать и для лечения других пациентов: исследователи секвенировали последовательность Т-клеточного рецептора и трансдуцировали этой последовательностью другие линии лимфоцитов в рамках своих экспериментов. Следовательно, есть предпосылки для создания эффективной клеточной терапии опухолей или противоопухолевой вакцины. Впрочем, пока невозможно говорить, насколько безопасной было бы такое лечение, ведь исследование британских и датских ученых основано лишь на единичных наблюдениях пациентов с опухолями. Кроме того, распознавание эпитопов Т-клеточным рецептором зависит от варианта HLA.антигена, имеющегося у данного конкретного человека, и распространенность полимодальных Т-клеточных рецепторов у носителей разных вариантов HLA может отличаться. Даже сильного иммунного ответа против клеток меланомы может оказаться недостаточно для победы над болезнью — на эффективность лечения могут влиять такие факторы, как уровень тестостерона.