Ученые синтезировали наночастицы на основе оксида церия и биоактивной молекулы, которые при действии рентгеновских лучей избирательно защищают здоровые клетки от гибели. Так, наночастицы поддерживают работу антиоксидантных систем нормальных клеток, при этом у раковых, напротив, стимулируют выработку активных форм кислорода, которые приводят к повреждению клеточных структур. Такой эффект, по всей видимости, связан с тем, что раковые клетки имеют кислотность, отличную от нормальных. Благодаря этому разработка может быть использована для снижения негативного воздействия лучевой терапии при лечении онкологических заболеваний.
Источник: Пресс-служба РНФ
Как работают наночастицы из оксида церия
Один из наиболее распространенных методов лечения рака — лучевая терапия, при которой опухоль уничтожают с помощью рентгеновского, гамма- или другого ионизирующего излучения. Оно запускает окислительные процессы, которые повреждают ДНК, белки, мембраны и прочие структуры, в результате чего клетки гибнут. При этом лучевая терапия действует неизбирательно: наравне с опухолевыми погибают и здоровые клетки, что плохо сказывается на состоянии организма. Поэтому ученые ищут способы сделать так, чтобы лучевая терапия запускала окисление только в раковых клетках.
Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) и Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского синтезировали наночастицы на основе оксида церия — биосовместимого соединения, способного вступать в большое количество окислительно-восстановительных реакций. Оксид церия может защищать здоровые клетки от повреждений во время лучевой терапии, при этом усиливая повреждения ДНК в раковых клетках. Авторы решили повысить избирательность оксида церия, присоединив к нему пирролохинолинхинон — биоактивную молекулу, которая обладает высоким антиоксидантным эффектом и участвует в регуляции работы митохондрий.
Схематическое изображение наночастиц церия, модифицированных пирролохинолинхиноном. Источник: Нелли Попова
Авторы осадили наночастицы из раствора хлорида церия и химически «навесили» на их поверхность молекулы пирролохинолинхинона. Ученые в разных концентрациях нанесли полученные комплексы на здоровые клетки соединительной ткани мыши — фибробласты, — а также на раковые клетки. Это позволило определить количества, в которых наночастицы не вызывают массовой гибели ни одного из типов клеток. В дальнейшем в экспериментах с рентгеновским излучением исследователи использовали именно эти концентрации наночастиц.
Оказалось, что рентгеновские лучи снижают жизнеспособность фибробластов на 75%, а раковых клеток — на 32%. Однако после обработки наночастицами и облучения выживаемость здоровых фибробластов увеличилась на 45% по сравнению с контрольными клетками, которые не испытывали никаких воздействий, но тоже в небольшом количестве гибли из-за естественных причин. В случае опухолевых клеток выживаемость оказалась на 31–37% ниже, чем в контрольной группе — это сопоставимо с результатами, полученными при одном лишь облучении без использования наночастиц. Таким образом, наночастицы практически не снижают выживаемость нормальных клеток, но значительно понижают ее у раковых.
По словам авторов работы, избирательное токсичное действие в отношении раковых клеток объясняется тем, что в них кислотность среды отличается от таковой у здоровых. Из-за этого изменяются свойства наночастиц, и под действием рентгеновских лучей они не оказывают такого же антиоксидантного эффекта.
— Наблюдаемый эффект связан с тем, что наночастицы оксида церия, модифицированные пирролохинолинхиноном, снижают уровень активных форм кислорода в фибробластах и тем самым спасают их от окисления. Благодаря этому их можно использовать, чтобы уберечь здоровые клетки от гибели при лучевой терапии рака. В дальнейшем мы планируем провести эксперименты на других типах здоровых и раковых клеток, чтобы лучше понять, как в каждом случае работают наночастицы, — рассказала руководитель проекта, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией изотопных исследований ИТЭБ РАН Нелли Попова.
Микрофотография наночастиц. Источник: Нелли Попова
Использование наночастиц в качестве усилителей действия ионизирующего излучения в терапии онкологических заболеваний, особенно при лечении неоперабельных опухолей, их метастазов, — крайне перспективное направление, активно развивающееся в последнее десятилетие, рассказал заместитель руководителя рабочей группы НТИ HealthNet по направлению «Биомедицина», научный консультант АО «Р-Фарм» Андрей Ломоносов.
— Проект за счет снижения общей радиационной нагрузки на пациента может открыть возможность для эффективной терапии онкологических заболеваний тем пациентам, для которых высокая лучевая нагрузка противопоказана, — сказал он.
Поиск стимул-чувствительных агентов для лечения онкологии — одно из наиболее востребованных научных направлений. Число заболеваний огромное, и стоимость лечения обходится недешево, подчеркнул заведующий лабораторией молекулярного моделирования Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н. Э. Баумана Евгений Александров. Ситуация осложняется тем, что разновидностей онкологии много, и для каждой из них необходимо подбирать оптимальное лечение.
Прогресс в исследованиях происходит ежегодно. Способы лечения, практикуемые несколько лет назад, в этом году уже могут не быть наиболее эффективными и доступными по стоимости.
— Однако перед использованием на практике требуется провести весь необходимый комплекс исследований, в том числе на живых организмах. Значительно ускорить этот процесс может понимание механизмов воздействия лекарства на молекулярном уровне. Ключ нужно подбирать к замку, а не наоборот, — сказал он.
Разработка потенциально перспективна, но, чтобы сделать окончательные выводы, необходимо провести дополнительные исследования, подтвердил эксперт рынка НТИ «Хелснет», заведующий кафедрой онкологии СамГМУ, профессор Олег Каганов.
— В случае положительных результатов доклинических и клинических исследований разработка может иметь высокий потенциал внедрения, — считает он.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Antioxidants.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ.