Наночастицы против рака: обнаружить и уничтожить

Разные виды наночастиц могут быть как средством онкодиагностики, так и помощниками в истреблении раковых клеток.

При онкологических заболеваниях важно вовремя обнаружить растущую опухоль, и не просто обнаружить, а точно определить ее границы. Для этого нужно какое-то вещество, которое можно было бы легко увидеть «снаружи» и которое, попав в организм, связывалось бы раковыми клетками.

люминесцирующий раствор наночастиц из оксида гафния с редкоземельными элементами. (Фото: ИТМО.)

В последнее время в качестве такого диагностического средства все чаще пытаются использовать наночастицы. Перед органическими соединениями у них есть преимущество: органические вещества недолговечны и быстро расщепляются, наночастицы же остаются в организме долго и их можно использовать в самых разных органах и тканях. Однако с ними есть проблема – наночастицы не всегда безопасны. 

Например, известные полупроводниковые наночастицы, называемые квантовыми точками, обладают уникальными люминесцентными свойствами (то есть субстрат, с которым они связались, можно обнаружить по свечению), но они притом довольно токсичны, так что использовать их можно только при анализе клеток в пробирке.

Исследователи из Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали наночастицы, которые отличаются от квантовых точек в выгодную сторону. Они состоят из оксида гафния со встроенными в него ионами редкоземельных металлов, в частности, европия и тербия: редкоземельные элементы отвечают за люминесценцию, а оксид гафния играет роль прозрачной матрицы, поддерживающей это свечение. Преимущество же их в том, что оксид гафния никак не вредит клеткам.

Наночастица из оксида гафния под трансмиссионным электронным микроскопом. Упорядоченные точки - это атомы в нанокристаллах. (Фото: ИТМО.)

Раковая клетка (синим), окруженная наночастицами. (Фото: UC San Diego Jacobs School of Engineering / Flickr.com.)

С другой стороны, редкоземельные элементы схожи по размеру атомов с гафнием, так что в кристаллической решетке наночастиц гафний местами заменили на них. Такие замены позволяют менять спектр свечения: например, частицы с тербием дают зеленый свет, а с европием – красный. Частицы с разной светимостью могут быть полезны для решения узких задач.

Кроме того, наночастицы, благодаря заменам одних атомов на другие, получают дополнительный поверхностный заряд, так что они не слипаются, а равномерно распределяются в биологических жидкостях. (Это значит, например, что они не будут закупоривать сосуды.)

Редкоземельные элементы сами по себе все-таки токсичны, однако, будучи встроены в решетку оксида гафния, клеткам они не вредят. В статье в Colloids and Surfaces B: Biointerfaces авторы пишут, что такие наночастицы можно использовать как для визуализации опухолей, так и для детекции сосудистых повреждений при инфарктах и инсультах. В перспективе же они, возможно, пригодятся не только для диагностики, но и для лечения: под действием рентгеновских лучей гафний и редкоземельные элементы ионизируют вокруг себя молекулы воды, а те превращаются в агрессивные свободные радикалы, способные убить раковые клетки.

Другой способ «наноборьбы» со злокачественными опухолями предлагают в своей статье в Nature Communications исследователи из Массачусетского технологического института. Известно, что одна из задач иммунитета – истреблять раковые клетки. Для этого у иммунной системы есть разные средства, и одно из них – особый белок TRAIL, который сидит на мембране иммунных клеток: когда иммунная клетка касается белком TRAIL раковой клетки, то в раковой запускается апоптоз – программа клеточного самоубийства.

Эксперименты с лекарственными препаратами на основе TRAIL неожиданно показали, что его эффективность зависит от того, какие механические силы действуют на раковые клетки: если они находятся под действием гидродинамических сил, которые их тянут и растягивают, то чувствительность к иммунному белку у них повышается.

Значит, для большего терапевтического эффекта нужно усилить механическое воздействие на клетки. Для этого и понадобились наночастицы. Их сделали из биоразлагаемого полимера PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) и покрыли другим полимером, полиэтиленгликолем, к которому присоединили антитела, связывающиеся со специфическими белками раковых клеток. Частицы, введенные кровь, прилипали к метастазным опухолевым клеткам, и из-за того, что клетки находились в потоке крови, наночастицы многократно усиливали гидродинамические силы, действующие на клеточную мембрану.

У мышей, которым вводили наночастицы, а потом добавляли еще лекарство с белком TRAIL, количество метастазных клеток резко уменьшалось, и также уменьшалось количество новых опухолей. В экспериментах использовали частицы размером от 100 нанометров до 1 микрометра, и оказалось, что чем частицы больше, тем они эффективнее. Также важно было, чтобы их достаточно много садилось на клеточную мембрану. Предположительно, тут все дело в том, что наночастицы под действием гидродинамических сил делают нужные рецепторы на мембране раковых более доступными для иммунитета.

По словам авторов работы, обычные клетки никак не страдали от наночастиц, которые, видимо, достаточно точно могли отличать здоровые клетки от больных. В перспективе их хотят испытать с другими иммуннотерапевтическими средствами, чтобы найти наиболее эффективный метод лечения.

Подробнее