Наука и технологии России

Вход Регистрация
08.08.08 | Наука и техника: Живые системы Марина Муравьёва, STRF.ru

Конструктор из молекул в борьбе с раком

В лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН создали искусственные белковые соединения, которые можно использовать и для диагностики, и для терапии рака. Достаточно, как в конструкторе, поменять составные элементы комплекса. Генно-инженерная часть исследований успешно завершена: результаты опубликованы в журнале «Nature Biotechnology», защищены российскими и американским патентами. Теперь предстоят испытания на животных.

Развитие молекулярной медицины диктует необходимость создания препаратов для нацеленного воздействия на клетки-мишени. Именно в этом направлении уже восемь лет ведутся работы в лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Деева. За основу взят принцип «магической пули», впервые сформулированный немецким врачом и бактериологом Паулем Эрлихом, получившим в 1908 году Нобелевскую премию. Учёный предлагал снабжать лекарства направляющей молекулой, что позволяло бы избирательно воздействовать на очаг болезни, не повреждая здоровые ткани. Гениальная в своей простоте идея за минувшее столетие так и не получила успешной реализации. Отлитые «пули» подводила либо меткость доставки, либо размер. В лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН решили немного изменить подход и преуспели в этом.

заведующий лабораторией молекулярной иммунологии ИБХ РАН Сергей Деев Заведующий лабораторией молекулярной иммунологии ИБХ РАН Сергей Деев: «Молекулы можно собирать, как в детском конструкторе LEGO, и в зависимости от сочетания составных элементов использовать полученные соединения для диагностики или терапии злокачественных образований»

«Мы придумали, как по-новому присоединить к «магической пуле» действующий агент, — рассказывает Сергей Деев. — В результате получили бифункциональное соединение, в котором есть нацеливающая часть и терапевтический (или диагностический) агент. Они объединены между собой универсальным модулем и способны адресно поражать раковые клетки».

Основу конструируемого модуля составили фермент — бактериальная рибонуклеаза (барназа) и её природный ингибитор — белок барстар (модуль барназа:барстар). Благодаря их уникально высокому сродству друг к другу можно создавать сложные и прочные белковые комплексы. Для этого к барназе прикрепляется один элемент запрограммированного соединения, а к барстару — другой. В качестве «прицепа» могут выступать компоненты разной природы: флуоресцентные белки, квантовые точки, биологические токсины, наночастицы золота и т.д. Эти составные части можно независимо друг от друга наработать в биотехнологических продуцентах, если необходимо, химически модифицировать, после чего объединить в стабильный надмолекулярный комплекс, обладающий набором заранее заданных свойств. Последнее особенно важно. Разрабатываемые соединения должны не только с точностью распознавать патогенные ткани, но и обладать определёнными характеристиками: оптимальным временем циркуляции в организме, низким накоплением в здоровых органах, стабильностью в крови. Все эти свойства можно запрограммировать, конструируя соединения с нужной молекулярной массой, зарядом, гидрофильностью и т.д.

Как отмечает Сергей Деев, молекулы можно собирать, как в детском конструкторе LEGO, и в зависимости от сочетания составных элементов использовать полученные соединения для диагностики или терапии злокачественных образований — путём доставки либо визуализирующих, либо действующих агентов к раковым клеткам. В этом заключается принципиальное отличие разработанного подхода от всех других.

Агенты, атакующие рак

В лечении рака использование соединений, создаваемых в лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН, имеет несколько преимуществ. Учёные способны изменять не только адрес доставки лекарства, но и действующий агент: в одном случае присоединить к антителу радионуклид, во втором — биологический токсин, в третьем — химическое соединение.

В мире сегодня используются 18 препаратов терапевтических антител, более 100 проходят клинические испытания. По прогнозам экспертов, к 2010 году генно-инженерные антитела составят 30% от всего биотехнологического рынка мира. Сергей Деев считает, что Россия может совершить в этом направлении прорыв Универсальный модуль: барназа: барстар Универсальный модуль: барназа: барстар.
Основу конструируемого модуля составили фермент — бактериальная рибонуклеаза (барназа) и её природный ингибитор — белок барстар. Благодаря их уникально высокому сродству друг к другу можно создавать сложные и прочные белковые комплексы. Для этого к барназе прикрепляется один элемент запрограммированного соединения, а к барстару — другой. В качестве «прицепа» могут выступать компоненты разной природы: флуоресцентные белки, квантовые точки, биологические токсины, наночастицы золота и т.д

«Даже после самого эффективного воздействия остаётся 7-10% жизнеспособных раковых клеток, — говорит Сергей Деев. — Поэтому наиболее действенными считаются способы комбинированной терапии, когда одновременно используются агенты различной природы, например, радиоизотопы и химические препараты или цитотоксические белки. С помощью нашего подхода такую задачу можно решить: обеспечить одновременную доставку различных терапевтических агентов к опухоли».

Создаваемые соединения можно применять для лечения не одного вида, а групп раковых заболеваний, сходных по молекулярному портрету (имеющих на клеточной поверхности один и тот же маркёр). Учёные работают с пятью опухолевыми антигенами (белковыми молекулами). В качестве оптимальной мишени они рассматривают HER2/neu, который встречается у самых распространнёных злокачественных новообразований: рака молочной железы, яичника, предстательной железы, желудка, лёгких.

Для распознавания HER2/neu-антигена в лаборатории создали рекомбинантные антитела, которые имеют хорошие перспективы для последующего применения в медицинской практике. Полученные соединения были всесторонне охарактеризованы. В частности, проведено исследование их стабильности в образцах крови человека. Дело в том, что под влиянием разных факторов многофункциональные белки могут либо разрушаться в организме, либо терять свою функциональную активность. В ходе эксперимента было установлено, что сконструированные антитела достаточно стабильны в модельных условиях введения препарата в организм (24 часа, 37°С, сыворотка крови).

Исследования адресной доставки антител к опухолям, а также их накопление в здоровых органах и тканях изучалось на модельных животных — иммунодефицитных мышах с привитыми опухолями рака груди и яичника человека (через 24 и 48 часов после введения). У тех мышей, которым вводили противораковое соединение, развитие болезни замедлялось.

«Экспериментально мы доказали, что с помощью нашего метода эффективность адресной доставки агента в опухоль повышается в 10 раз, — говорит Сергей Деев. — Важный критерий – соотношение количества агента в опухоли к его содержанию в крови. Нам удалось достичь показателя «опухоль: кровь» 27:1 (при стандартных методах — 2,5:1). Это один из лучших результатов в мировой практике в случае с опухолью молочной железы (маркёр HER2/neu)».

В России есть колоссальный задел по производству радиоизотопов. Ни одна другая страна, за исключением, возможно, США, не обладает таким высоким научным и технологическим потенциалом в этой области Сергей Деев Создание белковых соединений с заранее заданными свойствами происходит на системе AKTA

Нанозолото для диагностики и терапии

Во время испытаний созданных соединений учёные из лаборатории молекулярной иммунологии стали сотрудничать с нижегородскими коллегами из Института прикладной физики РАН. Там создаётся оборудование, необходимое для наблюдений за действующими агентами в раковых клетках. Например, с помощью разработанного в институте томографа физики зафиксировали свечение квантовых точек, доставленных в опухоль молочной железы в подопытной мыши. Как отмечает Сергей Деев, эти исследования открывают путь к разработке методов неинвазивной, щадящей диагностики, которая в перспективе может заменить, например, небезобидную маммографию.

Помимо использования квантовых точек, активно развивается ещё одно направление — диагностика с помощью нанозолота, которое присоединяется к молекулярному модулю и доставляется к раковой клетке. Наночастицы золота накапливаются на поверхности опухоли и если их облучить лазером, то при определённой температуре в злокачественном образовании включатся механизмы самоуничтожения.

«Наша задача в этих исследования состоит в том, чтобы создавать гибридные наночастицы из белков и золота, которые будут адресно доставляться к опухоли, — говорит Сергей Деев. — А физики с помощью разработанных ими приборов должны, с одной стороны, обеспечить физическое воздействие (лазером), а с другой — с высокой точностью измерять температуру в опухоли. Это принципиально важно, так как установлено, что раковые клетки более чувствительны к нагреванию, чем здоровые, и начинают гибнуть при температуре 43-45° и меньшей продолжительности нагрева. Я считаю, что разработки методов адресной доставки нанозолота в опухоль для локальной гипертермии — очень перспективные исследования».

Учёные уверены в своих молекулах

В этом году учёные из лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН завершают ещё один проект, который выполняется в рамках федеральной целевой программы и направлен на создание противораковых соединений, способных целенаправленно доставлять радиоизотоп в опухоли.

Визуализация ракового маркера HER2/neu с помощью флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов («квантовых точек»)

Работы ведутся в содружестве с РНЦ «Курчатовский институт». В этом комплексном проекте молекулярные биологи лаборатории Деева отвечают за противораковые белки, физики — за изотоп, химики — за хелатор (химическое соединение, необходимое для присоединения изотопа к белку). «В России имеется колоссальный задел по производству радиоизотопов, — подчёркивает Сергей Деев. — Ни одна другая страна, за исключением, возможно, США, не обладает таким высоким научным и технологическим потенциалом в этой области. Есть все основания надеяться на более активное использование этих ресурсов для биомедицинских целей».

Молекулярная, генно-инженерная часть исследований успешно завершена. Теперь нужно переходить к испытаниям на животных, чтобы доказать, что эти соединения нетоксичны, не вызывают побочных реакций. Как отмечает Сергей Деев, предстоит серьёзная и гораздо более дорогостоящая часть исследований, которые лаборатория молекулярной иммунологии ИБХ РАН может провести только с медучреждениями.

«Подбор доз, времени и способов введения препаратов должны определять медики, — говорит Сергей Деев. — Мы не способны самостоятельно осуществить эти работы. Но и врачи без нашей помощи не обойдутся. Должен быть стык между учёными и практикующими врачами. Пока механизм такого взаимодействия не отработан».

В лаборатории рассчитывают на заинтересованное сотрудничество с медиками из ведущих отечественных онкологических центров, в первую очередь, МНИОИ им. Герцена и РОНЦ им. Блохина. Налажено взаимодействие с западными коллегами, в частности с Цюрихским университетом и Радиофармацевтическим центром в Швейцарии, где некоторые соединения успешно прошли испытания.

«Мы уверены в своих молекулах, — говорит Сергей Деев. — По оптимистичным прогнозам, за 5 лет общими усилиями удастся довести соединения до клинической стадии испытаний».

РЕЙТИНГ

4.40
голосов: 10

Обсуждение