Половинки церия: наночастицы уберегут клетки от гибели при лучевой терапии

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.

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.

Фото: Нелли Попова Схематическое изображение наночастиц церия, модифицированных пирролохинолинхиноном

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.

Фото: Нелли Попова Микрофотография наночастиц

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.