Наноразмерные кассетные бомбы, применяемые в онкологии
Одними из самых жутких и одновременно эффективных изобретений нашей цивилизации являются кассетные боеприпасы и химиотерапия. На английском языке кассетные боеприпасы называются «cluster munition» или «cluster bomb». Именно с кассетными боеприпасами сравнивается удивительный класс противораковых препаратов, которые разрабатываются с начала XXI века. Это капсулы, которые собирают нанотехнологическим методом, начиняют активным веществом, доставляют к опухоли и дистанционно подрывают (например, при помощи ультразвука). Этот терапевтический подход практически не рассмотрен на Хабре (не считая одной новости, опубликованной уважаемым @SLY_G, а в настоящее время всё более причудливо сочетает нанотехнологии с биотехнологией и генной инженерией. Рассмотрим его подробнее.
О попытках дозировки химиотерапии и радиотерапии
Оговорюсь, что описанные здесь технологии в целом не прижились и в настоящее время оттеснены на обочину более успешной и щадящей иммунотерапией, хороший текст об истории которой написал на Хабре уважаемый @Epaminondas. Химиотерапия как таковая была изобретена практически случайно, и этот случай укладывается в очень характерный тренд, который я рассмотрю в одной из ближайших публикаций. Такую практику первым применил Пауль Эрлих для искоренения бледной трепонемы, возбудителя сифилиса. В 1910 году он предоставил магдебургскому врачу Конраду Альту для клинического исследования опытные образцы сальварсана, препарата на основе мышьяка. Оказалось, что возбудитель сифилиса действительно крайне уязвим для сальварсана, а общая токсичность препарата не мешает человеку выжить, хотя и подрывает здоровье.
В 1920-е годы для химиотерапии пытались применять азотистые соединения, родственные иприту, так как опыт Первой мировой войны позволял предположить, что после газовой атаки у человека нарушается образование кровяных клеток, поэтому ипритоподобные препараты в отдельных случаях могут вводить лейкоз в ремиссию. Отличную статью об этом классе препаратов «Как иприт начал лечить рак (более-менее)» написал на Хабре уважаемый @JohnHenry89. Лучевая терапия рака также восходит к концу XIX века: в 1896 году доктор Джиллман из Чикаго пытался лечить рентгеновским излучением опухоль молочной железы, а французский врач Виктор Деспень в том же году сообщил, что рентгеновское облучение помогло пациенту с раком желудка. Первый специализированный медицинский ускоритель частиц для использования в онкологии был собран в 1953 году в Великобритании. С его помощью лечили ретинобластому и впервые применили для этого изотопы кобальта-60, об истории открытия и фатальных свойствах которого я также публиковал одну из самых важных статей в моём блоге «Самые тяжёлые семьдесят пять лет». Одним из первых противоопухолевых препаратов (антибиотиков) был дактиномицин, впервые синтезированный в 1963 году и применяемый при лечении меланомы, различных сарком, рака яичек и яичников. Дактиномицин имеет характерный красно-оранжевый цвет и открыл серию «красной» химиотерапии, самым массовым представителем которой является доксорубицин в сочетании с циклофосфамидом, применяемый с середины 1970-х.
Иллюстрация взята из интереснейшей статьи о цветовой классификации химиотерапевтических препаратов, которую также рекомендую почитать посетителям этого поста.
Таким образом, химиотерапия в буквальном смысле является оружием массового поражения и исходно действовала на клеточном уровне столь же неизбирательно, как химическое или ядерное оружие. Уже во второй половине XX века наряду с разработкой иммунотерапии изыскивались способы минимизировать дозу облучения или препарата, чтобы лечение било преимущественно по опухоли, а не по всему организму. Такие исследования проводятся в области биотехнологии и нанотехнологии, а принцип воздействия на опухоль бывает разным.
Во-первых, опухоль можно подсветить при помощи специальных белков, а после этого направлять к опухоли действующее вещество.
Во-вторых, можно заключать действующее вещество в оболочку (нанокапсулу), которая будет высвобождать препарат в непосредственной близости от опухоли или внутри неё.
В-третьих, возможна радиотерапия в наномасштабе — подача к опухоли специально подобранных изотопов, которые имеют небольшой период полураспада, а продукты распада легко выводятся из организма.
Именно при использовании второй стратегии носитель препарата часто сравнивают с кассетной бомбой. Такую метафору приводит, например, израильский учёный Дан Пир из Университета Тель-Авива. Мы вернёмся к его разработке чуть ниже, а сначала обсудим, вероятно, первую химиотерапевтическую бомбу такого рода, сконструированную в 2005 году в Массачусетском технологическом институте. Её авторами стали Рам Сасисекхаран (профессор биологического факультета в MIT) и его коллеги. Сасисекхаран обозначил наиболее непреодолимую дилемму химиотерапии как необходимость уравновешивать токсичность воздействия препарата на здоровые клетки и преодолевать ту противолекарственную устойчивость, которую приобретают мутирующие раковые клетки. Поскольку здесь в пользу рака играет дарвиновский естественный отбор, вредное воздействие химиотерапии на организм не снижается, а восприимчивость опухоли к препарату может снижаться.
Как я уже писал ранее в статье о талидомиде, важнейшим средством для торможения роста опухоли является анти-ангиогенез, то есть, противодействие росту кровеносных сосудов. Именно такой механизм во многом объясняет тератогенное воздействие талидомида на человеческий плод. Талидомид в таком качестве практически не закрепился, но антиангиогенная полезная нагрузка для наночастиц считалась эффективным действующим веществом, которое, однако, не должно раньше времени попадать в кровоток и поражать здоровые сосуды.
Группа из MIT начинила внешнюю мембрану органической нанокапсулы антиангиогенным препаратом, а внутреннюю полость — химиотерапевтическим препаратом. Эти капсулы имели диаметр всего 200 нм, притом, что диаметр эритроцита варьируется от 7000 до 9000 нм. Такие мелкие капсулы не только ускользали от внимания иммунной системы, но и легко проникали в опухоль.
Внутри опухоли внешняя мембрана капсулы быстро рассасывается, и сначала срабатывает антиангиогенный препарат, а затем, собственно, химиотерапия. Антиангиогенный препарат действует так, чтобы обрастание опухоли сосудами прекратилось, а внутри неё сетка сосудов сохранялась дольше, так как именно по этим сосудам опухоль успевает медленно пропитаться химиотерапией.
Первые результаты на мышиных моделях были обнадёживающими, но впоследствии оказалось, что подобное воздействие действительно приводит к усыханию опухоли, но одновременно стимулирует её метастазирование и распространение из «опасного места». Общий результат получился скорее неудовлетворительным.
В 2010 году Дэну Пиру с соавторами удалось разработать наноразмерный носитель, в который внедрены мельчайшие гранулы паклитаксела, применяемого при лечении рака молочной железы, яичников, саркомы Капоши и других новообразований. Диаметр такой частицы составляет 135 нм. Вступая в контакт с раковой клеткой, она срабатывает как кассетная бомба, всаживая в клетку свою полезную нагрузку.
С научной точки зрения в этом препарате важнее всего было подобрать вещество, из которого слагается оболочка наночастицы. Это специфический сахар, распознаваемый рецепторами на поверхности раковой клетки. На поверхности здоровых клеток таких рецепторов нет, поэтому кассетная бомба поражает только злокачественные клетки. Кроме того, поразив клетку, наночастица рассасывается, а затем легко выводится из организма, в отличие от традиционной химиотерапии.
Актиниевые бомбы
Уже в 1995 году Дэвид Шейнберг из Мемориального центра им. Слоана-Кеттеринга в Нью-Йорке пытался совместить нанотехнологию с радиотерапией. Шейнберг с коллегами смогли запечатать в специально синтезированную молекулярную клетку атом актиния-225, а затем испытали его на мышах. Клетка состояла из атомов углерода и азота, конструкция выглядела так:
Изотоп актиний-225 является побочным продуктом при работе ядерных реакторов, поэтому относительно лёгок в получении:
Клетка Шейнберга состояла из плотной кольцевой решётки атомов углерода, а внутри неё находился значительно более крупный атом актиния. Атом актиния имеет отрицательный заряд, а клетка — в сумме положительный, поэтому изотоп удерживается в клетке как на магнитах. С внешней стороны к клетке прикрепляется антитело, подтягивающее её к опухоли. Клетка свободно перемещается в кровотоке, пока не найдёт опухоль. Период полураспада актниния (10 суток) вполне достаточен для лечебного эффекта, но и все продукты распада актиния, в особенности, франций, также очень радиоактивны (испускают альфа-излучение), и быстро выводить их их организма не удаётся. Тем не менее, актиний-225 эффективен при лечении лейкемии, а также, как сообщалось в 2022 году, помогает при неоперабельном раке простаты. По причине востребованности изотопа ГНЦ «Физико-энергетический институт» в составе госкорпорации «Росатом» приступил к производству актиния-225, став третьим научным учреждением в мире, где специально синтезируется этот изотоп.
Расширение функций и подсветка
В 2016 году коллаборация представителей Научно-технического университета Китая, Технологического института штата Джорджия и университета Эмори впервые создали двухуровневую кассетную бомбу, заряженную цисплатином, который используется в химиотерапии с начала 1960-х. Цисплатин крайне токсичен, вызывает патологии почек и внутреннего уха, но успешно применяется для лечения множества видов рака, в том числе, нейробластомы, ретинобластомы, опухолей шейки матки, уретры, простаты и мочевого пузыря. В данной конфигурации «оболочка» кассетной бомбы имеет диаметр 100 нм, но внутри опухоли из неё высвобождаются ещё более мелкие гранулы с цисплатином, которые буквально взрываются из-за разницы в уровне pH вокруг опухоли и в её пределах. Мелкие «бомбочки» разрывают ДНК опухолевой клетки, не просто отравляя её, а прямо лишая возможности делиться.
В том же 2016 году в онкологии также начали применяться более тонкие методы, принципиально подобные использованию вышеописанных кассетных бомб. Группа исследователей из Женской больницы им. Брайэма в Бостоне, штат Массачусетс, синтезировала наночастицы, которые начинают излучать свет в присутствии умирающих клеток. Такие частицы не наносят непосредственного вреда опухоли, но дают быструю обратную связь о том, действует ли применяемая химиотерапия, гибнут ли от неё преимущественно опухолевые клетки или разные виды клеток в пределах всего организма.
Заключение
Вышеописанные исследования заинтересовали меня, прежде всего, своей не столько нанотехнологической, сколько бионической природой. Кассетные бомбы для переноса противоопухолевых препаратов принципиально подобны эритроцитам. Эритроцит — полая клетка, заполненная гемоглобином и для большей вместимости лишённая любых органелл. Эритроцит в ходе эволюции приобрёл именно такое устройство, так как свободный гемоглобин токсичен и, попадая в кровоток, вызывает печёночную недостаточность. Именно такие процессы развиваются при разрушении эритроцитов при несовпадении резус-фактора. Описанные кассетные бомбы (в том числе, начинённые актинием) имеют оболочку из белков или сахаров, на которой, как и на эритроците, можно размещать антигены и антитела. Возможно, в будущем такая технология найдёт применение и в генной инженерии для точечного и кратковременного генетического редактирования, а также для применения у человека целых комплектов заимствованных генов, так, что эти комплекты были бы подобны бактериальным плазмидам.
