Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В настоящее время для диагностики опухолевых заболеваний с успехом применяются новейшие неинвазивные технологии, такие как рентгеновская компьютерная томография (РКТ), позитрон-эмиссионная томография (ПЭТ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), визуализация с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Конструирование опухоле-специфичных контрастных веществ на основе наноматериалов существенно увеличивает специфичность и чувствительность именно этих методов неинвазивной визуализации опухолей в клинической практике в сравнении с традиционными методами визуализации. Нанотехнологии, пришедшие из областей химии, инженерии, материаловедения, позволяют решить и многие проблемы эффективной терапии опухолей. Основу новых нанотехнологий составляют наночастицы (далее НЧ) – вещества органической, неорганической или композиционной природы, имеющие размеры от 1 до 200 нм и обладающие уникальными свойствами взаимодействия с биологическими системами на молекулярном уровне. Вследствие особенностей пространственной структуры, НЧ способны к самоорганизации и поддержанию специфичности и стабильности – важным свойствам для конструирования (инжиниринга) на их основе диагностических и лечебных биосовместимых агентов. Успехи в области нанотехнологий дают надежды на разработку персональной тактики в диагностике и терапии онкологических заболеваний на основе знаний о молекулярном профиле конкретных пациентов. В этом обзоре проведен анализ различных вариантов конструирования агентов на основе наноматериалов, перспективных или уже используемых в онкологии. Представлены отдельные направления такого конструирования с точки зрения их преимуществ и возникающих проблем. Кроме того, исследованы вопросы повышения эффективности диагностики и лечения онкологических заболеваний с помощью НЧ, которые являются специфическими контейнерами для направленного транспорта (далее – НТ) лекарственных и контрастных веществ к опухолевому очагу. И наконец, исследованы возможные пути дальнейшего расширения спектра диагностических и лекарственных препаратов инженерными решениями для диагностики и терапии опухолей.

Наночастицы для направленного транспорта и доставки лечебно-диагностических препаратов к опухоли. НЧ могут состоять из разных компонентов, таких как полимеры, металлы, керамика. В зависимости от методов изготовления они могут иметь различную конфигурацию, размеры и свойства. Многие из НЧ находятся на различных стадиях внедрения в качестве средств доставки лекарств, такие как липосомы (далее – Л) и другие носители на основе липидов (например, липидные эмульсии, комплексы липидов с лекарствами), конъюгаты лекарств с полимерами, микросферы из полимеров, мицеллы, иммуноконъюгаты [11, 28, 48, 52, 53, 55]. Липосомы представляют собой самоорганизующиеся, сферические, коллоидные структуры, состоящие из липидного бислоя. Внутри Л находится водная среда. Л – наиболее популярный наноматериал для направленного транспорта лекарств в организме (табл. 1). Сейчас разработано немало противоопухолевых препаратов на основе Л. Такая популярность Л объясняется их способностью улучшать фармакокинетику и фармакодинамику связанных с ними препаратов (1). Некоторые противоопухолевые препараты на основе Л: липосомальный доксорубицин (Доксил), липосомальный даунорубицин – с успехом используются в терапии метастазирующего рака молочных желез и саркомы Капоши [13, 22, 23, 28, 42].

Первые Л имели немодифицированную фосфолипидную поверхность, связывающую белки плазмы крови. Эти белки способствовали процессам распознавания и поглощения Л мононуклеарными клетками, что, в свою очередь, приводило к быстрому клиренсу Л из циркуляции. Это препятствовало накоплению Л и содержащихся в них препаратов в ткани опухоли или других местах действия лекарств. В последующем эти неудовлетворительные свойства Л были сняты с помощью модификации их поверхности гидрофильными карбогидратами или полимерами, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ) [12, 64, 66, 78].

Поскольку модификация поверхности решала проблему быстрого клиренса из циркуляции, а следовательно, обеспечивала длительное присутствие Л в крови, оставалась проблема селективного их накопления в опухолевой ткани. Одна из стратегий для достижения направленного опухолеспецифического транспорта Л состоит в их конъюгации с агентами, взаимодействующими с рецепторами клеток органа-мишени или ткани-мишени [10, 31, 59, 63, 68]. К примеру, иммунолипосомы состоят из антител (далее – АТ) или их фрагментов, конъюгированных с терминальной группировкой ПЭГ на поверхности Л. Применение таких Л свидетельствует об их повышенной терапевтической эффективности в сравнении с обычными [40, 65, 67, 69]. Исследования in vitro с использованием Л, нагруженных доксорубицином и имеющих на поверхности антитела против антигена СД44 показали, что культивируемые клетки меланомы В16F10 поглощали противоопухолевый антибиотик более эффективно, чем свободный доксорубицин. При этом усиленное внутриклеточное поглощение коррелировало с повышенной цитотоксичностью препарата [26]. Инкапсулированный в Л цисплатин, не обладающий противоопухолевой активностью в таком состоянии, приобретал ее в случае включения в состав иммунолипосом, направленных против цитоплазматического антигена опухолевых клеток [10, 78]. Недавно были получены удовлетворительные результаты 1-й фазы клинических испытаний иммунолипосом МСС-465, представляющих собой обработанные полиэтилен-гликолем (ПЭГ) (пэгилированные) Л, нагруженные доксорубицином и конъюгированные с F(ab)2-фрагментами человеческих моноклональных антител (далее – монАТ) у пациентов с метастазирующим раком желудка [38, 56].

Полимерные наночастицы. Для того, чтобы достичь мишеневых тканей, НЧ должны оставаться в кровотоке достаточно длительное время. НЧ с немодифицированной поверхностью обычно захватываются клетками ретикуло-эндотелиальной системы печени и селезенки в процессе их циркуляции в зависимости от размеров и характеристики поверхности. Для преодоления этой проблемы НЧ могут покрываться гидрофильными полимерами [35, 49, 54]. Такое покрытие эффективно защищает НЧ от захвата макрофа-гами. Повышение гидратации также способствует увеличению растворимости НЧ и меньшей их чувствительности к ферментативной деградации, улучшая т.о. биосовместимость [32, 35, 51]. Недавно был испытан нанокомплекс paclitaxel с альбумином (торговая марка Abraxane или ABI-007) для лечения метастазирующего рака молочных желез [34]. На 3-й фазе клинических испытаний ABI-007 оказал поразительную эффективность. В настоящее время более 10 противоопухолевых препаратов на основе полимерных НЧ включены в клинические исследования (табл. 2).

Например, препарат «DOX-ОХО» показал в 4–5 раз меньшую токсичность для пациентов в сравнении с антибиотиком антрациклином [19, 24, 75]. Препарат обладает существенной противоопухолевой активностью у пациентов, не чувствительных к стандартной химиотерапии. Недавно стало известно, что один из противоопухолевых препаратов на основе НЧ –paclitaxel poliglumex (Xyotax) обладает еще и радиосенсибилизирующим действием [25].

Наноматериалы и нанотехнологии для радиоиммунотерапии онкологических заболеваний. Радиоиммунотерапия (РИТ) – это перспективное направление, сочетающее достижения современной ядерной медицины, иммунологии и биотехнологии. Она основана на таргетной терапии, т.е. на принципах направленного транспорта комплекса терапевтических монАТ с радиоактивными веществами (радионуклидами). Антитела специфически связываются с антигенными детерминантами на опухолевых или других клетках, а радионуклиды уничтожают эти клетки путем локального облучения. РИТ более эффективна применительно к небольшой опухолевой массе или для лечения минимальной остаточной болезни. Именно в этих случаях монАТ, конъюгированные с радионуклидом, способны связаться с клеточными мишенями и оказать цитотоксический эффект за счет доставленной дозы радиации [3, 17, 62]. Радиоиммунотерапия стала активно изучаться почти 50 лет назад, но прошло около 25 лет, прежде чем теоретические знания нашли свое клиническое применение.

Таблица 1

Липосомальные противоопухолевые препараты клинического применения

Исследования последних лет стимулировали развитие нового направления – т.н. «молекулярной визуализации» (МВ), которое ориентировано на визуализацию молекулярных процессов в живых системах, в том числе и у пациентов [14, 77]. Направления в области МВ включают такие технологии, как позитрон-эмиссионная томография (ПЭТ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография(ОФЭКТ), оптические методы визуализации – к примеру флуоресцентную томографию, инфра-красную флуоресценцию. Эти новые методы обладают высокой чувствительностью и неинвазивны [36, 44, 46]. Часто используемая в технологии ПЭТ проба¹⁸F- флуородеоксиглюкоза (ФДГ) определяет только те опухоли, клетки которых содержат повышенную концентрацию глюкозы. Однако, такая проба мало эффективна для опухолей с низким содержанием глюкозы. Применение нанотехнологий и наноматериалов дает более универсальные инструменты – мультифункциональные НЧ, применимые как для диагностических, так и лечебных, целей. В сравнении с той же радиоактивной меткой ¹⁸F-ФДТ для ПЭТ, НЧ обладают намного большей суммарной поверхностью и большим числом функциональных групп для связывания с различными диагностическими и лекарственными препаратами.

Одна из стратегий МВ заключается в том, что необходимо создать такой комплекс, который бы имел часть для специфического взаимодействия с мишеневой молекулой на опухолевой клетке, другую часть – индикаторную молекулу (с радиоактивной меткой, оптическим излучателем или парамагнетиком). Недавно такие комплексы были сконструированы и апробированы на экспериментальных опухолевых моделях и в ограниченнных клинических работах [16, 30, 50, 58, 76]. Однако для дизайна и создания пригодных в клинической практике новых мульти-функциональных препаратов на основе НЧ придется решать такие проблемы, как:

1) идентификация опухоле-специфических или опухоле-ассоциированных маркеров на опухолевых клетках,

2) получение в большом количестве стабильных и высоко-аффинных молекул, взаимодействующих с такими маркерами,

3) конструирование визуализирующего соединения, дающего четкий, детектируемый аппаратурой, сигнал. При этом, такое соединение должно быть нетоксично для органов и тканей,

4) оно должно длительно циркулировать в крови для того, чтобы в достаточном количестве насытить опухолевую ткань. Достижения инженерных нано-технологий позволяют сейчас создать высокоспецифические соединения для направленного транспорта лекарств и диагностических препаратов к опухоли [27, 29, 39, 57]. НЧ в силу своих уникальных фармако-кинетических свойств слабо захватываются в ретикуло-эндотелиальной системе печени и мало экскретируются (выводятся) почками. Т.е. с их помощью преодолены основные трудности накопления достаточного количества лекарств в патологическом очаге для диагностики или лечения. В настоящее время возможен дизайн НЧ с заданными размерами и многими специфическими свойствами в зависимости от лечебных или диагностических задач [29, 50]. Дизайн НЧ позволяет создавать многофункциональные соединения, в состав которых входят опухоле-специфические лиганды для направленного транспорта, контейнеры для лекарств, диагностические контрастные вещества.

Наночастицы типа Quantum dot – квантовые точки

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) представляют собой многослойно-организованные сферические структуры нанометровых размеров (2–10 нм), способные к полупроводника селенида кадмия; светоиспусканию с уникальными оптическими и электронными свойствами.Такими например, как туннельным светоиспусканием, усиленной яркостью свечения, повышенной стабильностью флуоресцентного сигнала, способностью к испусканию флуоресцентного света разной длины волны [58]. Эти свойства квантовых точек позволяют улучшить диагностические возможности при молекулярном изображении примерно в 2 раза. Впервые Gao et al [29] показали возможность использовать НЧ для одновременного направленного транспорта лекарства и визуализации опухоли простаты на экспериментальной модели у животных. Для этого были использованы КТ против мембранного антигена рака простаты. Этот новый класс биосенсоров состоял из слоя амфифильного трехблочного кополимера. Такие контейнеры обладают высокой стабильностью и дают четкий сигнал при диагностических процедурах. Другое преимущество – КТ испускают свет разной длины волны и могут быть использованы одновременно для визуализации и транспортировки нескольких опухолевых маркеров, тем самым потенциально увеличивая специфичность и чувствительность диагностики опухолей. Совсем недавно были сконструированы КТ, испускающие световые сигналы в ближней инфракрасной области спектра [21, 70]. Свет этой длины волны проникает более глубоко в ткани в сравнении с видимой флуоресценцией и позволяет таким образом получать световой сигнал из глубоких областей тела экспериментальных животных. Основное преимущество КТ инфракрасной области – возможность получения четкого изображения с большой разницей между сигналом и фоном [77]. Уже удается получать четкое изображение ЛУ у больших экспериментальных животных в реальном времени. Т.о., КТ стали прекрасными нанопробами для выявления специфичности опухолевых лигандов у животных и в культуре клеток ин витро. С их помощью возможно также изучение тканевого распределения специфичных КТ в режиме реального времени с использованием систем визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако существует проблема токсичности многих КТ из-за присутствия в них кадмия.

Применение сконструированных наноматериалов в термотерапии опухолей. Нано-микросферы с успехом могут быть использованы при фототермической аблации опухолевых тканей, как это было показано в исследованиях in vitro на клетках рака молочной железы и в экспериментах in vivo у мышей [41, 51]. Конструкционные наномикросферы представляли собой однослойные сферические наночастицы, состоящие из диэлектрической кремниевой сферы (SiO₂), внутри которой содержатся частицы коллоидного золота. Такие керамические наночастицы имеют диаметр 100–200 нм с толщиной внешней стенки 10 нм. Путем манипулирования размерами кремниевого слоя и золотых микрочастиц можно добиться высокого резонансного эффекта в клеточных и тканевых объектах при термотерапии [15]. Это будет суммарный эффект действия световой энергии, вызванный осцилляцией кондуктивных электронов металла на поверхности микрочастиц золота. В свою очередь, нано плазмонный эффект определяет поглощение и рассеивающий эффект микрочастиц золота таким образом, что эта наночастица может быть селективно активирована. Золото обычно поглощает свет в интервале от видимого до ультрафиолетового спектра, проникающего в живые ткани. Однако электромагнитные взаимодействия между частицами золота изменяют свойства металла, делая его способным поглощать свет из инфракрасной части спектра, который может проникать в живые ткани уже на несколько сантиметров без их повреждения.

Термотерапия с использованием углеродных нанотрубок. С помощью однослойных углеродных наноконтейнеров в виде трубок (нанотрубок) удается достичь существенного терапевтического эффекта (гипертермической деструкции) в отношении опухолевых клеток в культуре in vitro без какого-либо повреждения нормальных клеток [45]. В сравнении с оптическими свойствами других наноматериалов, таких как содержащие золото кремниевые наносферы, углеродные нанотрубки имеют преимущество по таким показателям, как требуемая меньшая интенсивность лазерного излучения и более короткое время облучения, необходимые для эффективной деструкции опухолевых клеток. Уникальные свойства углеродных нанотрубок, конъюгированных с распознающими био-молекулярными структурами, такими как антитела, позволили создать миниатюрные электронные устройства, такие как биосенсоры и биочипы. Свойства и применение функционально ориентированных углеродных нанотрубок можно узнать из недавнего обзора [71].

Эффективность противоопухолевого действия веществ с направленным транспортом может быть усилена с помощью систем, контролирующих высвобождение агентов из нанокапсул. Например, уже созданы наночастицы с противоопухолевым препаратом, инкапсулированные в рН-чувствительные микросферы и термочувствительные микросферы [47]. В последнем случае весьма значительные успехи были достигнуты при лечении опухолей печени в результате синергического действия локальной лазерной гипертермии и введенных внутривенно термочувствительных липосом с противоопухолевыми лекарственными препаратами.

Магнитные НЧ на основе окислов железа. НЧ с суперпарамагнитными свойствами на основе окислов железа (ОЖ) являются прекрасным исходным материалом для конструирования магнитно-резонансных контрастных агентов направленной специфичности. НЧ этого типа обладают уникальными парамагнитными свойствами, позволяющими создать четкий сигнал при очень низких концентрациях [20, 43, 73, 79]. Кроме того, частицы ОЖ длительно присутствуют в крови, сравнительно слаботоксичны и биодеградируемы [60]. Некоторые НЧ на основе ОЖ уже используются в клинических работах, поскольку их токсичность для человека невелика [37, 61]. Такие НЧ могут поглощаться клетками, т.е. их можно использовать для магнитного «мечения» клеток-мишеней. Это свойство дает наночастицам на основе ОЖ большее преимущество для визуализации опухолей и направленного транспорта лекарств в сравнении с другими типами контрастирующих агентов.

В последние годы сделан большой прогресс в разработке специфичных к мишеням контрастных агентов для МРИ на основе ОЖ. Созданы НЧ, конъюгированные с антителами против клеточных поверхностных маркеров, таких как МUC1, альфа-гамма-бета-интегринов, рецепторов к Her-2/Neu или к фолату [21, 60]. Однако осталось несколько проблем. К примеру, ведется поиск и дизайн поверхностно-активного материала, способного не только стабилизировать НЧ, но обеспечивать контролируемую конъюгацию с маркерными лигандами. Для решения задач визуализации желательно иметь суперпарамагнитные НЧ с высокими показателями намагничивания при малых размерах. Для решения задач направленного транспорта к клеткам-мишеням важнейшими являются активация поверхностных свойств НЧ и конъюгация с биомолекулами. Большая площадь поверхности НЧ на основе ОЖ и низкая токсичность стали поводом для их использования в качестве наноконтейнеров для направленного транспорта противоопухолевых агентов. Был сконструирован нанокомплекс, пригодный одновре-менно для получения изображения методом МРИ и доставки противоопухолевого антибиотика доксорубицина в опухоль [26]. Он представлял собой полимерные мицеллы, покрытые снаружи антителами против альфа-бета-гамма-интегринов и содержащие внутри доксорубицин. Недавние работы позволили создать ультрачувствительные магнитные нанопробы для визуализации опухолей. Lee et al сконструировали НЧ, конъюгированные с монАТ против HER-2 антигена. Эти НЧ обладали улучшенными характеристиками для МРИ экспериментальных опухолей в сравнении с обычными НЧ на основе ОЖ [50].

Магнитные нанокристаллы, состоящие из молекул FeCo и покрытые графитовой оболочкой, давали длительный и усиленный позитивный сигнал при МРИ у экспериментальных животных. Они сильно нагревали окружающие ткани после лазерного облучения. Следовательно, имеется возможность для одновременной визуализации и фототермической аблационной терапии. Недавние исследования на экспериментальных животных с трансплантированными опухолями человека показали улучшенные результаты визуализации опухоли методом МРИ и фотодинамической терапии с использованием мультифункциональных НЧ в сравнении с обычными НЧ [34].

Возможные применения НЧ и направления исследований в будущем. Общеизвестно, что канцерогенез – многоэтапный процесс, в который вовлечены такие феномены, как саморегуляция ростовых явлений, нечувствительность к ингибирующим сигналам, уход от апоптоза,подкрепленный антиогенез, способность к метастазированию [38].Терапия опухолей строится в зависимости от клинико-патологической стадийности процесса, определяемой по морфологическим критериям – радиологическим и гистопатологическим. Однако пути развития даже одного и того же типа опухолей у разных пациентов уникальны. Достижения последних лет в областях молекулярной биологии, генетики свидетельствуют, что рост и развитие опухолей контролируется сложными многофакторными процессами, а не каким-то одним или несколькими факторами. Успех целенаправленной терапии зависит от мишеневых молекул на клетках, которые являются опухоле-специфическими маркерами [54]. Современными методами нанотехнологий теперь можно быстро и точно подсчитать опухоле-ассоциированные молекулы в отдельных опухолевых срезах или пробах тканей [32, 49]. К примеру, в одном срезе опухолевой ткани сейчас с помощью КТ выявляются до 5 опухоле-ассоциированных белков. Разработка мультифункциональных НЧ создает базу для индивидуальной проти-воопухолевой терапии. В идеале для конструирования таких НЧ подходящая комбинация агентов (лекарства и минешевой молекулы) может быть найдена на основе знания молекулярных маркеров конкретного пациента и с помощью визуализирующего агента, локализованного на поверхности НЧ. В связи со значительным прогрессом в диагностике и терапии опухолей на пути использования нанотехнологий возникает необходимость лучшего понимания основных принципов дизайна и тактики применения НЧ в различных клинических ситуациях. Эти вопросы существенны для создания и клинического применения новых типов лечебно-диагностических препаратов которые должны обладать улучшенными характеристиками по избирательности и эффективности действия, безвредности для пациента. А это возможно лишь при тесном контакте физиков, химиков, инженеров, биологов и медиков на пути создания эффективных нано-материалов для диагностики и лечения опухолей.