Учёные Северо-Западного университета разработали новую молекулярную структуру для распространённого химиопрепарата, сделав его значительно более растворимым, эффективным и менее токсичным.
В новом исследовании команда разработала новый препарат на основе сферических нуклеиновых кислот (СНА) — наноструктуры, которая встраивает лекарство непосредственно в нити ДНК, покрывающие крошечные сферы. Такая конструкция превращает плохо растворимый и слабодействующий препарат в мощное целенаправленное средство против рака, не затрагивающее здоровые клетки.
Разработка новой терапии
Команда учёных разработала новую терапию на основе СНА и протестировала её на небольшой модели животных с острым миелоидным лейкозом (ОМЛ) — быстроразвивающимся и трудно поддающимся лечению видом рака крови.
По сравнению со стандартным химиопрепаратом, препарат на основе СНА проникал в клетки лейкемии в 12,5 раз эффективнее, убивал их до 20 000 раз более эффективно и снижал прогрессирование рака в 59 раз — и всё это без заметных побочных эффектов.
Потенциал структурной наномедицины
Эта работа является ещё одним примером потенциала структурной наномедицины — новой области, в которой учёные используют точный структурный и композиционный контроль для точной настройки взаимодействия наномедицинских препаратов с человеческим организмом.
В настоящее время семь терапий на основе СНА проходят клинические испытания. Новый подход может привести к созданию мощных вакцин и методов лечения рака, инфекционных заболеваний, нейродегенеративных заболеваний и аутоиммунных заболеваний. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
Профессор Северо-Западного университета Чад А. Миркин, возглавлявший исследование, сказал: «На животных моделях мы продемонстрировали, что можем остановить опухоли. Если это сработает для пациентов, это будет действительно важным достижением. Это будет означать более эффективную химиотерапию, лучшую реакцию и меньше побочных эффектов. Это всегда было целью любого лечения рака».
Миркин — пионер в области химии и наномедицины, профессор химии, химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии и медицины в Северо-Западном университете.
Для нового исследования Миркин и его команда сосредоточились на традиционном химиопрепарате 5-фторурациле (5-ФУ), который часто не может эффективно достичь раковых клеток. Кроме того, поскольку он также атакует здоровые ткани, 5-ФУ вызывает множество побочных эффектов, включая тошноту, усталость и в редких случаях даже сердечную недостаточность.
Согласно Миркину, проблема не в самом лекарстве, а в том, как организм его обрабатывает. 5-ФУ плохо растворим, то есть менее 1% его растворяется во многих биологических жидкостях. Большинство лекарств должны растворяться в кровотоке, прежде чем они смогут распространяться по телу и проникать в клетки. Если лекарство плохо растворимо, оно слипается или сохраняет твёрдую форму, и организм не может эффективно его усвоить.
«Мы все знаем, что химиотерапия часто ужасно токсична, — сказал Миркин. — Но многие люди не понимают, что она также часто плохо растворима, поэтому мы должны найти способы превратить её в водорастворимые формы и эффективно доставить».
Разработка более эффективной системы доставки
Чтобы разработать более эффективную систему доставки, Миркин и его команда обратились к СНА. СНА — это шарообразные наноструктуры с ядром из наночастиц, окружённым плотной оболочкой из ДНК или РНК. В предыдущих исследованиях Миркин обнаружил, что клетки распознают СНА и приглашают их внутрь.
В новом исследовании его команда создала новые СНА с химиопрепаратом, химически встроенным в нити ДНК. «Большинство клеток имеют на своей поверхности рецепторы-мусорщики, — сказал Миркин. — Но миелоидные клетки сверхэкспрессируют эти рецепторы, так что их становится ещё больше. Если они распознают молекулу, то втянут её в клетку. Вместо того чтобы пробиваться в клетки, СНА естественным образом захватываются этими рецепторами».
Как и подозревали Миркин и его команда, структурная переделка полностью изменила взаимодействие 5-ФУ с раковыми клетками. В отличие от свободно плавающих неструктурированных молекул химиопрепаратов, миелоидные клетки легко распознавали и поглощали форму СНА.
После попадания внутрь ферменты разрушали оболочку из ДНК, высвобождая молекулы лекарства, которые убивали раковую клетку изнутри.
В экспериментах на мышах терапия практически уничтожила клетки лейкемии в крови и селезёнке и значительно продлила выживаемость. А поскольку СНА избирательно нацелены на клетки ОМЛ, здоровые ткани остались невредимыми.
«Сегодняшние химиотерапевтические препараты убивают всё, с чем сталкиваются, — сказал Миркин. — Поэтому они убивают раковые клетки, но также и множество здоровых клеток. Наша структурная наномедицина предпочтительно ищет миелоидные клетки. Вместо того чтобы подвергать всё тело химиотерапии, она доставляет более высокую, целенаправленную дозу именно туда, где это необходимо».
Далее команда Миркина планирует протестировать новую стратегию на большей группе небольших моделей животных, затем перейти к модели крупных животных и, в конечном итоге, к клиническим испытаниям на людях после получения финансирования.