Схематическое изображение исследования. Наночастицы, покрытые стелс-белком IDP1, разработанным искусственным интеллектом, которые содержат углеродные наноиглы и индоцианин зеленый (IDP1-CNH/ICG), вводятся внутривенно и накапливаются в области опухоли. Затем в опухоль вводится ультратонкий жесткий эндоскоп, достаточно маленький, чтобы поместиться внутри стандартной инъекционной иглы, для внутреннего облучения лазером ближнего инфракрасного диапазона, что обеспечивает эффективную фототермическую терапию рака. Фото: Эйдзиро Мияко
 

Фототермическая терапия использует лазерный свет в ближнем инфракрасном диапазоне для избирательного нагрева и разрушения раковых клеток. Однако, когда иммунная система распознает наночастицы, несущие терапевтические агенты, она часто начинает выводить их из организма до того, как они достигнут опухоли. Вторая проблема фототермической терапии связана с самой технологией. При обычном наружном лазерном облучении энергия теряется при прохождении через кожу и ткани, что затрудняет эффективное нагревание глубоко расположенных опухолей.

«Выведение наночастиц и лазерная доставка долгое время были препятствиями на пути к фототермическому лечению рака, но теперь мы преодолели обе эти проблемы одновременно», — говорит Эйдзиро Мияко, профессор Института междисциплинарных исследований перспективных материалов Университета Тохоку, который руководил исследованием в сотрудничестве с компаниями Air Water Inc., Университетом Тэйкё и Японским институтом передовых наук и технологий.

Подробности исследования были опубликованы в качестве приглашенного материала в журнале Small Science, в редакционном совете которого также состоит Мияко.

Стелс-эффективность IDP1. (Слева) Профили концентрации в крови после внутривенного введения. IDP1 (красный) оставался в кровотоке более чем в четыре раза дольше, чем обычный ПЭГ (голубой). (Справа) Поглощение наночастиц клетками рака толстой кишки (Colon26) и иммунными клетками (макрофагами RAW264.7). Наночастицы, покрытые IDP1 (светло-фиолетовые), поглощались значительно хуже, чем частицы без покрытия (темно-синие). Источник: Эйдзиро Мияко

Переработка маскирующего покрытия

Чтобы решить проблему выведения наночастиц из организма, Мияко и его коллеги использовали инструмент AlphaFold для прогнозирования структуры белка на основе искусственного интеллекта, чтобы переработать человеческий сывороточный альбумин (ЧСА) — естественный белок крови, который помогает материалам оставаться незамеченными для иммунной системы. Они создали новый биоразлагаемый белок под названием IDP1, который обладает гибкостью и притягивает воду.

У мышей наночастицы, покрытые IDP1, оставались в кровотоке более чем в четыре раза дольше, чем наночастицы, покрытые широко используемым полиэтиленгликолем (ПЭГ) (150,5 минуты против 17,8 минуты). Наночастицы, покрытые IDP1, с углеродными наностержнями и светоактивируемым красителем индоцианином зеленым эффективно накапливались в опухолях, практически не попадая в здоровые органы.

Затем исследовательской группе нужно было решить проблему с системой доставки лазера. Чтобы преодолеть это препятствие, команда разработала ультратонкий жесткий эндоскоп — достаточно маленький, чтобы поместиться внутри стандартной иглы 16-го калибра, — с использованием технологии линз из оптического волокна с градиентным показателем преломления (GI-POF), разработанной компанией Air Water Inc. Линза из оптического волокна была не просто модификацией существующих оптоволоконных систем, а была разработана специально для соответствия клиническим калибрам игл.

Подача света изнутри

Помещая эндоскоп непосредственно в опухоль, система подает лазерный свет изнутри, избегая потери света, которая обычно происходит при его прохождении через здоровые ткани. Такой подход нагревает опухоль так же эффективно, как и традиционные методы лечения, но при этом используется на 28% меньше лазерной мощности (500 мВт по сравнению с 700 мВт). Поскольку требуется меньшая мощность лазера, снижается и риск повреждения близлежащих здоровых тканей. Эндоскоп также оснащен системой флуоресцентной визуализации в режиме реального времени, которая позволяет врачам видеть опухоль и точно позиционировать устройство перед началом лечения.

У мышей с раком толстой кишки после однократного введения IDP1-CNH/ICG и однократного лазерного воздействия опухоли полностью исчезли в течение 14 дней. В ходе 40-дневного исследования опухоли не рецидивировали, и исследователи не обнаружили никаких признаков побочных эффектов. Помимо лечения рака, подход на основе искусственного интеллекта, использованный при разработке IDP1, может быть применен для увеличения продолжительности действия многих других лекарств в кровотоке. Эндоскопическую систему контактного режима также можно использовать для лечения других типов опухолей, до которых можно добраться с помощью иглы.

Противоопухолевая эффективность на мышах. (Слева) Термографические изображения, демонстрирующие распределение температуры в опухоли во время лазерного облучения. Облучение в контактном режиме с помощью ультратонкого жесткого эндоскопа повысило внутриопухолевую температуру примерно до 67,7 °C в течение 5 минут, в то время как при обычном наружном облучении нагрев был незначительным. (Справа) Кривые роста объема опухоли для каждой группы лечения. Только у мышей, получавших IDP1-CNH/ICG в сочетании с лазерным облучением в контактном режиме (заполненные круги), опухоль полностью исчезла в течение 14 дней. Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение (n = 5 мышей в каждой группе). Фото: Эйдзиро Мияко

В дальнейшем исследователи планируют провести исследования безопасности, прежде чем переходить к клиническому применению. Они также протестируют платформу IDP1 на других видах рака, в том числе на раке головы и шеи, пищевода и поджелудочной железы, до которых можно добраться с помощью эндоскопа.