Инженеры из Университета Дьюка продемонстрировали метод, который использует микропузырьки и ультразвук, чтобы помочь относительно крупным противораковым препаратам проникать в опухолевые клетки и вызывать их самоуничтожение. Получившая название "Точная внутриклеточная нанодоставка с помощью сонопорации" - или сокращенно SonoPIN - технология привела к самоуничтожению 50% целевых раковых клеток в настольном эксперименте, в то время как 99% клеток, не являющихся мишенями, остались здоровыми. Результаты показывают, что этот метод может быть перспективным для точной доставки широкого спектра крупномолекулярных терапевтических препаратов в клетки с минимальным количеством побочных эффектов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как действуют противораковые препараты PROTAC

Новый класс перспективных терапевтических средств под названием "химеры, нацеленные на протеолиз" (PROTAC) показал высокую эффективность в расщеплении "неподдающихся" белков и преодолении лекарственной устойчивости при лечении рака. PROTAC связываются с определенным белком-мишенью и активируют фермент под названием убиквитинлигаза E3, который присоединяет убиквитин к белку-мишени. Как следует из названия, убиквитин присутствует во всех сложных клеточных организмах и помечает белки для уничтожения естественной системой утилизации отходов.

В раковых клетках PROTAC используются для воздействия на белок BRD4 и его разрушения. После разрушения белка раковые клетки теряют способность к быстрому размножению и выживанию, что фактически приводит к их самоуничтожению.

Проблемы с доставкой лекарств в клетки

Несмотря на то, что PROTACs могут показаться чудодейственным лекарством, у них есть несколько недостатков. Во-первых, BRD4 необходим и для здоровых клеток, поэтому нецелевые эффекты могут быть вредными. Кроме того, существует проблема размера.

«Молекулы PROTAC слишком велики, чтобы проникать в клетки, — говорит Юци Ву, аспирантка, работающая в лаборатории Тони Джун Хуана, заслуженного профессора Уильяма Бевана в области машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка. — Но с нашей платформой SonoPIN молекулы PROTAC могут проникать в раковые клетки, на которые нацелены, практически не затрагивая здоровые клетки».

Как работают SonoPIN и микропузырьки

SonoPIN использует готовые микропузырьки, которые обычно применяются для повышения контрастности ультразвуковых изображений. При прикреплении к клеткам и очень бережном воздействии ультразвуковыми волнами они создают эхосигналы, которые улучшают качество изображения.

Однако при интенсивном воздействии пузырьки схлопываются и вызывают в соседних клетках явление, называемое сонопорацией. Хотя все механизмы до конца не изучены, согласно современной гипотезе, при схлопывании пузырьков образуются высокоскоростные микроструи, которые создают ударные волны, направленные на соседние клетки. Эти силы создают в клеточной мембране наноскопические временные поры, достаточно большие, чтобы в них могли проникнуть PROTAC.

«Этот процесс больше похож не на взрыв, а на временное контролируемое механическое открытие, — объясняет Хуанг. — Несмотря на то, что для этого требуется физическая сила, клеточные мембраны являются подвижными и динамичными, поэтому они естественным образом самовосстанавливаются и закрывают эти поры в течение нескольких минут, если не секунд».

Доработка и тестирование платформы

В ходе исследования Хуанг, Ву и их коллеги снабдили эти микропузырьки синтетическими нитями нуклеиновой кислоты, которые связываются со специфическими биохимическими рецепторами, присутствующими на клеточных мембранах раковых клеток, но отсутствующими на мембранах здоровых клеток. Затем они опробовали несколько комбинаций частот и интенсивности ультразвука, чтобы найти идеальное сочетание для открытия пор в клеточных мембранах, через которые могли бы проникать PROTAC.

Определив оптимальные настройки, исследователи протестировали платформу, прикрепив флуоресцентные молекулы к PROTAC. Они провели отдельные эксперименты с раковыми и здоровыми клетками, чтобы сравнить эффективность доставки. Через минуту после воздействия ультразвуком клетки, обработанные с помощью SonoPIN, светились в семь раз ярче, чем клетки, обработанные с помощью традиционных методов доставки PROTAC, что указывало на то, что они поглотили большое количество PROTAC. В результате половина раковых клеток самоуничтожилась, а 99% здоровых клеток остались жизнеспособными.

Дальнейшие шаги и перспективы

В дальнейшем исследователи планируют протестировать этот подход на мышах и уже подали заявку на патент. Они считают, что, вводя в организм мышей PROTAC и микропузырьки, которые притягиваются к раковым клеткам, и фокусируя ультразвуковые волны на опухолях, можно создать высокоэффективную технологию уничтожения рака с минимальным количеством побочных эффектов.

«Поскольку SonoPIN использует механический подход к доставке, а не биологическое поглощение, теоретически он может доставлять терапевтические препараты практически любого размера, — говорит Хуанг. — Нам также было бы интересно узнать, как он работает с такими терапевтическими препаратами, как крупные комплексы для редактирования генома».