Хотя контрастные вещества и терапевтические средства для диагностики и лечения рака, основанные на адресных наночастицах, быстро прокладывают свой путь через клинические испытания, ученые до сих пор не имеют полного представления о том, как наночастицы достигают опухолей, связываются с ними и попадают внутрь. Для преодоления этого дефицита знаний две группы исследователей, обе из Alliance for Nanotechnology in Cancer, провели исследования, имеющие целью отследить процесс перемещения наночастиц в организме живых животных.

В одном из исследований группа ученых из Стэнфордского университета (Stanford University) использовала квантовые точки для изучения того, как наночастицы перемещаются по опухолевым кровеносным сосудам живых испытуемых, связываются с молекулярными мишенями на их поверхности и затем проникают в саму опухоль. Этой работой руководил Санджив Сэм Гамбхир (Sanjiv Sam Gambhir), содиректор одного из девяти основанных Национальным институтом рака (National Cancer Institute) центров по использованию нанотехнологий для лечения и исследования рака – Centers of Cancer Nanotechnology Excellence. Он и его коллеги опубликовали свои выводы и журнале Small. Во втором исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano, научные сотрудники Альянса Донг Шин (Dong Shin), Мостафа Эль-Сайед (Mostafa El-Sayed) и Шуминг Ни (Shuming Nie) из Университета Эмори (Emory University) и Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) использовали адресные нанокристаллы золота для изучения как активного, так и пассивного связывания с опухолями.

В исследовании, проведенном в Стэнфорде, доктор Гамбхир и его сотрудники использовали возможности прижизненной микроскопии, метода, позволяющего исследователям видеть ярко флуоресцирующие маркеры через кожу живых животных в режиме реального времени. В этой серии экспериментов ученые изучали движение наночастиц у мышей с различными типами опухолей, развивающихся в ушах. В качестве флуоресцентных маркеров были использованы излучающие в ближнем инфракрасном диапазоне квантовые точки, связанные с RGD, молекулой известной своей способностью прочно связываться с белками, находящимися на поверхности окружающих опухоль кровеносных сосудов.

В статье, опубликованной в журнале Small, ученые из Стэнфорда сообщают о результатах исследования поведения адресных квантовых точек в трех различных опухолевых моделях, проведенного с использованием прижизненной микроскопии с субмикрометровым разрешением. Как и на рисунке, определены различия в экстравазации между типами опухолей. Продемонстрировав сходство в связывании квантовых точек с кровеносными сосудами различных типов опухолей, работа ученых из Стэнфорда выявляет тенденцию к преимущественному сосудистому таргетингу наночастиц по сравнению с таргетингом опухолевых клеток. (Фото с сайта onlinelibrary.wiley.com)

К своему удивлению, ученые обнаружили, что вне зависимости от типа изучаемой опухоли связывание наночастиц происходило, только если с различными сайтами внутри опухоли взаимодействовали не отдельные частицы, а их агрегаты. Ученым не удалось обнаружить сколько-нибудь значительного связывания, когда они повторили свои эксперименты с использованием квантовых точек без адресных молекул RGD. Они также установили, что скорость связывания и его модель оставались общими для всех типов опухолей – обнадеживающее открытие, учитывая естественную гетерогенность, характерную для раковых опухолей человека.

Хотя способность к связыванию, как представляется, не зависит от типа опухоли, этого нельзя сказать об экстравазации, то есть переходе наночастиц в опухоль из крови. В своей статье ученые отмечают, что, вполне вероятно, в определении того, как наночастица будет выходить из сосуда в каждом конкретном типе опухолей, решающую роль играют ее размер и форма.

Чтобы изучить механизмы доставки, приводящие к накоплению наночастиц в опухолях, группа из Университета Эмори и Технологического института Джорджии использовала стержневидные нанокристаллы золота, связанные со специфическими опухолевыми пептидами. Ученые использовали наночастицы золота так, чтобы частицы, достигшие опухолей и других тканей, можно было охарактеризовать количественно. Этот металл не встречается в организмах млекопитающих, поэтому любое золото, обнаруженное в данной опухоли или ткани с использованием высокочувствительного и точного метода, известного как элементарная масс-спектрометрия, без сомнения будет представлять собой введенные наночастицы.

Адресная доставка наночастиц к солидным опухолям – одна из важнейших и наиболее сложных проблем в наномедицине рака, но ее детальные механизмы и принципы разработки все еще остаются не до конца понятыми. Ученые количественно охарактеризовали поглощение класса удлиненных нанокристаллов золота (наностержней), ковалентно связанных со специфическими опухолевыми пептидами. Главное преимущество использования золота в данном случае заключается в том, что накопившийся в опухолях и других тканях металл можно количественно определить с помощью элементарной масс-спектрометрии (золото не является естественным металлом для организма). Наностержни золота, стабилизированные с помощью полиэтиленгликоля (PEG), были связаны с тремя различными лигандами: одноцепочечным фрагментом (ScFv) пептида, распознающего рецептор эпидермального фактора роста (EGER); амино-концевым фрагментом (ATF) пептида, распознающего рецептор активатора плазминогена урокиназы (uPAR) и циклическим пептидом RGD, распознающим рецептор интегрина avβ3. Количественные фармакокинетические данные и данные по биораспределению показали, что специфические лиганды лишь незначительно увеличивали накопление золота в ксенотрансплантатных опухолевых моделях по сравнению с контролем, но их использование существенно изменяло внутриклеточное и внеклеточное распределение наночастиц. При введении наностержней золота с помощью внутривенных инъекций ученые наблюдали, что активное адресное молекулярное взаимодействие с микроокружением (фибробласты, макрофаги, васкулатура) не влияет значительно на поглощение наночастиц опухолью. Эти результаты предполагают, что для фототермической противораковой терапии преимущественным методом введения наностержней золота являются внутриопухолевые, а не внутривенные инъекции. (Фото с сайта pubs.acs.org)

Для проведения своих экспериментов исследователи создали три вида сочетаний наночастиц со специфическими опухолевыми пептидами на поверхности нанострежней золота. Затем они ввели их животным с перевитыми человеческими опухолями, позволив наночастицам циркулировать по организму с током крови, и измерили количество золота, накопившегося в имплантированных опухолях и других тканях. Они повторили свой эксперимент, использую не меченные пептидами наночастицы. Результаты оказались неожиданными, показав, что адресные молекулы лишь незначительно увеличивали количество накопившегося в опухолях золота.

Ученые пришли к выводу, что с целью достижения наибольшей концентрации золота в опухолях наночастицы, разработанные для использования в фототермической противораковой терапии, должны вводиться непосредственно в опухоль, а не путем внутривенных инъекций. В своей статье они также отметили, что эти эксперименты дают основание предполагать, что адресность связывания не является фактором, ограничивающим скорость доставки наночастиц. Более вероятно, что главным барьером на пути накопления наночастиц в опухолях является их переход из крови непосредственно в опухолевую ткань.

Аннотации к статьям:

Dynamic Visualization of RGD-Quantum Dot Binding to Tumor Neovasculature and Extravasation in Multiple Living Mouse Models Using Intravital Microscopy

A Reexamination of Active and Passive Tumor Targeting by Using Rod-Shaped Gold Nanocrystals and Covalently Targeted Peptide Ligands