В отличие от здоровых клеток раковые клетки обожают, когда вокруг мало кислорода. Опухоли в среде с его низким содержанием, как правило, более устойчивы к терапии и более агрессивно метастазируют.

Данные об уровне кислорода в опухолях могли бы помочь врачам в принятии решения о методах лечения, но в настоящее время надежных и неинвазивных способов провести такие измерения просто не существует. Однако новый датчик, разработанный в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT), может изменить эту ситуацию: исследовательская группа под руководством профессора Майкла Сима (Michael Cima) изобрела инъецируемое устройство, показывающее уровень кислорода в течение нескольких недель. Информация с этого датчика считывается посредством магнитно-резонансной томографии (МРТ).

По мнению авторов разработки, описанной в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, использование датчика подобного типа поможет врачам лучше определять дозы облучения и вести мониторинг результатов проведенной терапии.

«При принятии решения о назначении того или иного метода лечения вам бы очень не помешали некоторые цифры, на которые можно положиться», – говорит ведущий автор статьи Винсент Лю (Vincent Liu), аспирант лаборатории профессора Сима в Институте интегративных исследований рака имени Дэвида Коха (Koch Institute for Integrative Cancer Research) MIT.

Инъецируемое устройство выполнено из двух типов силикона, один из которых обеспечивает МРТ-сигнал (dodecamethylpentasiloxane, DDMPS), а второй (polydimethylsiloxane, PDMS) выполняет функцию матрикса. Это первый датчик МРТ-сигнала, когда-либо изобретенный для работы с этой технологией, который может быть оставлен в организме на длительное время – на сегодня, в экспериментах на крысах, до четырех недель.

В технологии МРТ используются магнитные поля и радиоволны, которые, взаимодействуя с находящимися в организме протонами, позволяют получить детальное изображение внутренних органов и тканей. Введение веществ с магнитными свойствами, известных как контрастные агенты, помогает повысить контрастность некоторых тканей, но эти агенты, как правило, разрабатываются с расчетом на быстрое разрушение после проведенной диагностики.

Имплантируемым в организм МРТ-датчикам, сделанным их двух форм силикона, можно придать форму цилиндров различных размеров.
(Фото: courtesy of the researchers)

Врачи часто используют МРТ для диагностики опухолей, но в настоящее время этот метод позволяет определить только размер и местоположение опухоли. Новый датчик позволит врачам отслеживать состояние опухоли и предсказывать, как она будет отвечать на лучевую терапию.

Радиация убивает опухолевые клетки, инициируя повреждение ДНК, но, чтобы закончить работу, необходим кислород. Точная информация об уровнях присутствующего кислорода поможет врачам рассчитать необходимую дозу облучения. Кроме того, измерение уровня кислорода позволит выявить метастатический потенциал опухоли: новообразования с более низким уровнем кислорода проявляют тенденцию к более агрессивному метастазированию.

В новом МРТ-датчике использованы две формы силикона – твердая, называемая PDMS, и имеющая маслянистую консистенцию, известная как DDMPS. Растворив маслянистый DDMPS в PDMS, можно получить так называемый «набухший полимер». Исследователи сделали из этого полимера 1,5-миллиметровый датчик, который можно имплантировать в ткань во время биопсии. Кроме того, они создали более мелкие частицы (десятки микрон в длину), которые можно вводить через иглу. После введения частицы слипаются, образуя твердый датчик. DDMPS поглощает молекулярный кислород, что изменяет спины протонов внутри силикона – феномен, который может быть обнаружен с помощью МРТ. Уровень присутствующего кислорода количественно оценивается измерением сдвига в сигнале МРТ.

Для проверки эффективности своих датчиков исследователи имплантировали их в задние лапы крыс, а затем измерили, как изменялся сигнал, если крысы дышали чистым кислородом, обычным воздухом, а затем снова чистым кислородом. Датчики обнаружили изменения в давлении кислорода в 15 миллиметров ртутного столба, а чтобы увидеть эффект от изменения вдыхаемого газа потребовалось менее 10 минут.

При повторении эксперимента через четыре недели датчики дали те же результаты.

Суспензия микрочастиц, которые после введения в организм слипаются, образуя датчик.
(Фото: Vincent Liu and Jay Sy)

По мнению Ральфа Вайследера (Ralph Weissleder), профессора Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) и директора Исследовательского центра молекулярной визуализации (Center for Molecular Imaging Research) Массачусетской общей больницы (Massachusetts General Hospital), это тип датчика представляет новый способ мониторинга эффективности лечения онкологических больных.

«Онкология, конечно же, очень нуждается в чем-то подобном», – говорит профессор, не принимавший участия в данной работе. «Способы, которыми мы сейчас измеряем напряжение кислорода, довольно громоздки и не количественны, и поэтому их по существу никто и не использует».

Датчик такого типа может быть с успехом применен и для мониторинга кровотока у больных сахарным диабетом или у людей с тяжелыми травмами. Кроме того, предполагают исследователи, он может помочь ученым глубже понять биологию опухолей.

«В отличие от изучения только генетического профиля опухолевых клеток, он может показать и то, как они взаимодействуют с окружающей опухоль стромой. Напряжение кислорода, как бы просто это ни звучало, является хорошим показателем того, что происходит в опухоли», – подчеркивает профессор Сима.

В настоящее время исследователи работают над датчиками, которые могут быть использованы для мониторинга других биологических параметров, например, рН.

«Мы надеемся, что это только первый из многих типов твердотельных контрастных агентов, материал которых реагирует на окружающую их химическую среду таким образом, что мы сможем обнаружить эту реакцию с помощью МРТ», – заключает профессор Сима.

Оригинальная статья

Solid MRI contrast agents for long-term, quantitative in vivo oxygen sensing