Можно ли использовать нанотехнологии для лечения рака?
Может ли следующее большое изменение в лечении рака быть крошечным? Существует множество причин, по которым рак является таким сложным для лечения заболеванием. Ученые могут либо пытаться придумать новые и лучшие лекарства от рака, либо найти лучшие способы доставки лекарств онкологическим больным. В этой статье описывается возможный новый способ доставки лекарств от рака с помощью так называемых наночастиц - крошечных, похожих на губку материалов, внутри которых находятся лекарства от рака. Ученые надеются, что наночастицы улучшат доставку лекарств от рака в опухоли. Помещая лекарство внутрь наночастицы, мы сможем защитить здоровые клетки организма от этих сильных лекарств и, возможно, сможем использовать меньшую дозу лекарства для лечения пациента. Эта интересная технология все еще изучается и совершенствуется, но однажды она может быть использована в качестве эффективной стратегии лечения раковых больных.
Введение
Несмотря на многочисленные усовершенствования в области лечения рака, лечить его по-прежнему довольно сложно. Одна из причин заключается в том, что лекарства от рака, называемые химиотерапией, могут быть довольно сложными для пациента. Лекарства довольно сильные, и пациенты, принимающие химиотерапию, могут испытывать такие побочные эффекты, как усталость, выпадение волос, потеря веса и боль. Что, если бы мы могли использовать специальное устройство, чтобы пациент с раком мог получать химиотерапию только в раковых клетках, не причиняя вреда здоровым клеткам? Именно эту цель преследуют исследователи, разрабатывающие новые способы доставки лекарств только к раковым клеткам. Эти способы доставки лекарств к раковым клеткам называются транспортными средствами доставки лекарств (DDV). Есть надежда, что если химиотерапия будет достигать только раковых клеток, а здоровые клетки останутся нетронутыми, то, возможно, больные раком смогут получать меньшую дозу лекарства и иметь меньше сильных побочных эффектов, которые обычно возникают при химиотерапии. Некоторые виды DDV уже используются для лечения раковых больных, а некоторые все еще разрабатываются в исследовательских лабораториях, чтобы усовершенствовать их и убедиться в их безопасности, прежде чем их можно будет испытать на людях.
Основная проблема, с которой сталкиваются ученые, пытающиеся разработать хорошие ДДВ, заключается в том, чтобы понять, как направить их именно в раковые клетки. Одно из решений - использование некоторых свойств раковых клеток, отличных от свойств здоровых клеток [ 1 ].
Раковая клетка
Рак - это сложное заболевание, при котором клетки растут не так, как нормальные, здоровые клетки. Нормальная клетка в организме делится до тех пор, пока не станет "старой" или не будет повреждена, тогда она умирает особым способом, который называется запрограммированной клеточной смертью. Деление с последующей запрограммированной гибелью клеток - это тонко настроенный процесс, который происходит в клетках всего нашего тела! Но раковые клетки не получают сигнала о прекращении деления, в результате чего происходит неконтролируемый рост клеток, и они могут превратиться в массу раковых клеток, называемую опухолью. Клетки в опухоли имеют преимущество в выживании, потому что в опухоли часто прорастает множество кровеносных сосудов, что позволяет им получать питательные вещества и продолжать расти. Еще одно отличие раковых клеток от нормальных заключается в том, что, поскольку они растут так быстро, на их поверхности может быть больше молекул, называемых поверхностными рецепторами, чем у нормальных клеток. Эти рецепторы могут распознавать особые питательные вещества вне клетки и доставлять их внутрь клетки, чтобы использовать для продолжения роста.
Исследователи могут воспользоваться этими различиями между опухолевыми/раковыми и нормальными клетками, чтобы попытаться направить DDV в раковые клетки и избежать здоровых клеток. DDV легче проникают в опухоли, чем в здоровые ткани, потому что дополнительные кровеносные сосуды делают опухоли более проницаемыми для крошечных DDV, и если DDV попадает внутрь опухоли, он остается там дольше (рис. 1). Это означает, что если DDV сможет надежно удерживать внутри себя лекарство от рака до тех пор, пока оно не попадет в опухоль, то это может стать ключом к целенаправленной терапии рака, когда лекарство доставляется в раковые клетки, а не в здоровые.
Транспортные средства для доставки лекарств из наночастиц
Исходя из того, что мы знаем о свойствах раковых клеток и опухолей, существует несколько требований к разработке ПДВ. Во-первых, DDV должен быть изготовлен из материала, который не должен быть вреден для человека, получающего его. Во-вторых, DDV должен быть достаточно маленьким, чтобы попасть в опухоль через поверхностные рецепторы и кровеносные сосуды. В-третьих, DDV должен быть способен переносить лекарство от рака внутри себя и удерживать его до тех пор, пока не достигнет раковой клетки, где лекарство должно высвободиться. Четвертое требование, которое не нужно для пациента, но необходимо для ученых, которые хотят изучать DDV, заключается в том, что мы должны иметь возможность каким-то образом отслеживать DDV, чтобы знать, куда он попадает в организме и способен ли он попасть в раковые клетки.
В этих экспериментах исследователи использовали тип DDV, называемый наночастицами. Наночастицы - это очень крошечные частицы (примерно в 1000 раз меньше, чем диаметр одной пряди ваших волос!). Наночастицы, использованные в этом исследовании, сделаны из кремнезема, разновидности стекла, и имеют маленькие поры или отверстия, похожие на губку, чтобы лекарство от рака могло храниться внутри.
Известно, что чем меньше наночастица, тем легче ей удержаться внутри опухоли [ 2 ]. Это может позволить опухоли получить высокую дозу лекарства от рака, когда оно высвобождается из наночастицы. Поскольку наночастицы похожи на маленькие губки, мы можем легко поместить в них лекарства, но если лекарство не останется в наночастице до тех пор, пока она не достигнет опухоли, то, как только пациент получит дозу наночастиц, лекарство начнет медленно вытекать! Это не защитит здоровые клетки и не поможет нам получить высокую дозу лекарства непосредственно в опухоль.
Чтобы лекарство оставалось внутри наночастиц до тех пор, пока они не доберутся до опухоли, мы можем использовать стратегию, при которой к поверхности наночастиц присоединяются молекулы, блокирующие маленькие отверстия в "губке", - эти молекулы называются молекулами-привратниками. Если мы разработаем молекулы-привратники таким образом, что отверстия в наночастицах будут полностью заблокированы, лекарство не сможет вытечь наружу. Мы можем создать молекулы-привратники, способные менять свою форму в различных условиях, чтобы, когда наночастицы попадут в опухоль, молекулы-привратники "открыли" поры и лекарство могло быть доставлено. Если молекулы привратника не смогут полностью заблокировать отверстия или изменить свою форму до того, как наночастицы попадут в опухоль, то часть лекарства вытечет наружу, поэтому важно иметь хорошо сконструированный привратник.
Один из способов изменить форму молекул-привратников - нагреть их. Для этого эксперимента мы используем специальную машину, называемую индукционным нагревателем. В этой машине есть специальная катушка с электрическим током внутри, и ток создает магнитное поле вокруг катушки. Если поместить в катушку металлический предмет, например отвертку, она может нагреть металл до очень высокой температуры.
К счастью, нам не нужно сильно нагревать наночастицы, чтобы заставить молекулы привратника изменить свою форму! Так, если поместить внутрь наночастицы крошечный кусочек металла, мы сможем использовать этот индуктивный нагревательный прибор для мягкого нагрева области опухоли, изменяя форму молекул привратника, чтобы поры открылись и лекарство было доставлено, но не нагревая ее настолько сильно, чтобы сжечь или убить клетки (рис. 2).
Наконец, мы можем сделать наши наночастицы флуоресцентными (они светятся зеленым, когда мы смотрим на них с помощью специальной лампы), чтобы мы могли с помощью микроскопа видеть, где они находятся. Это позволит нам проследить за ними, чтобы узнать, смогли ли они проникнуть внутрь опухоли.
Эксперимент
Как только нам удалось создать наночастицы, обладающие всеми этими качествами (лекарство от рака внутри, молекулы-привратники на поверхности и крошечные металлические частицы внутри, чтобы мы могли использовать индукционный нагреватель для высвобождения лекарства), мы использовали их, чтобы проверить, что происходит внутри раковых клеток. Для этого эксперимента мы не использовали животных или людей, больных раком, а испытали наночастицы на клетках рака молочной железы, которые мы смогли вырастить в лаборатории. Мы попробовали три разных условия с клетками рака молочной железы. Одна группа клеток получила наночастицы с лекарством, но не получила индуктивного нагрева, другая - наночастицы без лекарства, но с индуктивным нагревом, третья - наночастицы и индуктивный нагрев [ 3 ]. На рисунке 3 вы можете видеть контур клеток рака молочной железы, выделенный серым цветом. Желто-зеленые пятна - это наши наночастицы, а красные - лекарство от рака, которое вышло из наночастиц и попало в клетки. Мы надеялись, что, когда мы используем наночастицы в полном составе в качестве DDV, мы увидим, как раковые клетки умирают!
Когда мы поместили наночастицы в клетки, но не включили нагревательный прибор, мы увидели, что около 5 % клеток рака молочной железы погибли (посмотрите на левую часть рисунка 3). Это означает, что часть лекарства от рака вытекла из наночастиц. В середине рисунка 3 мы дали клеткам наночастицы без лекарства от рака, только крошечные металлические кусочки. Когда мы поместили эти клетки в нагревательный прибор на 5 минут, около 17 % клеток погибли. Это означает, что даже без лекарства наночастицы выделяли достаточно тепла, чтобы убить некоторые клетки рака молочной железы. Наконец, когда мы соединили лекарство от рака и металлические частицы и нагрели клетки, мы увидели, что 37 % раковых клеток погибли. Мы могли видеть лекарство от рака внутри клеток (красным цветом), а также то, что клетки стали круглыми, что является признаком клеточной смерти.
Заключение
Эксперименты показали, что наша наночастица DDV - многообещающее начало для доставки лекарств от рака в раковые клетки, но есть способы, которыми мы должны попытаться улучшить эту систему. Мы можем изменить дизайн наночастиц, чтобы убедиться, что ни одно лекарство от рака не вытекает до того, как наночастицы достигнут раковых клеток. Мы также можем попытаться уменьшить количество времени, на которое нужно включать нагревательную машину, чтобы найти безопасную зону, где ни одна из клеток не погибнет от тепла. Несмотря на то что уже существуют некоторые другие ДДВ с наночастицами, которые можно использовать на реальных раковых больных, наш метод еще нуждается в доработке, прежде чем его можно будет испытать на людях. Если наш ДДВ с наночастицами удастся усовершенствовать настолько, что он станет доступным для лечения раковых больных, мы надеемся, что эти пациенты будут испытывать меньше негативных побочных эффектов химиотерапии, чем при обычном ее проведении. Возможно, следующим большим изменением в лечении рака станет маленькое, или наноразмерное, решение!
