«Время живых машин»: Как ученые научились диагностировать рак с помощью наночастиц

В издательстве «Альпина нон-фикшн» выходит книга Сьюзан Хокфилд «Время живых машин. Биологическая революция в технологиях». Она входит в серию «Книги Политеха», которую издает Политехнический музей совместно с разными издательствами. Книга рассказывает о новых открытиях и технологиях, которые изменят нашу жизнь. The Village публикует отрывок из главы о том, как биоинженер и врач Сангита Бхатия вместе с командой разработала новый способ ранней диагностики некоторых типов рака.

Наночастицы борются с раком

Эта глава истории врача Сангхиты Бхатии началась в 2000 году, когда она с коллегами исследовала способы, с помощью которых наночастицы могли бы проводить контрастные препараты через кровоток в определенные ткани организма, — таким образом врачи и исследователи получили бы более четкое изображение пораженной болезнью ткани. В то же время ученые пытались понять, как можно использовать наночастицы для доставки лекарств, чтобы устранить болезнь в определенной ткани. Если, к примеру, вы подозреваете заболевание печени, можно ввести в нее специальные диагностические наночастицы, которые помогут выяснить, находится ли заболевание в активной стадии; если появляются признаки заболевания печени, то вы можете использовать другие наночастицы, чтобы доставить лекарство как раз туда, где оно нужно больше всего.

Идеальная наночастица, несущая либо контрастное вещество, либо лекарство, избирательно присоединяется к своей цели, проходя через все остальные виды тканей. Такая сложная работа на перекрестке наук требовала большого разнообразного опыта, и Бхатия более 15 лет сотрудничала с двумя коллегами в Университете Калифорнии в Сан-Диего — Майклом Сэйлором и Эркки Руослати. Сэйлор, химик и специалист по материаловедению, сосредоточил свои усилия на том, чтобы определить, как создавать наночастицы из новых материалов, таких как пористый кремний (одно из основных веществ, используемых при производстве полупроводников) и оксид железа — вещество, видимое на сканере МРТ. Руослати, который теперь работает в Институте Стэнфорд — Бернхам и Университете Калифорнии в Санта-Барбаре, долгое время изучал семейство составляющих наружный слой клетки адгезивных белков, позволяющих определенным видам клеток собираться вместе и составлять многоклеточные организации.

Вместе трое ученых начали исследовать, как они могут соединить наночастицы Сэйлора с последовательностями липких адгезивных белков Руослати так, чтобы они присоединялись к определенным местам тканей — например, к кровеносным сосудам опухоли. Тогда белковые последовательности служили бы «почтовым индексом», который проводил бы наночастицы через кровоток до желаемого «адреса» в нужной ткани. Оказавшись на месте, адгезивные белки присоединились бы к ткани вместе с прикрепленными к ним наночастицами.

Если эти частицы могут быть обнаружены с помощью МРТ, то ткань также становится видимой для сканера. Идея была заманчивой. Бхатия знала, что наночастицы оксида железа особенно хорошо видны при МРТ, поэтому она и ее коллеги попытались соединить белковые «индексы» Руослати с наночастицами оксида железа Сэйлора, но столкнулись с проблемой. Поскольку наночастицы очень малы, для того, чтобы стать видимыми на сканере МРТ, ученые должны были создавать их скопления с определенной критической плотностью, но эти кластеры, как оказалось, слишком велики, чтобы пройти через кровоток в маленьких капиллярах, которые могут доставить их в определенные ткани.

Бхатия поняла, что требуется другая стратегия. Она должна была придумать, как доставить наночастицы в нужном количестве и с необходимой плотностью для того, чтобы они были видимы при МРТ, но не создавать больших скоплений, способных закупорить капилляры, по которым должны пройти наночастицы. Проблема была сложной, но исследовательница в конце концов нашла решение: что, если она сможет создать наночастицы, которые будут группироваться по требованию, уже в самой ткани? То есть что, если она сможет сделать наночастицы, которые станут по отдельности проходить по кровотоку, а затем группироваться в кластеры тогда, и только тогда, когда доберутся до нужной ткани?

Вместо того чтобы придавать наночастице белковый «индекс», который доставит ее по «адресу» определенной ткани, Бхатия представила себе новый вид «меток», которые будут использовать биологические свойства целевой ткани, чтобы заставить наночастицы группироваться только в ней. Бхатия и ее команда приступили к работе. Во-первых, они сделали два набора наночастиц, при этом каждый набор имел одного члена из пары белков, которые обычно связываются друг с другом с большой авидностью. Когда два набора помеченных белками наночастиц контактировали друг с другом, они связывались и образовывали большие скопления.

Чтобы не дать наночастицам связаться и образовать кластер во время движения по кровотоку, команда Бхатии придумала «щит», чтобы спрятать связывающие белки друг от друга. Для этого щита они использовали инертное вещество (полиэтиленгликоль, ПЭГ) и привязали его к наночастице, применив короткий сегмент белка. Щиты ПЭГ позволили наночастицам, связывающие белки которых теперь были спрятаны, проходить через кровоток, не соединяясь друг с другом и не перекрывая кровеносные сосуды. (Щиты ПЭГ давали и дополнительное преимущество, изолируя наночастицы от защитных механизмов организма, с которыми встречается все, что движется по кровотоку. Защитные механизмы обнаруживают и удаляют из организма чужеродные вещества, а щит ПЭГ скрывал наночастицы и от них.)

Теперь команда была готова послать наночастицы через кровеносную систему — в том числе и через самые мелкие ее капилляры — на поиски целевой ткани. Ученые провели ряд тестов, и их новая стратегия работала именно так, как они и надеялись: по пути наночастицы не формировали скоплений. Вместо этого они легко проходили через кровоток, а защитные механизмы организма не обнаруживали и не удаляли их. Следующей трудностью было собрать частицы, когда они доберутся до целевой ткани. Со щитами наночастицы не будут группироваться в кластеры, поэтому Бхатии и ее команде предстояло понять, как убрать эти щиты, но только в нужном месте. При решении задачи Бхатии пришла прорывная идея: что, если она сможет присоединить задание по удалению щита к какой-либо характерной для ткани деятельности? Воплощая эту мысль в жизнь, исследовательница разработала гениальную стратегию: она присоединит щиты к наночастицам белком, который целевая ткань разрушит, используя свои собственные, характерные для нее ферменты.

Ферменты — это белки, которые с высокой избирательностью катализируют (ускоряют) те или иные биологические процессы. Некоторые из них приспособлены к расщеплению других молекул. Они встречаются в тысячах разновидностей, каждый можно обнаружить в определенном месте, и он имеет свои собственные цели. Такие ферменты работают как ножницы для молекул — каждый из них «обрезает» особую молекулу, которую называют субстратом фермента. Для многих ферментов субстратами являются белки, и они расщепляют в целевом белке особую последовательность аминокислот. С помощью этого разрезания белка на месте определенной аминокислоты ферменты выполняют чрезвычайно важные функции: они могут превратить неактивные формы белков в активные фрагменты или активные белки в неактивные фрагменты.

Среди значимых свойств ферментов есть и такая особенность: когда фермент разрезает свой субстрат, он сам не становится неактивным. Одна-единственная молекула фермента может действовать снова и снова, расщепляя большое количество определенных молекул субстрата всегда в конкретном месте. Также он может делать свою работу очень быстро. Некоторые ферменты способны «разрезать» 1 000 или даже 10 000 молекул субстрата за секунду. Избирательность и скорость действия фермента делают возможными некоторые чрезвычайно селективные и эффективные биологические процессы, такие как свертывание крови, переваривание пищи и движение клеток при распространении метастазов.

Бхатия разработала способ использовать действие ферментов для группировки своих наночастиц. Она начала с определения ферментов, специфичных для тех или иных тканей, и сконструировала белковый фрагмент, содержащий последовательность аминокислот, которую распознает определенный фермент. Затем исследовательница использовала этот конкретный фрагмент белка, чтобы связать щит ПЭГ с наночастицей, полагая, что, когда наночастицы доберутся до ткани, ее ферменты узнают связанные белки и отрежут их. Рассечение освободит щит и обнажит связующие белки, которые были им укрыты. Раскрытые связующие белки найдут друг друга и соединят наночастицы.

Соединив эти сложные наночастицы, Бхатия и ее команда могли сосредоточиться на компонентах. Для этой цели они прикрепили маркеры, чтобы удостовериться: частицы, соединяющие белки и щиты со своими связками, прикрепляются правильно. Ученые использовали флуоресцентную метку, которая следовала бы за белком, присоединяющим наночастицу к щиту ПЭГ.

Слишком сложно! Или, как говорил мой научный руководитель, когда я предлагала ему диковинные многоуровневые стратегии научных исследований: «Экспериментальная акробатика обречена на провал». Но в руках Бхатии акробатика работала прекрасно. В 2006 году исследовательница со своей командой сообщили об успешной группировке наночастиц в клеточной культуре посредством ферментов, а в 2009 году продемонстрировали тканеспецифичную доставку и визуализацию наночастиц в селезенке и костном мозге. Это была великолепная работа.

Придумав гениальную комбинацию связывающих белков и удаляемый ПЭГ щит, который Бхатия называла «синтетическим биомаркером», ученые нашли успешный и практически осуществимый метод, чтобы заставить наночастицы сгруппироваться в целевой ткани. Это означало, что теперь они могут воспользоваться МРТ, чтобы заглянуть внутрь этой ткани. Если сканер найдет в ней патологический процесс, исследователи смогут переработать ту же стратегию работы с наночастицами, чтобы отправить конкретное лекарство непосредственно в саму ткань, где наночастицы сгруппируются, чтобы лекарство в высокой концентрации воздействовало в определенном месте, скоординированно и прицельно.

Метод Бхатии во всех отношениях применим для диагностики и лечения заболеваний различных органов тела — например, для обнаружения опухоли или отслеживания повреждения печени из-за прогрессирующего заболевания. Но Бхатия быстро обнаружила еще одно, менее очевидное его применение, которое первоначально не было в центре внимания. Благодаря своей способности делать неожиданные открытия исследовательница обнаружила, что ее новая технология наночастиц может обеспечить более быстрый и чувствительный метод диагностики рака и других заболеваний.