ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.112.7:616-006
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АГЕНТЫ ДЛЯ ТЕРАНОСТИКИ1
© 2015 г. С. М. Деев*, **, Е. Н. Лебеденко*, #
*ФГБУНИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН,
117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 Поступила в редакцию 01.04.2015 г. Принята к печати 25.04.2015 г.
В мини-обзоре суммированы данные работ за последние 5 лет по созданию универсальной модульной платформы, предназначенной для конструирования супрамолекулярных агентов для терано-стики, на примере мультифункциональных гибридных агентов для визуализации и уничтожения раковых клеток. Описано применение адаптерной белковой системы барназа:барстар для получения адресных мультифункциональных гибридных структур на основе высокоспецифичных пептидов и мини-антител в качестве нацеливающих модулей и рекомбинантных белков и/или наноча-стиц различной природы (квантовые точки, нанозолото, магнитные частицы, наноалмазы, апкон-вертирующие нанофосфоры, полимерные наночастицы) в качестве модулей, обеспечивающих визуализацию и различные виды повреждающего воздействия на раковые клетки. Рассмотрены перспективы создания селективных и высокоэффективных соединений для тераностики и персонифицированной медицины.
Ключевые слова: наноразмерные частицы, надмолекулярные биосовместимые комплексы, адаптерный модуль барназа:барстар, визуализация, опухолевые клетки.
БО1: 10.7868/8013234231505005Х
ТЕРАНОСТИКА КАК НОВАЯ СТРАТЕГИЯ В МЕДИЦИНЕ
Тераностика — дисциплина, которая объединяет диагностику заболевания и персонифицированное лечение пациента с улучшенной эффективностью и безопасностью. Она возникла в последнее десятилетие как новая стратегия в медицине в ответ на колоссальный прогресс в трех не слишком близких областях — исследовании молекулярных механизмов заболеваний, совершенствовании приборов и агентов для получения изображений и визуализации биологических объектов и технологии создании новых наноматериалов. Именно тесное сотрудничество исследователей в этих областях определяет дальнейшее развитие нового направления биомедицинских исследований — тераностики.
1 Статья публикуется по материалам сообщения, представленного на VII Российском симпозиуме "Белки и пептиды"; Новосибирск, 12—17 июля 2015 г.
Сокращения: АСББ — адаптерная система барназа:барстар, КТ — квантовые точки, ЛНА — люминесцентные наноалмазы, ММЧ — магнитные микрочастицы, МНЧ — магнитные наночастицы, НАФ — наноразмерные антистоксовые фосфоры (или антистоксовые нанофосфоры), 4D5scFv — одноцепо-чечный вариабельный фрагмент антитела 4D5, ETA — бактериальный экзотоксин А, HER2/neu — трансмембранный клеточный рецептор из семейства тирозинкиназных рецепторов ErbB человека (HER1-4). #Автор для переписки (тел.: +7 (926)-241-70-30, e-mail: elebedenko@mail.ru).
Выяснение молекулярных механизмов заболеваний и поиск молекулярных мишеней для их диагностики и лечения — важнейшая область исследований, которая входит составной частью в терано-стику и делает ее именно медицинской стратегией. Повышение эффективности терапевтического воздействия на патологический очаг и безопасности для здоровых тканей в большой степени зависит от правильного выбора молекулярной мишени и селективности воздействия на нее. Такой подход применим для диагностики и лечения различных видов заболеваний, таких как онкологические, аутоиммунные, сердечнососудистые, и представляется особенно актуальным в области онкологии. Действительно, за последние два десятилетия подробно изучена сигнальная сеть клетки, активируемая поверхностными рецепторами, выявлены молекулярные механизмы опухолевого перерождения, определены опухолевые маркеры, ассоциированные с конкретными патологиями, установлены молекулярные механизмы воздействия различных агентов на опухолевые клетки. Подробно изучены причины резистентности опухолей к терапевтическому воздействию, в том числе, связанные с особенностями (генотипом) каждого отдельного пациента, а также влияние микроокружения опухоли на развитие патологического процесса и резистентность к терапии [1—3]. При этом стратегическими направлениями в терапии рака становятся определение индивидуального молекулярного профиля заболевания каж-
дого конкретного пациента для персонифицированной терапии и интегральный подход к воздействию на опухоли. В результате основанные на мультидисциплинарных технологиях методы диагностики и лечения все более привлекают внимание как альтернатива традиционным методам [1, 4, 5].
Одним из ключевых компонентов тераностики является диагностический имиджинг (визуализация патологических очагов и их мониторинг в процессе лечения) с высокой чувствительностью и молекулярной специфичностью. Разработка методов молекулярного имиджинга способствовала революционным изменениям в традиционной визуализации, позволив осуществлять пространственную и временную характеристику процессов на клеточном и молекулярном уровне [6]. В зависимости от средств (приборов) молекулярного имиджинга и используемых контрастирующих агентов терано-стический подход может осуществляться путем имиджинга в процессе планирования лечения, выбора лекарства и его дозы и мониторинга хода лечения.
Развитию тераностики способствовал также значительный прорыв в нанотехнологиях при разработках целого ряда материалов нового вида, представляющих собой частицы различной природы (квантовые точки, нанозолото, магнитные частицы, наноалмазы, апконвертирующие нано-фосфоры, полимерные наночастицы) с размерами 1—200 нм и обладающие уникальными физико-химическими характеристиками, не свойственными их аналогам большого размера [7—12]. К таким необычным свойствам наночастиц относятся, например, квантово-размерный эффект в полупроводниковых наночастицах (квантовых точках) [7], суперпарамагнетизм в некоторых оксидных на-ночастицах [10], поверхностно усиленное Раманов-ское рассеяние металлических наночастиц (SERS — surface-enhanced Raman scattering, плазмонный резонанс) [9]. Эти уникальные физические свойства значительно расширили возможности молекулярного имиджинга и физического (теплового, оптического, электромагнитного, акустического) воздействия на клетки, а также способствовали разработке новых высокочувствительных и экономичных тера-ностических агентов [6]. Условно эти агенты можно разделить на следующие виды: оптические (флуоресцентные, фотоакустические, плазмонно-резо-нансные), магнитные, радиоактивные, рентгено-контрастные (наночастицы с высокой электронной плотностью) и СВЧ-чувствительные.
Важной особенностью наночастиц является их развитая поверхность с чрезвычайно большой удельной площадью, пригодная для связывания с различными молекулами. Для биомедицинского применения наночастицы, как правило, покрывают полимерами с различными реакционноспо-собными группами, которые предоставляют широкую возможность интегрировать в наночасти-цы дополнительные функциональные модули,
сообщая им новые свойства. Такая функциональная гибкость наночастиц позволяет использовать их в качестве диагностических или терапевтических агентов, а также одновременно в обоих качествах. По сути, дальнейшее развитие тераностики как нового направления в медицине в большой степени зависит от этой гибкости. Для придания нано-частицам требуемых функций их конъюгируют с различными биомолекулами, например, с адресными лигандами — для специфического связывания с клетками, с лекарственными средствами — для хе-мотерапии, с генами — для генной терапии, а также с различными комбинациями таких агентов — для комбинированного воздействия. Большинство те-раностических наночастиц — липосомы, мицеллы, нанокомпозиты и др., сконструированы из блоков разнообразного химического состава.
Благодаря своим нанометровым размерам, на-ночастицы способны проникать в микроцирку-ляторное русло в организме, а также преодолевать различные биологические барьеры для достижения тканей-мишеней [13]. Размер, поверхностный заряд и гидрофобность наночастиц можно настраивать (регулировать) в процессе получения для минимизации клиренса в почках и печени, увеличения времени циркуляции в кровяном русле и уменьшения потенциальной иммуногенности [14 ].
Суммируя выше изложенное, можно сказать, что тераностический агент должен одновременно обеспечивать следующие возможности: ^направленную доставку к молекулярной мишени, 2) визуализацию патологического очага и его прижизненный имиджинг в процессе лечения, 3) эффективное и селективное воздействие на молекулярную мишень.
ГЕНЕТИЧЕСКИ КОДИРУЕМЫЕ
ТЕРАНОСТИЧЕСКИЕ АГЕНТЫ
Стандартные методы конструирования терано-стических агентов основаны на присоединении адресной молекулы к визуализирующему и/или лекарственному компоненту. В случае, когда оба структурно-функциональных модуля представлены белковыми молекулами, они могут быть объединены в единую полипептидную цепь методами генной инженерии. Генно-инженерный подход к конструированию белковых мультифункциональных тера-ностических агентов позволяет преодолевать целый ряд существенных недостатков традиционных методов химической конъюгации белков: недостаточную воспроизводимость и непостоянство состава конъюгатов, возможное снижение аффинности антитела или эффективности действия токсина, а также наличие примесей неконъюги-рованых антител и токсина в конечном продукте. Еще одним преимуществом рекомбинантных те-раностических агентов является возможность их применения либо в виде белка [15], который может быть наработан в препаративных масштабах в
Исходные компоненты
Рекомбинантные белки
Адресные белки различной специфичности Флуоресцентные белки
Токсины
Фототоксичные белки
(б)
Исходные компоненты
Адресные белки различной специфичности
Белки адаптерной системы барназа:барстар
Визуализирующие агенты
(в)
Исходные компоненты
Адресные белки различной специфичности
Белки адаптерной системы барназа:барстар
Наночастицы
Адресные флуоресцентные белки
Иммунотоксины
Адресные фототоксичные белки
Конъюгаты исходных компонентов с белками АСББ
Супрамолекулярные п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.