По данным Всемирной организации здравоохранения, все больше людей страдает от хронических болезней. Только от раковых поражений дыхательных путей в 2012 году умерли 1,6 млн человек по сравнению с 1,2 млн в 2000-м. В России, по информации Росстата, злокачественные новообразования приводят к гибели 300 тыс. человек в год – это вторая причина смертности после болезней системы кровообращения.
Поиск эффективного средства борьбы с раком – одна из важных задач для ученых всего мира. Однако существующие пока варианты не только лечения, но и диагностики осложняются большим числом побочных действий. Препараты, идентифицирующие злокачественные новообразования и воздействующие на них, губят также здоровые клетки. Идеальный вариант – разработка технологии, позволяющей адресно работать с пораженной областью. Около десяти лет специалисты Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) и Московского физико-технического института (МФТИ) занимаются этим. Результат – изобретение магнитных полимерных микросфер. Сами исследователи называют их «булочками с изюмом».
Умные таблетки
В роли «изюма» здесь, как говорит руководитель исследований и заведующий лабораторией ИОФ РАН Петр Никитин, выступают магниты. В «тесто» для «булочки» замешиваются суспензия магнетита в стироле, персульфат калия и перекись бензопила (инициаторы полимеризации стирола), додецилсульфат натрия (поверхностно-активное вещество, ПАВ), цетиловый спирт (вспомогательный компонент) и вода. Обычно ученые действуют схожим образом, но не применяют магнетит. Берут суспензию лекарства в воде, добавляют ПАВ, чтобы оно лучше рассеивалось, все перемешивают, а потом вводят стирол и какой-либо инициатор полимеризации. В итоге получается, если глядеть под микроскопом, лекарство в пластиковой «упаковке».
Получается, если глядеть под микроскопом, лекарство в пластиковой «упаковке»
Благодаря использованию магнетита удалось достичь высокой магнитной восприимчивости полученного вещества. Измерения показали, что эту субстанцию можно использовать в иммуномагнитометрическом анализе. Исследование опухолей предлагается осуществлять путем регистрации мест локализации магнитных частиц с мини-антителами, селективными к пораженным клеткам. Разработанный метод уже был успешно использован как для инвазивных, так и для неинвазивных опухолей in vivo с мелкими животными. Результаты продемонстрировали возможность замены радиоактивных маркеров на магнитные в целом ряде применений. Речь не только о диагностике, но и, например, об оценке результатов адресной доставки лекарственных препаратов.
При этом с помощью специального прибора, также разработанного в лаборатории ИОФ РАН, магнитные микросферы можно буквально «довести» до нужных областей в организме. «Начинка» у этих частиц может быть разной, в зависимости от поставленной задачи. Сфера применения не ограничивается борьбой с раком: можно, например, ликвидировать тромб, который блокирует нормальное кровообращение головного мозга и ведет к гибели его клеток. Но есть еще одна задача: заставить наночастицу самостоятельно определять нужную клетку, чтобы лекарство «нацеливалось» на пораженную область. Один из соавторов исследования, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ Максим Никитин, рассказывает, что существующие методы различают больные клетки от здоровых лишь по определенным веществам на их поверхности – маркерам. Однако в случае таких заболеваний, как рак, одни и те же маркеры присутствуют как на здоровых клетках, так и на больных. На последних их просто больше. Получается, что здоровой клетке препарат может навредить.
Есть метод, с помощью которого наночастица может анализировать несколько параметров, чтобы «прицел» был более точным. В его основе – биокомпьютинг. Частицы могут производить вычисления с помощью биохимических реакций на основе логический функций «да», «нет», «и», «или». Например, в области воспаления выделяются цитокины – сигнальные вещества. Когда наночастица с лекарством сосчитает, что их концентрация высока, то она поменяет свою структуру и сможет атаковать вредную клетку. Если число цитокинов некритично, то просто обойдет ее стороной. Все выглядит просто и понятно, но до реализации этого метода еще далеко. Максим Никитин отмечает, что исследователи пока находятся в начале пути и до клинических испытаний пройдет еще лет десять.
Тест-полоска для диагностики рака
А вот еще одна методика может быть реализована уже скоро. Новая технология, основанная на использовании магнитных наночастиц, может сделать процедуру биохимического анализа жидкостей в разы более точной. При этом по простоте разработка сопоставима с обыкновенным тестом на беременность.
Система обладает высокой чувствительностью, но позволяет проводить измерения в широком диапазоне: верхний порог определяемой концентрации превышает нижний более чем в 4 тыс. раз. Это значит, что работать можно как в очень разбавленном, так и очень насыщенном растворе.
Анализ проводится с помощью небольшой полоски с двумя реакционными линиями. С одной из сторон наносится капля исследуемой жидкости. Через некоторое время результат проявляется активацией либо одной, либо двух линий. Тест-полоска может долго храниться до использования. Исследование занимает мало времени, не требует специально обученного персонала.
Магнитные наночастицы на молекулярном уровне «сшиваются» с антителами к нужному белку, и затем их наносят на пористую пластину неподалеку от предполагаемого места контакта с раствором. Жидкость, распространяясь за счет капиллярного эффекта, захватывает магнитные частицы. Далее она встречает две линии – тестовую и контрольную. Тестовая содержит антитела, которые задерживают белок и заодно те магнитные метки, которые с ним соединились. А контрольная – только антитела с магнитными метками. То есть она показывает пригодность теста к использованию.
Научный сотрудник ИОФ РАН Алексей Орлов говорит, что использование магнитных частиц имеет большое преимущество перед традиционными методами, основанными на применении флуоресцентных или окрашенных меток. «С их помощью можно проводить анализ, даже окунув тест-полоску в полностью непрозрачную жидкость, скажем, определять вещества непосредственно в цельной крови. Точное численное измерение выполняется электронным способом с помощью портативного прибора. Ситуации «то ли да, то ли нет» абсолютно исключены», – уверяет ученый.
Новую систему проверили путем измерения в крови 0,025 нанограмма на миллилитр (при норме до 4 нанограмм) простат-специфического антигена (ПСА) – одного из маркеров при диспансеризации мужчин. Он позволяет диагностировать рак предстательной железы, а в криминалистике применяется для обнаружения следов семенной жидкости. Исследователи говорят, что такая чувствительность определения ПСА достаточна, чтобы понять, не начался ли рецидив после удаления пораженной раком предстательной железы. Тест способен не просто показать выход какого-либо показателя за пределы норматива, но и легко проследить за динамикой концентрации белковых маркеров заболеваний.
В новой тест-системе исследователи использовали собственную запатентованную методику MPQ (от англ. Magnetic particle quantification), мировых аналогов у нее нет. Сфера возможного применения не ограничивается областью диагностики болезней. Биосенсор позволяет, например, проводить анализы пищевых продуктов и лекарств или же осуществлять экомониторинг. И все это в «полевых», а не лабораторных условиях! Авторы методики рассчитывают на скорый переход разработки от прототипа к серийному производству.
Галия Шакирова
