БНЗТ: поиски таргетных борсодержащих препаратов

В Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН ученые продолжают поиски препаратов адресной доставки изотопа бора в опухолевые клетки для бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Специалисты нескольких научных лабораторий, работающих над этой темой, рассказали о текущем состоянии разработок и о ближайших планах.

В Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН был создан ускорительный источник нейтронов для БНЗТ, который формирует пучок частиц определенной мощности и направляет его на опухолевую ткань. Однако одной такой установки для реализации данного метода недостаточно. Перед облучением пациента необходимо, чтобы опухоль содержала изотоп бора — бор-10 — в количестве, достаточном для эффективного проведения реакции ядерного распада этого изотопа.

Два борсодержащих препарата — борфенилаланин и боркаптат натрия — уже давно используются для доставки бора в опухолевую ткань, например в Японии, Швеции, Финляндии, США, Китае и других странах. Чтобы реакция БНЗТ прошла эффективно и раковые клетки погибли, необходимо 20 миллиграммов изотопа бора на один грамм злокачественной ткани. В то же время некоторое количество борсодержащих препаратов может попасть и в здоровые ткани, что приводит к их повреждению. Таким образом, основная задача — создать препарат, который будет адресно доставлять изотоп бора в клетки опухоли. На данный момент разработкой новых таргетных препаратов для БНЗТ в ИХБФМ СО РАН занимаются несколько лабораторий: биотехнологии, химии РНК и органического синтеза.

В лаборатории биотехнологии ИХБФМ СО РАН специалисты тестируют борсодержащие таргетные молекулы — соединения, которые могут специфически связываться с опухолью и доставлять бор в необходимом количестве в опухолевые клетки. Эта работа требует времени, и пока говорить о том, что удалось создать какой-либо препарат, нельзя. «На настоящем этапе мы исследуем специфичность нескольких кандидатных молекул в отношении опухоли, изучаем их проникновение в опухолевые клетки и характер внутриклеточного распределения. Таргетное соединение, показавшее наибольшую эффективность, будет предложено для доклинических испытаний», — поясняет научный сотрудник лаборатории биотехнологии кандидат биологических наук Майя Александровна Дымова. «Для более глубокого понимания данной темы можно почитать наш обзор Bor on neutron capture therapy: Current status and future perspectives в журнале Cancer Communications, посвященный основам метода, текущему состоянию исследований, клиническим испытаниям метода БНЗТ, а также перспективам его развития».

Необходимо отметить, что при проведении БНЗТ очень важно знать полную дозу облучения, которая складывается из нескольких составляющих: борной, азотной, дозы быстрых нейтронов и дозы от гамма-излучения. Вклад трех последних составляющих — небольшой, к примеру, энергия γ-квантов составляет около 17 % всей выделяющейся энергии, но средний пробег γ-излучения в биологической ткани большой — 40 см, что обуславливает токсические эффекты в отношении здоровых тканей. Таким образом, помимо разработки новых таргетных борсодержащих препаратов, ученые должны определить вклад каждого компонента дозы, чтобы при клинических испытаниях уметь минимизировать токсический эффект от любой из составляющих общей дозы облучения. Для оценки вклада различных составляющих облучения в общую дозу, полученную при БНЗТ, сотрудники ИЯФ и ИХБФМ СО РАН исследуют влияние различных типов излучения на жизнеспособность клеток и изменяют условия облучения, сводя к минимуму токсические эффекты для живых клеток. 

В лаборатории органического синтеза ИХБФМ СО РАН для БНЗТ предлагают использовать тераностики на основе молекул альбумина — препараты, позволяющие объединить терапию и диагностику.

Для транспортирования лекарства и его визуализации ученые применяют альбумин — основной белок в крови человека. Дело в том, что, когда опухолевые клетки интенсивно делятся, им нужны аминокислоты, источником которых служит в том числе альбумин. «Есть специальные рецепторы, которые обеспечивают его проникновение в опухолевые ткани. Если мы к этому белку присоединим терапевтический и визуализирующий препараты (например, борсодержащую молекулу и флуоресцентный краситель), то за счет природного механизма поглощения альбумина опухолевыми клетками будет возможно доставлять к ним средства обоих типов», — говорит заведующий лабораторией органического синтеза ИХБФМ СО РАН доктор химических наук Владимир Николаевич Сильников.

Для бор-нейтронозахватной терапии специалисты предлагают, помимо борсодержащих молекул, дополнительно вводить терапевтические нуклеотиды, содержащие атомы фтора. При введении пациенту борсодержащего препарата, используя томографию на ядрах атомов фтора, врач сможет видеть область опухоли, а значит, будет способен более точно направить пучок нейтронов. В случае, если опухолевая клетка не погибла в результате облучения, в действие вступит противоопухолевый препарат. Таким образом, применение таких тераностиков позволит вместо трех препаратов вводить только один, что должно существенно снизить лекарственную нагрузку на пациента.

В планах ученых — попытаться максимально снизить стоимость терапии. «Альбумина в организме достаточно много, и его несложно выделить из плазмы крови. Однако, когда на его основе создается лекарственный препарат, возникает проблема его очистки от различных вирусных и бактериальных патогенов, а также сторонних белков, которые могут быть занесены из крови донора. Мы предложили метод, позволяющий модифицировать альбумин непосредственно в плазме крови. У больного берется кровь, отделяется плазма, где и происходит избирательная модификация альбумина. После чего плазма, содержащая такой трансформированный альбумин, возвращается обратно пациенту. Никаких сторонних загрязнений. Более того, в чистом виде альбумин мы даже не выделяем, то есть это максимально недорогая процедура», — объясняет Владимир Сильников.

На сегодняшний день исследователям удалось синтезировать ряд тераностиков, содержащих атомы бора, сделана оценка токсичности этих соединений. На установке источников нейтронов в ИЯФ СО РАН будут проведены эксперименты на клеточных культурах, чтобы оценить эффективность накопления бора опухолевыми клетками и перспективность применения разработанных соединений для БНЗТ.

В лаборатории химии РНК ИХБФМ СО РАН для адресации соединений бора к клеткам используют аптамеры — короткие фрагменты нуклеиновых кислот, которые могут определенным образом сворачиваться, приобретать уникальную пространственную структуру. За счет этого аптамеры связываются с определенными белками на клеточной поверхности, а затем проникают внутрь клеток. Ученые их специально нагружают, то есть прикрепляют к ним соединения бора.

«В качестве нужной молекулы мы выбрали кластеры бора. Они содержат в своем составе сразу 12 атомов этого элемента. На данный момент мы используем два производных, полученных в лаборатории Владимира Сильникова, соединения: содержащие аминогруппу и азидогруппу», — говорит старший научный сотрудник лаборатории химии РНК кандидат химических наук Дарья Сергеевна Новопашина.

Разработано несколько подходов присоединения кластеров бора к аптамерам. С использованием этих подходов в лаборатории химии РНК были получены аптамеры, содержащие кластеры бора. Работой проекта руководит заведующая ЛХРНК ИХБФМ СО РАН кандидат химических наук Алия Гусейновна Веньяминова.

В первом подходе применяли аминомодифицированные кластеры бора, которые присоединяли к концевому фосфату аптамера. Таким образом можно ввести один или два кластера бора в состав конструкции. Второй вариант — это использование азидосодержащего кластера бора. Предварительно в аптамер вводят алкиновую группировку и проводят клик-реакцию с азидопроизводным кластера бора. Этот подход является инертным к другим группам биомолекул и позволяет получать конъюгат с высоким выходом и отсутствием побочных продуктов. Последний вариант подразумевает использование аминопроизводного кластера бора. «Этот метод был опубликован в прошлом году, как раз по результатам выполнения проекта, в журнале Molecules. Планируется продолжить эту работу в плане расширения возможностей. Мы хотим попробовать вводить больше чем один или два кластера бора, чтобы доставить в клетку еще больше бора в составе одной молекулы конъюгата с аптамером. Кроме того, можно использовать неприродные кластеры бора, которые обогащены его изотопом В-10, что повысит эффективность БНЗТ. В плане проведения терапии — это очень перспективно», — говорит Дарья Новопашина.

В первую очередь ученым предстоит проверить токсичность этих синтезированных соединений для клеток. В идеальном варианте для здоровых клеток они должны быть безопасны, но могут проявлять токсичность по отношению к опухолевым клеткам-мишеням. «В таком случае молекулы начнут воздействовать на клетки-мишени еще до облучения. Чем больше механизмов токсического воздействия на опухоль, тем в нашей ситуации лучше. После всех предварительных тестов и проверок в планах инкубировать (выращивать) клетки, облучать их и смотреть, как влияют на жизнеспособность клеток введенные нами соединения. На данном этапе работы нужно понять, позволяют ли они эффективно реализовать метод БНЗТ на уровне клеточных культур», — объясняет старший научный сотрудник лаборатории химии РНК кандидат химических наук Мария Александровна Воробьёва.

Источник информации и фото: портал "Наука в Сибири" (издание СО РАН)/ Анастасия Федотова.