На яркой стороне: как свет помогает ученым «управлять» лекарствами

Главный недостаток химиотерапии – основного метода лечения онкологических заболеваний – в том, что она затрагивает здоровые органы и ткани. Сегодня специалисты работают над тем, чтобы избавиться от побочных эффектов и усилить специфичность препаратов, сосредоточить их действие там, где это нужно.

Такую задачу недавно удалось решить российским ученым. Они разработали препараты для терапии злокачественных новообразований с контролируемой фотоактивацией. Этими лекарствами можно «управлять» с помощью облучения светом.

Подробнее о разработке рассказала автор проекта, старший научный сотрудник кафедры органической химии Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова Ольга Красновская.

Молекула под прикрытием

В основе разработки – препараты на основе цисплатина, одного из самых используемых веществ в химиотерапии. Это молекула состоит из платины, двух атомов хлора и остатков аммиака. Когда цисплатин попадает в организм, происходит обмен аммиака на воду. Получившаяся молекула воздействует на ДНК и приводит к гибели опухолевых клеток в поврежденном органе. Хотя средство и считается эффективным, к сожалению, оно также может негативно повлиять на здоровые органы.

Один из способов «замаскировать» лекарство, уменьшить его токсичность – добавить дополнительные молекулы, чтобы немного изменить свойства, повысить накопление в клетках и снизить активность. Такой метод не позволит препарату действовать преждевременно: он перейдет в активную фазу, лишь когда попадет в кровоток.

Подобные препараты с отложенным механизмом действия называются пролекарствами. Они могут «переходить» в лекарства разными способами. Например, внутри организма – под действием ферментов или специфических для опухоли молекул. Либо извне, с помощью ионизирующего излучения, температуры или ультразвука. Авторы работы использовали свет – достаточно удобный инструмент, не требующий сложного оборудования.

Чтобы понять, как работает такой принцип фотоактивации, можно обратиться к сфере ботаники. В частности, неистребимый сорняк борщевик становится опасным именно из-за воздействия света. В состав сока растения входят фуранокумарины – вещества, которые, попадая на кожу, в сочетании с УФ-излучением вызывают сильные ожоги. Аналогичный механизм применяется в фотодинамической терапии, когда у лекарств повышают и снижают токсичность с помощью света.

«В ходе анализа литературы мы обнаружили, что можно взять смесь пролекарства и фотоактивного компонента и под действием облучения активировать препарат, не дожидаясь, когда он высвободит нужные вещества. При этом высвобождение происходит в заданный момент времени и в нужной области», – рассказывает Ольга Красновская.

Ученые решили «пришить» к цисплатину фотоактиватор и получить одну молекулу, которая не будет проявлять активности, либо делать это слабо, пока на нее не подействует свет. В качестве такого компонента использовали водорастворимый витамин В2 – рибофлавин. Он отлично переносится организмом, участвует в жизненно важных окислительно-восстановительных реакциях и крайне фоточувствительный. Полученный препарат назвали «Рибоплатин».

Неоспоримые преимущества

Подобные молекулы за последние годы создавали также ученые из других стран. Сегодня в международных научных изданиях представлено десять похожих фотоактивируемых пролекарств различной эффективности. Однако авторы проекта уверены – у «Рибоплатина» есть неоспоримые преимущества благодаря наличию в составе витамина B2.

Во-первых, это природное соединение обладает высокой биосовместимостью. Повышенное потребление витаминов опухолевыми клетками – еще одно достоинство перед мировыми аналогами, содержащими неэндогенные – чужеродные – фотоактиваторы. Во-вторых, введение витамина в молекулу позволяет преодолеть один из ключевых недостатков пролекарств, содержащих платину – низкую водорастворимость. По мнению специалистов, новое пролекарство представляет собой препарат комбинированного действия – для фотоактивируемой химиотерапии и фотодинамической терапии.

«Благодаря уникальной фоточувствительности рибофлавина мы смогли получить препарат, откликающийся на крайне малые дозы облучения. Мы сравнили наше лекарство с другим, в основе которого – классический фотоактиватор BODIPY (широко используемое в качестве флуоресцентного красителя химическое соединение – прим. ред.). В первом случае для необходимого эффекта нужно было светить лампой 30 секунд, а во втором – целых десять минут», – подчеркнула кандидат химических наук.

Она добавила, что такая процедура подойдет для поверхностных типов опухоли или лечения в областях, доступных для эндоскопа. Это касается, в частности, меланомы, рака простаты, мочевого пузыря.

Изучить со всех сторон

Разработка началась в 2020 году на базе химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. По словам автора проекта, синтез препарата занял почти полгода.

«Работа с фоточувствительными молекулами требует определенного терпения. Когда мы, наконец, получили молекулу, стали искать долгожданный ответ на вопрос – будет ли препарат откликаться на свет и высвобождать химиотерапевтический агент», – вспоминает Ольга Красновская.

Чтобы это выяснить, химики проводили различные эксперименты. Так, на колбу с раствором препарата светили синим лазером на определенном расстоянии и с рассчитанной дозой, а затем оценивали возникающие эффекты. Похожим образом проводили исследования на клетках. Чтобы оценить фототоксичность и понять, как действует вещество само по себе и в комбинации со светом, облучали только половину специального планшета – прозрачной емкости с отсеками для клеток.

Исследования проходили в Институте биохимической физики и Федеральном научно-исследовательском центре кристаллографии и фотоники РАН, Национальном медицинском исследовательском центре онкологии им. Н.Н. Блохина, Национальном исследовательском технологическом университете (НИТУ) МИСиС, а также на химическом факультете МГУ.

В частности, в НИТУ МИСиС с помощью уникального оборудования специалистам удалось детально изучить действие препарата в реальном времени. Для этого на устройстве использовали наноэлектрод. Он способен проводить измерения внутри одной клетки, регистрировать токи, фиксировать отклик препарата непосредственно в живой системе. Причем такой электрод может измерять отклик на облучение не просто внутри модели, но и на разных ее глубинах. Внешне он похож на иголку, которая под действием микроманипулятора вводится в клеточный сфероид – своего рода опухоль в миниатюре.

«Мы добавляем препарат в сфероид, далее в него вводится наноэлектрод. Внутри регистрируется ток – и сигнала от цисплатина нет. После включения лампы наноэлектрод регистрирует ток от цисплатина, и мы практически своими глазами видим, как этот компонент выходит из молекулы. Это очень красивый результат. Фактически, можем посмотреть действие препарата в 3D», – объясняет собеседница.

Выгодное решение

В ближайшее время ученые хотят провести доклинические исследования на животных. Поскольку эти препараты содержат рибофлавин, флюоресцируют и способны к фотоактивации, то должны метаболизироваться особым образом. Поэтому тесты будут проводить не в один этап. Кроме того, ученым предстоит выяснить, нужен ли специальный носитель для доставки лекарств и каким он будет. Это могут быть наночастицы, гели, липосомы (пузырьки, покрытые внутри липидным слоем).

Также в планах разработка лекарства, которое будет активироваться под действием красного света. Такое освещение обладает минимальным поглощением в организме и может добираться до глубокозалегающих опухолей.

Важную роль в развитии проекта, как и любых больших исследований, по словам ее автора, играет активное участие квалифицированных ученых, обслуживание оборудования, наличие комплектующих и соответствующее финансирование. В настоящее время работу поддерживает Российский научный фонд.

«Интерес к нашей разработке, безусловно, есть. Повышение селективности (способности воздействовать только на определенные участки – прим. ред.) препаратов к опухолевым тканям – как правило, дорогостоящая и синтетически непростая процедура. В нашем случае работа со светом и использование низкомолекулярного препарата является более выгодным решением. К тому же, контролируемая фотоактивация – довольно красивый и простой для понимания подход», – уверена Ольга Красновская.

Анна Шиховец