Найдена эффективная комбинация веществ против раковых клеток молочной железы

Ученые Университета МИСИС и РНИМУ им. Н. И. Пирогова создали комбинацию магнитных наночастиц оксида железа (III) (МНЧ) с редокс-чувствительными веществами (от англ. redox — REDuction-OXidation, т.е. чувствительными к клеточным окислительно-восстановительным процессам), которая может стать перспективной основой для нового многофункционального наноматериала для лечения онкологических заболеваний. Воздействие может быть особенно эффективным при лечении раковых клеток, чувствительных к ферроптозу, например 4T1 клеточной линии рака молочной железы. Этот эффект впервые в мире описан в международном научном журнале Pharmaceutics (Q1).

Ферроптоз — это специфический вид запрограммированной гибели клеток в ответ на окислительный стресс, вызванный воздействием ионов железа (III). Этот процесс перспективен для противоопухолевой терапии, поскольку может запускаться избирательно в раковых клетках-мишенях, благодаря тому, что наноматериалы на основе оксида железа могут существенно влиять на окислительно-восстановительную среду клетки.

«Магнитные наночастицы и редокс-чувствительные материалы уже применяются в лечении раковых опухолей по отдельности, однако их синергический эффект еще не был описан, — говорит соавтор исследования Александр Савченко, к.ф.-м.н., заведующий кафедрой физического материаловедения НИТУ МИСИС. — Мы нанесли на поверхность магнитных наночастиц редокс-чувствительный слой из дисульфидных соединений и полиэтиленгликоля. Затем ввели в клетки, где наночастицы теряют свою оболочку, что приводит к относительно быстрому растворению магнитного ядра и повышению цитотоксичности наночастиц. Двойной эффект Fe (III) и дисульфидов может синергически усиливать окислительный стресс раковых клеток и вызывать их гибель по пути ферроптоза».

Стимул-чувствительные системы доставки с быстрым и эффективным высвобождением лекарственных средств в опухолевых клетках представляют наибольший интерес в биомедицине. Эти системы демонстрируют более высокую химическую стабильность в кровотоке, а также быструю реакцию на изменения внутриклеточных условий, тем самым индуцируя высвобождение лечебного средства в цитозоле и ядре клетки, где и проявляют свое терапевтическое действие. Они обычно реагируют на специфические внутренние раздражители, такие как ферменты, уровень рН и окислительно-восстановительный потенциал. Высокий восстановительный потенциал в клетках объясняется главным образом широко распространенным в них глутатионом. Известно, например, что внутриклеточная концентрация глутатиона составляет приблизительно 2-10 мкМ, особенно в определенных органеллах, таких как лизосомы, митохондрии и клеточное ядро, в то время как его уровень во внеклеточной среде (кровь и внеклеточный матрикс) в тысячу раз ниже (приблизительно 2-20 мкм). Кроме того, концентрация глутатиона в опухолевых тканях может быть более чем в 4 раза выше, чем в нормальных тканях, и достигать концентраций порядка 100 мм.

«Это существенное различие в свойствах между внеклеточной и внутриклеточной средами, а также между опухолями и нормальными тканями дает уникальное преимущество материалам, чувствительным к окислительно-восстановительным потенциалам, поскольку они будут стабильны во внеклеточной среде, но быстро и эффективно высвободят лекарственное средство внутри клетки, что является предпосылкой для создания широкого класса разнообразных средств доставки с высокой селективностью и эффективностью в противоопухолевой терапии», — сказал соавтор исследования, инженер НОЦ «Биомедицинской инженерии» НИТУ МИСИС Артём Илясов.

Чувствительность к окислительно-восстановительному потенциалу — это ключевой фактор, влияющий на скорость внедрения и растворения МНЧ с высвобождением ионов железа внутри раковых клеток.

«Мы экспериментально доказали, что снижение жизнеспособности клеток 4T1 было вызвано синергическим эффектом дисульфидных связей полимерной оболочки редокс-чувствительных наночастиц и высокой окислительной способности оксида железа магнитного ядра. Они оба вызывают истощение запасов глутатиона в раковых клетках, что приводит к их гибели, предположительно по пути ферроптоза», — отметил автор исследования Тимур Низамов, младший научный сотрудник лаборатории «Многофункциональные магнитные наноматериалы» НИТУ МИСИС.

По словам Тимура Низамова, магнитные наночастицы могли бы существенно расширить область применения редокс-чувствительных наноматериалов в МРТ-диагностике, магнитной гипертермии и других областях биомедицины, благодаря их способности дистанционно управляться с помощью внешнего магнитного поля.

Представленное исследование профинансировано РФФИ (проект № 20/03/00967) и грантом НИТУ МИСИС, выигранным по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»