Серия экспериментов по выявлению токсичности нового класса наночастиц – сфер с ядром из золота размером меньше, чем вирусы – подтвердила их безопасность. Последствия их введения в организм подопытных животных двумя альтернативными путями были изучены учеными Школы медицины Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine). Это первая ступень длинной лестницы токсикологических исследований, которые в течение ближайших полутора лет могут привести к клиническим испытаниям этих мельчайших агентов, разработанных для диагностики колоректального и, возможно, других видов рака.

«Показанное на мышах отсутствие токсичности этих наночастиц является хорошим знаком, что они будут вести себя таким же образом и в организме человека», – комментирует результаты экспериментов доктор медицины и философии Санджив Сэм Гамбхир (Sanjiv Sam Gambhir), профессор радиологии и старший автор статьи, только что опубликованной в журнале Science Translational Medicine.

Ранняя диагностика любого вида рака, включая колоректальный, значительно повышает выживаемость. Широкое внедрение в клиническую практику колоноскопии резко снизило показатели смертности. Но колоноскопия зависит от возможностей человеческого глаза. Поэтому этот инструмент скрининга, безусловно, чрезвычайно полезный, все же пропускает значительное количество раковых поражений, например, слишком мелких или скрытых, чтобы быть замеченными.

Перспективным способом ранней диагностики раковых опухолей является использование привлекаемых к ним молекул-репортеров. Одним из таких методов является флуоресцентное окрашивание в сочетании с антителами, способными распознать и связаться со специфическими структурами на поверхности раковых клеток.

Санджив Сэм Гамбхир
(Sanjiv Sam Gambhir), MD,PhD.
(Фото:med.stanford.edu)

Но и этот подход имеет свои недостатки, поясняет доктор Гамбхир, являющийся директором Программы молекулярной визуализации в Стэнфорде. Собственные ткани организма тоже слегка флуоресцируют, усложняя определение местонахождения опухоли. Кроме того, небольшой диапазон цветов, которыми флуоресцируют связанные с антителами красители, ограничивает количество характеристик опухоли, которые можно идентифицировать одновременно. Некоторые из вариантов этого подхода токсичны для клеток.

Проведенное доктором Гамбхиром и его коллегами исследование является первой успешной демонстрацией безопасности нового класса наночастиц – мельчайших шариков золота, покрытых материалами, разработанными для их обнаружения с очень высокой чувствительностью. Частицы заключены в прозрачные кварцевые оболочки и связаны с молекулами полиэтиленгликоля, делающими их более биологически совместимыми. Так как частицы разработаны для использования в качестве таргетинговых агентов для визуализации, к ним могут быть прикреплены молекулы, ориентированные на раковые клетки. Конечный диаметр наночастиц составляет всего 100 нанометров.

Материалы, окружающие золотую сердцевину наночастиц, обладают особыми оптическими свойствами. Как правило, при отражении света от поверхности материалов длина его волны не изменяется, то есть излучение, рассеиваемое молекулами, содержит фотоны той же частоты, что и падающее излучение. Однако около одной десятимиллионной части пришедшего света отражается в виде фотонов с измененной частотой, характерной для каждого конкретного материала. Составляющие основу наночастицы ядра золота модифицированы таким образом, что значительно усиливают этот так называемый рамановский эффект, или рамановское комбинационное рассеяние, позволяя одновременно обнаруживать многие различные визуализирующие материалы чувствительным инструментом – рамановским микроскопом.

Впервые наночастицы этого типа были использованы в красках для денежных купюр, чтобы их было трудно подделать. Но лаборатория доктора Гамбхира в сотрудничестве с Oxonica Materials адаптировала их для биологического использования.

Стилизованное изображение наночастицы, разработанной для диагностики рака методом оптической
спектроскопии с использованием эффекта комбинационного рассеяния, на обложке журнала Science Translational Medicine. Ядро из золота диаметром 60 нанометров усиливает рамановский сигнал, излучаемый небольшими органическими молекулами (оранжевые), которые удерживаются на поверхности наночастицы прозрачной кварцевой оболочкой (серая). Покрытие поверхности полиэтиленгликолем (зеленый) защищает частицу от обнаружения иммунной системой и обеспечивает взаимодействие с группами-мишенями, в данном случае антителами, изображенными фиолетовым цветом.
(Фото: J. JOKERST/STANFORD UNIVERSITY)

Фотовизуализация с помощью таких наночастиц позволит проводить эффективную диагностику на очень ранней стадии развития новообразования, до появления каких-либо грубых анатомических изменений, без физического удаления ткани пациента. Но до сих пор доказательств того, что эти частицы не являются токсичными, не было. А потенциальные последствия использования чего бы то ни было, имеющего такие малые размеры, что оно легко может попасть в клетки, нельзя принимать на веру.

Чтобы убедиться, что этой проблемы не существует, исследователи провели серию экспериментов на двух группах мышей, каждая из которых состояла из 30 самцов и 30 самок, и оценили токсичность наночастиц. В каждом случае доза введенных наночастиц была в 1000 раз большей, чем необходимо для получения четкого сигнала.

Первая группа из 60 мышей получала наночастицы ректально. Ученые провели серию измерений в пяти временных точках от пяти минут до двух недель. Они контролировали у подопытных животных артериальное давление, электрокардиограмму и количество белых клеток крови, а также окрашивали ткани красителями, сигнализирующими об умирании клеток. Несколько тканей было исследовано на усиление экспрессии антиоксидантных ферментов или провоспалительных сигнальных белков, что указывало бы на физиологический стресс, испытываемый клетками животных.

Эти проверки не выявили практически никаких признаков стресса ни в одной из исследованных тканей. Через две недели после введения характеристику «практически» можно было заменить на «абсолютно». Чтобы выяснить, где находились содержащие золото наночастицы, ткани исследовались с помощью электронного микроскопа. Золото не было обнаружено нигде кроме кишечника, что означает, что присутствие наночастиц в организме ограничено пределами этого органа, и, таким образом, при ректальном введении угрозы системной токсичности не существует. Более того, наночастицы быстро выводились из организма.

Однако, даже если наночастицы попадают за пределы кишечника, очевидно, они не вызывают никаких системных проблем. При внутривенном введении наночастиц второй группе из 60 мышей были обнаружены лишь слабые сигналы воспаления и другие признаки токсичности, которые практически исчезли в течение двух недель. Введенные внутривенно наночастицы быстро поглощались макрофагоцитами печени и селезенки.

Эти результаты открывают двери клиническим испытаниям внутривенного введения таких наночастиц для поиска опухолей по всему организму.

«Мы может связать наши сферы с молекулами, ориентированными на рак молочной железы, легких и предстательной железы», – объясняет доктор Гамбхир.

Ученые уже протестировали наночастицы, конъюгированные с одной из таких молекул – небольшим фрагментом белка, или пептидом, известным тем, что он привлекается опухолевыми клетками. Никаких токсических эффектов не наблюдалось и в этом случае.

Группа доктора Гамбхира обратилась в FDA за одобрением проведения клинических испытаний своих наночастиц для диагностики колоректального рака.

Аннотация к статье The Fate and Toxicity of Raman-Active Silica-Gold Nanoparticles in Mice