Ученые научились предупреждать поглощение наночастиц, несущих противоопухолевые препараты, клетками иммунной системы. В основе нового метода лежит тот факт, что на мембранах всех клеток организма человека присутствует белок, функционирующий в качестве специфического «паспорта», запрещающего иммунным клеткам атаковать клетки своего организма.

Связав небольшой фрагмент этого белка с наночастицами, ученые смогли обмануть иммунные клетки мышей – заставить их признать наночастицы скорее «своими», чем инородными веществами, увеличив тем самым количество доставляемого в опухоли противоракового препарата.

Современные химиотерапевтические препараты обладает тяжелыми побочными эффектами, так как соединения, предназначенные для разрушения опухолей, убивают и здоровые клетки организма. Однако за последние годы ученые достигли больших успехов в разработке наночастиц, доставляющих токсичные препараты непосредственно в опухоль, щадя здоровые ткани. Небольшой размер наночастиц позволяет им выходить из высокопроницаемых – это их отличительная черта – кровеносных сосудов опухоли в ее ткань и накапливаться в ней. Опухолевые клетки поглощают частицы, которые, попав внутрь клетки, выделяют свой токсичный груз. Такая система локализованной доставки позволяет назначать пациентам более высокие дозы препаратов без дополнительного ущерба для их здоровья.

Предыдущие попытки отразить атаку иммунной системы на наночастицы состояли в нанесении на поверхность наночастиц плотной «щетки» из полиэтиленгликоля (ПЭГ), которая физически блокирует адгезию белков, обычно осаждающихся на инородных телах, чтобы привлечь к ним макрофаги. Хотя такие «щетки» отсрочивают развитие иммунного ответа, предотвратить его они принципиально неспособны.

Профессор факультета химической и биомолекулярной инженерии (Chemical and Biomolecular Engineering) Университета штата Пенсильвания (University of Pennsylvania) Деннис Дишер (Dennis Discher), PhD, специализирующийся в области молекулярной и клеточной биофизики, недавно разработал метод, позволяющий сорвать попытки иммунной системы «избавить» организм от наночастиц: ученым удалось «обмануть» макрофаги, заставив их не воспринимать наночастицы как чужеродные вещества.

Тринадцать лет назад, в экспериментах на генетически модифицированных мышах, было установлено, что белок CD47, присутствующий в клеточных мембранах практически всех млекопитающих, взаимодействует с рецептором макрофагов SIRPα и таким образом сигнализирует о том, что данная клетка является «своей» и не подлежит уничтожению.

Профессор Дишер, занимавшийся в то время разработкой самоорганизующихся наночастиц различной формы, понял, что основанный на CD47-SIRPα механизм самораспознавания, в принципе, можно использовать, чтобы помочь наночастицам пройти сквозь препоны иммунной системы. Но ясно было и то, что использование таких наночастиц в медицине требует пристального изучения человеческого варианта очищенного белка.

В 2008 году лаборатория Дишера продемонстрировала, что человеческий CD47 выполняет ту же функцию, что и мышиный, а именно, маркера «я», путем передачи сигнала через рецептор SIRPα. Вскоре после этого другая группа ученых расшифровала структуру человеческого комплекса CD47-SIRPα на атомном уровне. Дишер и его коллеги использовали эту информацию для компьютерного моделирования и определения наименьшей части CD47, все еще сохраняющей способность взаимодействовать с SIRPα. В результате ученые идентифицировали и синтезировали короткий пептид, который связали со стандартными наночастицами.

«Редуцирование CD47 до важнейшего пептида было ключевым этапом», – говорит профессор Дишер. «Проведенное за последнее время секвенирование тысяч геномов человека выявило множество вариаций в последовательностях CD47 и SIRPα. Нам нужно было спроектировать «универсальный» пептид, который может связывать SIRPα и функционировать в организме любого человека, несмотря на эти различия».

Пептид минимальной длины (показан желтым), сохраняющий способность связываться с рецептором макрофагов SIRPα (показан серым),
может быть присоединен к терапевтическим наночастицам. Такой «паспорт» предотвращает поглощение наночастиц иммунными клетками.
(Фото: Diego Pantano)

Чтобы проверить, может ли их пептид помочь наночастицам избежать атак иммунной системы, исследователи ввели мышам наночастицы, связанные с пептидом CD47 и без такового. Оба типа наночастиц содержали флуоресцентный краситель, позволявший отслеживать их местонахождение. Всего через тридцать минут после инъекции кровь мышей содержала в четыре раза больше наночастиц, связанных с пептидом CD47, чем частиц без пептида, подтверждая, что CD47-связанные частицы воспринимаются макрофагами как клетки собственного организма.

Воодушевленные этими результатами, ученые заполнили свои CD47-связанные наночастицы, а также ПЭГилированные наночастицы без CD47 противораковым препаратом паклитакселом и связали их с адресным антителом, ориентированным на опухоли. Эти два типа наночастиц вводились двум группам мышей с человеческими опухолями. Спустя всего один день размер опухолей у мышей, которым вводили CD47-связанные наночастицы, составлял всего 70% от размера новообразований у животных, которым вводили ПЭГилированные наночастицы без CD47. При этом CD47-связанные наночастицы не вызывали никаких побочных эффектов.

Сочетание биоинженерии и компьютерного моделирования позволило ученым сначала протестировать функцию пептидов разных размеров с помощью молекулярных моделей и уже затем синтезировать основанный на этих моделях человеческий пептид, не играя в «угадайку» и экономя, в конечном счете, время и деньги.

Элегантный подход Дишера может позволить повысить эффективность и других наномедицинских методов за счет молекулярной «аутентификации» наночастиц как структур, не являющихся чужеродными. Сам ученый считает, что его пептид CD47 может быть аналогичным образом применен и для предотвращения иммунной атаки на вирусы, используемые в качестве средства доставки генов в генной терапии, а также для повышения биологической совместимости и увеличения срока службы кардиостимуляторов и имплантатов, части которых с течением времени могут разрушаться иммунными клетками.

Предполагая, что атаки иммунной системы можно предотвратить и другими, возможно, лекарственными средствами, ученые продолжают изучать молекулярные изменения, происходящие внутри макрофагов при подавлении CD47 поглощения наночастиц.

Оригинальная статья Minimal ‹Self› Peptides That Inhibit Phagocytic Clearance and Enhance Delivery of Nanoparticles опубликована в журнале Science.