Междисциплинарная исследовательская группа БФУ им. И. Канта открыла новые особенности влияния формы наночастиц на клетки в злокачественных образованиях
Исследователи БФУ им. И. Канта изучают, как особенности формы магнитных наночастиц влияют на активацию механизмов клеточной смерти раковых опухолей. Как известно, из-за малых размеров магнитные наночастицы способны поглощаться раковыми клетками человека, что в последующем можно использовать для терапии раковых заболеваний, например, используя локальный нагрев опухоли при воздействии переменного магнитного поля (магнитная гипертермия), целевой доставки лекарств или собственной избирательной цитотоксичности [1]. Благодаря своим уникальным магнитным свойствам, наночастицы могут использоваться в тераностическом подходе (диагностика и персонифицированное лечение) и быть эффективным контрастным агентом в МРТ или визуализации магнитных наночастиц (MPI – magnetic particles imaging) [2]. Благодаря последним достижениям в области синтеза наночастиц, становится возможным изготавливать наночастицы желаемых форм и размеров (как, например, кубические частицы в данном исследовании), однако многие особенности поведения таких наночастиц остаются слабо изученными, что делает сложным использования всего арсенала возможностей магнитных наночастиц для лечения и диагностики раковых заболеваний.
Исследователи уже давно смогли создать комфортные условия для существования и размножения раковых клеток «в пробирке» в лабораторных условиях. Конечно, искусственно создаваемые параметры не являются полностью естественными для раковых клеток. Однако благодаря современному оборудованию, можно частично имитировать условия человеческого тела — жидкую среду, которая обеспечивает рост и функционирование раковых клеток продолжительное время. Ученым удалось изучить не только внешнее строение клеток, но детально познакомиться с особенностями внутриклеточных процессов. Таким образом, используя различные методики, можно получить упрощенную, но рабочую модель рака человека в пробирке. Воздействуя различными факторами на клеточную культуру (в зависимости от цели эксперимента), исследователи могут одновременно отслеживать все происходящие изменения в клетках.
Добавляя наночастицы различных форм в питательную среду к клеткам, экспериментаторы из Лаборатории новых магнитных материалов проверяли степень и характер произошедших изменений. Такие малые объекты, как наночастицы могут быть легко «съедены» клетками, но происходит это не всегда – в некоторых случаях наночастицы способны повредить структуру клетки и проникнуть «внутрь силой». Во время этого процесса образуются отверстия в мембранах клеток и/или отдельных органелл (происходит пермеабилизация), что может привести к клеточной гибели. Поведение раковых клеток зависит от концентрации наночастиц в растворе и, что очень важно, от вида рака. Дело в том, что различные клетки неодинаково «отвечают» на воздействие одних и тех же частиц. Этот факт дает возможность создать инструмент на основе наночастиц, избирательно подавляющий раковые клетки и не повреждающий здоровые.
В то же время, взаимодействие наноматериалов и биологических структур, является сложным и многостадийным процессом. Поэтому в исследовании ученые сфокусировались на изучении влияния именно формы наночастиц на характер взаимодействия с раковыми клетками. Всесторонне было изучено влияние наночастиц, отличающихся по форме, на раковые клетки печени человека. В ходе экспериментов было установлено, что пути активации процессов клеточной смерти, отличаются в зависимости от формы наночастиц. Изучив детали этого процесса, мы приблизились к разработке противоракового терапевтического инструмента на основе наночастиц, рассказал аспирант БФУ им. И. Канта Станислав Пшеничников:
«Для меня участие в исследовании позволило получить большое количество практического опыта и дало возможность поработать в передовых лабораториях наших иностранных коллабораторов. Выражаю благодарность иностранным коллегам из Лаборатории Биофизики Института Физики Чешской Академии Наук (The Laboratory of Biophysics, Institute of Physics CAS, Prague, Czech Republic), Института Клинической и Экспериментальной Медицины (Institute for Clinical & Experimental Medicine), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва), а также коллективу родной Лаборатории новых магнитных материалов за всестороннюю помощь во время проведения исследований. Отдельно выражаю благодарность Олегу Лунову (The Laboratory of Biophysics, Institute of Physics CAS, Prague, Czech Republic), а также Валерии Родионовой и научному руководителю Екатерине Левада за продуктивное руководство во время выполнения исследования. Также выражаю благодарность проекту 5-100 за финансовую поддержку».
Екатерина Левада, руководитель биологического подразделения Лаборатории новых магнитных материалов:
Миссия университета состоит в представлении и трансляции лучших практик российской науки, образования и культуры в Европе, а также повышении международной конкурентоспособности Калининградской области (за счёт наращивания интеллектуального, научно-технического, имиджевого капитала).
Результаты работы опубликованы в статье «Наночастицы оксида железа, индуцирующие пермеабилизацию лизосомальной мембраны, активируют процессы аутофагии и апоптоза клеток печени» авторитетного научного журнала «Nano Convergence».
1. Trujillo-Alonso, V.; Pratt, E.C.; Zong, H.; Lara-Martinez, A.; Kaittanis, C.; Rabie, M.O.; Longo, V.; Becker, M.W.; Roboz, G.J.; Grimm, J.; et al. FDA-approved ferumoxytol displays anti- leukaemia efficacy against cells with low ferroportin levels. Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 616–622.
2. Perez, J.E.; Walle, A. Van De; Wilhelm, C.Versatile iron cobalt nanoparticles for theranostics. Nat. Biomed. Eng. 2020, 4, 252–253.