Одна из самых больших проблем в терапии рака — это возможность доставлять химиотерапевтические препараты в опухоли в достаточном количестве, не подвергая здоровые ткани их токсическому воздействию. Один из способов, которым исследователи пытались это преодолеть, — это разработка наноносителей — чрезвычайно мелких частиц, заполненных лекарствами. Наноносители сконструированы так, что они поглощаются только раковыми клетками, тем самым предотвращая всасывание лекарств здоровыми тканями, когда они проходят через кровообращение тела.
Тем не менее, хотя наноносители хорошо защищают здоровые ткани, количество лекарств, успешно доставленных в опухоли, остается низким.
Основные причины этого недостатка заключаются в том, что наноносители полагаются на систему кровообращения, чтобы доставить их к опухоли, поэтому большой процент отфильтровывается из организма, прежде чем когда-либо достигнет места назначения. Кроме того, разница в давлении между опухолью и окружающей тканью препятствует проникновению наноносителей глубоко внутрь опухоли.
В результате наноносители не могут достичь гипоксических зон опухоли, которые представляют собой области активного деления клеток, характеризующиеся низким содержанием кислорода.
"Лишь очень небольшая часть лекарств попадает в зоны гипоксии, которые считаются источником метастазов.
Следовательно, нацеливание на регионы с низким содержанием кислорода, скорее всего, снизит скорость метастазирования при максимальном эффекте терапии », — говорит Сильвен Мартель, доктор философии.D., Директор Политехнической лаборатории нано-робототехники Монреаля и ведущий исследователь исследования.
Мартель и его исследовательская группа пытались разработать роботов-наноносителей, которые путешествовали бы в зоны гипоксии, когда они поняли, что природа, возможно, уже создала их в виде бактерий под названием магнитококк маринус или MC-1. Клетки MC-1 процветают в глубоких водах, где мало кислорода. Чтобы найти эти области, бактерии полагаются на систему навигации, состоящую из двух частей.
Первая часть включает в себя цепочку магнитных нанокристаллов внутри MC-1, которая действует как стрелка компаса и заставляет бактерии плыть в северном направлении, когда они находятся в северном полушарии. Вторая часть состоит из датчиков, которые позволяют бактериям обнаруживать изменения уровня кислорода.
Эта уникальная навигационная система помогает бактериям мигрировать и сохранять свое положение в областях с низким содержанием кислорода.
При финансовой поддержке NIBIB и других исследовательская группа Martel провела серию экспериментов, чтобы показать, что уникальная система навигации бактерий может быть использована для более эффективной доставки лекарств к опухолям.
В первоначальном эксперименте мышам, перенесшим колоректальные опухоли человека, вводили либо живые клетки MC-1, либо мертвые клетки MC-1, либо в качестве контрольной группы немагнитные шарики (примерно того же размера, что и бактерии).
Инъекция производилась в ткань, непосредственно прилегающую к опухоли, после чего мышей подвергали воздействию запрограммированного компьютером магнитного поля, предназначенного для направления клеток или гранул в опухоль. При исследовании опухолей исследователи обнаружили минимальное проникновение мертвых бактериальных клеток и гранул в опухоль, тогда как живые бактериальные клетки были обнаружены глубоко внутри опухоли и особенно в областях с низким содержанием кислорода.
«Когда они попадают внутрь опухоли, мы выключаем магнитное поле, и бактерии автоматически полагаются на кислородные датчики для поиска гипоксических областей», — говорит Мартель. "Мы прижимаем их к опухоли, а потом позволяем природе делать все остальное."
Затем исследователи хотели посмотреть, повлияет ли прикрепление пузырьков с лекарствами к клеткам на их движение в опухоли.
Они прикрепили примерно 70 везикул, содержащих лекарство, к каждой бактериальной клетке. Затем клетки вводили другой группе мышей с колоректальными опухолями и подвергали воздействию магнита. Изучив опухоли этих мышей, исследователи подсчитали, что в среднем 55% инъецированных бактериальных клеток с прикрепленными везикулами попали в опухоль. Для сравнения, некоторые исследователи подсчитали, что только около 2% лекарств, доставляемых через существующие наноносители, попадают в опухоли.
«Эта экспериментальная работа показывает возможность задействовать сложный и оптимизированный клеточный аппарат одноклеточных организмов, таких как бактерии», — сказал Ричард Конрой, доктор философии.D., директор отдела прикладных наук и технологий НИБИБ. «Возможность активно и точно направлять доставку лекарств к опухоли поможет уменьшить побочные эффекты и потенциально повысить эффективность лечения."
Следующим шагом команды Мартеля является определение влияния бактериальных клеток, содержащих лекарственные препараты, на уменьшение размера опухоли. Они также хотели бы проверить, можно ли использовать бактерии для доставки других типов противораковых лекарств, таких как молекулы, которые инструктируют иммунную систему атаковать опухоли.
Кроме того, команда работает над расширением типов опухолей, для лечения которых можно использовать бактерии. В настоящее время бактерии необходимо вводить очень близко к опухоли, потому что при введении в артерии чрезмерный кровоток и расстояние, необходимое для перемещения, повлияют на количество бактерий, которые достигают опухоли. Это ограничивает подход к доставке лекарств легкодоступными видами рака, такими как рак прямой кишки, простаты и, возможно, рак груди.
Однако команда Мартеля показала на животных, что они могут переносить бактерии через артерии и достаточно близко к опухоли, сначала помещая их в магнитные носители и продвигая их магнитным полем сканера МРТ. Затем бактерии могут быть выпущены из носителей, как торпеды с подводной лодки, когда они приблизятся к опухоли. Этот многоэтапный подход потенциально может открыть дверь для использования бактерий для доставки лекарств к опухолям в более глубокие слои тела.
Мартель говорит, что предварительные результаты испытаний бактерий на мышах и крысах и тот факт, что бактерии умирают в течение 30 минут после инъекции, предполагают, что они потенциально могут быть безопасными для людей.
"Эти бактерии действительно идеальная машина. Они копируются, они дешевы, и мы можем вводить сотни миллионов или больше за раз », — говорит Мартель.