Нанотехнологии в диагностике и лечении злокачественных опухолей

Введение

Нанобиотехнология, в рамках которой разрабатывается биомедицинское применение систем, имеющих наноразмеры, – активно развивающаяся область нанотехнологии. Наноматериалы размером от 1 до 1000 нм предоставляют возможность уникального взаимодействия с биологическими системами на молекулярном уровне. Методы нанобиотехнологии могут быть использованы при обнаружении, диагностике и лечении рака, что привело к образованию новой дисциплины – наноонкологии [1, 2]. Возможность применения наночастиц разрабатывается для визуализации опухоли in vivo, биомолекулярного профилирования биомаркеров опухолевого роста и таргетной доставки препаратов. Эти методики, основанные на нанотехнологии, могут широко применяться в онкологии.

Хорошо известно, что рак молочной железы (РМЖ) может экспрессировать белковые биомаркеры, например рецепторы эстрогенов и прогестерона, на основании наличия которых планируется лечение заболевания. Применение полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов, используемых в качестве квантовых точек различных размеров и с разным спектром излучения с целью визуализации антител, позволяет одновременно классифицировать и точно определять количество этих таргетных белков в одной опухолевой секции [3]. Использование золотосодержащих наночастиц (например, зондов Raman) обеспечивает определение качественной и количественной характеристики нескольких протеинов в одной секции опухоли. Это позволяет планировать специфическую противоопухолевую терапию, основываясь на индивидуальном белковом профиле конкретного пациента [4]. Возможность обнаружения нескольких молекулярных мишеней одновременно в образцах опухоли позволяет определить характер связи между продуктами гена и протеинами в режиме реального времени [5]. Кроме того, эффекты индивидуализированного лечения, основанные на экспрессии таргетных протеинов, могут проверяться до и после лечения, что позволяет быстро оценивать эффективность таргетной терапии.

Нанотехнологические методы (например, применение наноконсолей и нанозондов) активно исследуются с целью применения их для диагностики опухолевого процесса [6], т. к. наночастицы, объединенные с раково-специфическими таргетными лигандами могут использоваться для раннего обнаружения опухолей, что обеспечивает своевременное вмешательство с использованием химиопревентивного агента, а также выявление отдаленных метастазов [7]. Многообещающие результаты получены при использовании сверхмагнитных наночастиц с металлическим ядром, биоконъюгированных с антителами против HER2/ neu при одновременной визуализации опухоли и таргетном терапевтическом воздействии in vivo [8].

Изучается несколько нанотехнологических подходов, направленных на улучшение доставки химиотерапевтических агентов к опухолевым клеткам с целью минимизации токсических эффектов препаратов на здоровые ткани при сохранении противоопухолевой эффективности. Доксорубицин был соединен с липосомальной системой доставки в комплекс, наночастицы которого сохраняли эффективность, но при этом токсическое действие препарата на миокард было снижено [9, 10]. Одна из таких систем доставки (липосомальный доксорубицин с ковалентно присоединенным полиэтиленгликолем – пегилированный липосомальный доксорубицин, ПЛД) одобрена для лечения рефрактерного рака яичников и саркомы Капоши в США. Наночастицы связанного альбумином паклитаксела (NAB) также более эффективны по сравнению с традиционной формой растворенного в касторовом масле паклитаксела при большей безопасности применения [11, 12]. Препарат утвержден в США для лечения метастатического РМЖ.

Конкурентная визуализация и таргетная терапия

Как было сказано выше, наночастицы могут быть соединены с лигандами, обладающими различным аффинитетом, и использоваться как средства контрастирования, что позволяет визуализировать структуры доклеточного уровня in vivo. Наночастицы, объединенные с таргетными антителами, одновременно могут быть использованы для диагностики и противоопухолевого лечения. Предварительные исследования in vitro и in vivo продемонстрировали большой потенциал данного метода [8, 13, 14]. В одной из методик для конъюгации таргетных лигандов с наночастицами (анти-HER2/neu антитела с модифицированной металлической наночастицей для формирования нанооболочки) [15] используют биотин и стрептавидин в качестве средств объединения. Конструкция состоит из сферического диэлектрического ядра наночастицы, сделанного из кремния и окруженного тонкой золотой оболочкой. Эти нанооболочки, излучающие околоинфра-красный спектр, превращают свет в тепловую энергию и используются для термальной аблации опухоли. Тепловая индукция после экспозиции в околоинфракрасном спектре почти в миллион раз эффективнее по сравнению с молекулами-красителями [15].

Ito A. и соавт. [13] после проведения биоконъюгации с анти-HER2антителами смогли пометить магнитными наночастицами HER2/neuпозитивную клеточную линию SK-BR-3 РМЖ. После экспозиции в околоинфракрасном спектре эти нанозаряды вызывали гипертермию со средним значением температуры значительно выше значений, вызывающих необратимые изменения, приводящие к гибели клеток. Таким образом, таргетные нанозаряды могут использоваться для достижения локализованной необратимой фототермальной аблации опухолевой ткани РМЖ in vivo.

Наночастицы могут применяться и с целью туморселективной доставки противоопухолевых агентов для усиления эффекта поражения опухолевых клеток при условии защиты здоровых тканей от воздействия цитотоксических агентов и снижения системных токсических эффектов. Было проведено множество доклинических исследований по использованию наночастиц как средств таргетной терапии в онкологии. Некоторые из этих идей уже нашли клиническое применение.

Липосомальные антрациклины

Антрациклины остаются одними из наиболее активных агентов, применяемых для лечения РМЖ [16], и широко используются в лечении всех стадий заболевания. Однако использование антрациклинов ограничено кардиотоксическими эффектами, проявляющимися при достижении высокой кумулятивной дозы. Трастузумаб – моноклональное антитело к HER2/neu, улучшил качество лечения агрессивной формы РМЖ [17, 18], однако его применение также ограничено риском кардиотоксического эффекта, проявляющегося почти исключительно у пациенток, ранее получавших лечение антрациклинами [17]. Липосомальные формы антрациклинов были разработаны с целью повышения терапевтического индекса по сравнению с традиционными формами при сохранении широкой противоопухолевой активности. Три липосомальных антрациклина, представленных наночастицами размером около 100 нм, исследуются с целью применения при РМЖ: липосомальный даунорубицин, одобренный в США для лечения саркомы Капоши; липосомальный доксорубицин, который в комбинации с циклофосфамидом утвержден для лечения метастатического РМЖ в Европе; ПЛД (c присоединенным полиэтиленгликолем), утвержденный в США для лечения как саркомы Капоши, так и рефрактерного рака яичников.

Как липосомальный доксорубицин, так и ПЛД прошли сравнение со стандартной формой доксорубицина в качестве первой линии терапии у больных метастатическим РМЖ [9, 10]. Включенные в исследование 297 больных с метастатическим РМЖ, ранее не получавших никакого химиотерапевтического лечения, были рандомизированы к получению 60 мг/м2 липосомального доксорубицина или 60 мг/м2 стандартного доксорубицина в сочетании с 600 мг/м2 циклофосфамида каждые 3 недели до прогрессирования заболевания или появления неприемлемых токсических эффектов. Эффективность терапии в двух группах существенно не различалась (ответ на лечение 43 и 43 %, среднее время до прогрессирования – 5,1 против 5,5 месяца, медиана выживаемости – 19 против 16 месяцев) [9]. Однако кардиотоксический эффект наблюдался у значительно меньшего числа больных, получавших липосомальный доксорубицин (6 против 21 %, р = 0,0001) [9]. Таким образом, вероятность кардиотоксического эффекта у больных, получающих липосомальный доксорубицин, в 3,5 раза ниже по сравнению с пациентками, получающими препарат в стандартной форме.

ПЛД (50 мг/м2 каждые 4 недели) сравнивали со стандартным доксорубицином (60 мг/м2 каждые 3 недели) у 509 больных метастатическим РМЖ [19]. Оба препарата продемонстрировали одинаковую эффективность с частотой ответа в 33 и 38 % соответственно и временем до прогрессирования 6,9 и 7,8 месяца соответственно [10]. Риск развития кардиотоксического эффекта был существенно ниже у пациенток, получавших ПЛД (в пропорции 3 : 16; р < 0,001). Нейтропения и гастроинтестинальные токсические эффекты чаще отмечались у больных, получавших доксорубицин, в то время как ладонно-подошвенный синдром чаще наблюдался при применении ПЛД.

Липосомальный доксорубицин исследовали в комбинации с трастузумабом в клинических исследованиях I–II фаз у больных метастатическим РМЖ. При этом ответ на лечение достигал 59 %, несмотря на то что пациентки могли получать трастузумаб ранее. Кардиотоксический эффект проявился у двух больных, при этом они ранее получали доксорубицин в стандартной форме [20]. Антрациклины высокоэффективны при HER2/ neu-положительном РМЖ [17], поэтому применение комбинации липосомальных форм препарата с трастузумабом имеет большие перспективы.

NAB-паклитаксел

Таксаны (паклитаксел и доцетаксел) относятся к числу наиболее важных терапевтических препаратов в лечении солидных опухолей и широко используются на всех стадиях РМЖ. Оба препарата обладают сильными гидрофобными свойствами, поэтому нуждаются в синтетических средствах доставки (полиэтилированное касторовое масло для паклитаксела и полисорбат-этанол для доцетаксела). Токсические эффекты имеются у обоих препаратов и во многом связаны с синтетическими средствами доставки, а не с самими химиотерапевтическими средствами [21,22]. Несколько новых лекарственных форм таксанов были разработаны с целью ослабления их токсического действия. NAB-паклитаксел – наночастица с ядром, содержащим паклитаксел, окруженный альбумином (наиболее подходящей оболочкой для гидрофобной молекулы), продемонстрировал высокую эффективность при лечении РМЖ.

Доклинические исследования показали, что NAB-паклитаксел способен лучше проникать в ткань опухоли по сравнению со стандартными формами паклитаксела [23]. В исследовании II фазы, в которое были включены 63 больных метастатическим РМЖ, ответ на лечение NAB-паклитакселом в дозе 300 мг/м2 каждые 3 недели был продемонстрирован в 48 % случаев.

В исследовании III фазы [10] проводили сравнение NAB-паклитаксела со стандартной формой этого таксана. Четыреста шестьдесят больных метастатическим РМЖ, ранее не получавших таксаны, были рандомизированы к получению NAB-паклитаксела или паклитаксела на основе касторового масла 1 раз в три недели до появления признаков прогрессирования. Общий ответ на лечение был значительно выше у больных, получавших NAB-паклитаксел вне зависимости от линии терапии (33 против 19 %; р = 0,001). Время до прогрессирования было значительно большим в группе NAB-паклитаксела (23 против 17 недель; р = 0,006) [10], хотя общая выживаемость достоверно не различалась (р = 0,374). В группе больных, получавших NAB-паклитаксел, отмечена лучшая переносимость препарата. Реакций гиперчувствительности отмечено не было, хотя пациентки, лечившиеся NAB-паклитакселом, до включения в исследование не получали никаких лекарственных средств. Нейтропения IV степени отмечалась значительно реже, а нейропатия III степени – значительно чаще у больных, получавших NAB-паклитаксел, по сравнению с пациентками, лечившимися стандартной формой таксана (р < 0,001).

В другом исследовании [24] NAB-паклитаксел назначали с недельным перерывом больным метастатическим РМЖ, ранее получавшим многокомпонентное лечение. Ответ на лечение наблюдался у пациенток, ранее получавших паклитаксел, доцетаксел или оба препарата. При таком режиме терапии частота нейропатии снижалась. Таким образом, паклитаксел в форме наночастиц имеет преимущества перед стандартной формой препарата за счет снижения токсических эффектов, отсутствия необходимости в премедикации и более высокой эффективности.

Фторурацил (ФУ), загруженный в наночастицы PEG-PBLG (ФУ/PEGPBLG), продемонстрировал улучшенные фармакокинетические характеристики, включая постоянное высвобождение препарата, увеличенный период полужизни и повышенное сродство к опухолевой ткани. In vivo наночастицы ФУ/PEG-PBLG показали хорошую противоопухолевую активность в отношении ксенографтов рака ободочной кишки и плоскоклеточной карциномы рта. Система доставки PEGPBLG может эффективно ослаблять побочные эффекты ФУ и увеличивать его терапевтический индекс.

Таргетная доставка тамоксифена

Примерно в 75 % случаев РМЖ отмечается экспрессия рецепторов стероидных гормонов. Примерно у 50 % больных с такой экспрессией возможна эффективная гормонотерапия. Тамоксифен остается препаратом, который широко используется при всех стадиях РМЖ как в пре-, так и в постменопаузе. Препарат подвергается значительным метаболическим воздействиям, препятствующим его попаданию в ткань опухоли, что может нивелировать его эффект. Shenoy D.B. и Amiji M.M. [25] разработали несущую тамоксифен полимерную наночастицу, способную усиливать проникновение препарата в ткань опухоли. Используя ксенографтную модель РМЖ человека, они продемонстрировали значительно большее накопление тамоксифена в ткани опухоли у мышей, получавших тамоксифен-несущие наночастицы, по сравнению с мышами, которым стандартный препарат вводили внутривенно. Использование наночастиц в качестве переносчиков тамоксифена способствует улучшению проникновения препарата в опухолевые ткани, его более селективному воздействию и, следовательно, ослаблению токсических эффектов лекарственных средств.

Заключение

Биологическое применение наночастиц – быстроразвивающаяся область нанотехнологии, открывающая новые возможности в диагностике и лечении злокачественных новообразований человека. В целях диагностики рака флуоресцентные наночастицы могут использоваться для многокомпонентного одномоментного профилирования биомаркеров опухоли и обнаружения различных генов, а также матриксной РНК методом флуоресцентной in situ гибридизации. В ближайшем будущем использование объединенных наночастиц позволит одновременно определять по меньшей мере 10 онкобелков в крошечной секции опухоли. Это создаст почву для развития методики определения индивидуального протеомного профиля опухоли. Супермагнитные наночастицы могут эффективно использоваться в целях контрастирования для обнаружения рака in vivo, а также для контроля проводимого лечения. Несколько химиотерапевтических агентов уже испытаны в форме наночастиц и имеют по крайней мере эквивалентную эффективность при меньшей токсичности по сравнению с традиционными формами. В скором времени использование наночастиц позволит прицельно воздействовать на опухоль, доставляя лекарственные средства уникальным образом.

На основании данных, полученных с помощью наночастиц, может планироваться адекватное лечение. При помощи наночастиц-меток можно сравнивать экспрессию гена и кодируемого им протеина в опухоли. Быстро развивается область применения наночастиц для визуализации опухолевого процесса in vivo с одновременным целенаправленным воздействием на опухолевые антигены (мишени).

Применение наночастиц – это новый метод таргетного воздействия, повышающий эффективность и снижающий токсичность как существующих, так и новых противоопухолевых препаратов. Ожидается, что в ближайшем будущем внедрение нанотехнологий приведет к революционным изменениям не только в онкологии, но и в медицине в целом.