Методы адресной доставки лекарств и генетического материала в клетки

Медицинская биофизика

А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.

Направление «медицинская биофизика» ориентированно на использовании в медицине результатов фундаментальных исследований в области мембранных процессов, фотобиологии, биофизики клетки. Эти результаты медицина использует для познания на молекулярном уровне механизмов возникновения заболеваний, для ранней диагностики, для выработки способов воздействия на патологические процессы.

Важным направлением исследований в области биофизики клетки, имеющим прикладное медицинское значение, являются исследование функциональных свойств эритроцитов и связи изменения формы и объема клетки, а также вязкости и проницаемости клеточной мембраны, с конформацией гемопорфирина гемоглобина и эффективностью переноса кислорода. Выявлены изменения вязкости и проницаемости плазматической мембраны эритроцита и сродства гемоглобина к О2 и NO у больных артериальной гипертонией и ишемической болезнью сердца. Установлено, что при этих болезнях наблюдаются увеличение вязкости липидов различных областей плазматической мембраны, более высокие скорости Na+ /H+ - обмена, активность Са2+ - зависимых К+ - каналов и низкая активность Са2+ - АТФазы. Предполагается, что выявленные изменения вязкости и проницаемости плазматической мембраны снижают эффективность переноса кислорода гемоглобином при артериальной гипертонией и ишемической болезнью сердца. Установлен характер изменения вязкости плазматической мембраны эритроцита и сродства гемоглобина к О2 и NO у здоровых доноров, проживающих в условиях высокогорья. Вероятно, изменения в содержании комплексов гемоглобин — лиганд и гемоглобин — NO у доноров, проживающих в условиях высокогорья, повышают эффективность переноса кислорода гемоглобином.

Исследовано воздействия факторов космического полета (α- частицы и дейтроны, магнитное поле, оптическое, лазерное излучение) на функционирование нервной клетки и эритроцитов. Впервые обнаружены особенности связывания кислорода в эритроцитах человека в ходе космического полета. Выявлено увеличение вязкости и отношения содержания холестерина к содержанию фосфолипидов, а также увеличение специфической проницаемости плазматической мембраны для ионов Na+ и H+ и изменения конформации гемопорфирина гемоглобина. Установлено, что после космического полета обратимо снижается содержание гемоглобина и его комплексов. В ходе космического полета снижение числа дискоцитов осуществляется за счет увеличения числа трансформированных эритроцитов (книзоцитов и овалоцитов). По-видимому, в условиях космического полета связывание кислорода и содержание комплексов гемоглобина зависит от формы клетки, вязкости и проницаемости плазматической мембраны.

Методы адресной доставки лекарств и генетического материала в клетки

Эти исследования находятся на стыке биофизики, молекулярной биологии, биоинженерии, нанобиолотехнологии, фармакологии и онкологии. Одним из методов является опосредованный мембранными рецепторами эндоцитоз (см. иллюстрацию на последней странице обложки) — процесс избирательного концентрирования и поглощения клеткой веществ, для которых на плазмалемме существуют специфичные интернализуемые рецепторы.

Большое место в этих работах занимает проблема внутриклеточной доставки противораковых лекарств. Фотосенсибилизаторы − молекулы, генерирующие при освещении активные формы кислорода, − используются для фотодинамической терапии рака и ряда др. болезней; к сожалению, они вызывают поражение здоровых клеток и тканей, и другие побочные эффекты, причем их цитотоксическое действие ограничивается преимущественно плазматической мембраной. Для доставки фотосенсибилизаторов в наиболее чувствительную к ним мишень — ядро — сконструированы модульные рекомбинантные транспортеры (МРТ). В состав МРТ входят:

лиганд к интернализуемым рецепторам, обеспечивайщий поглощение МРТ клеткой,

эндосомолитический компонент, обеспечивайщий выход МРТ из эндосом в цитоплазму,

сигнал ядерной локализации, ответственный за транспорт МРТ в ядро клетки,

белок-носитель и

фотосенсибилизатор либо другой лекарственный компонент, который требуется доставить в ядро.

Для улучшения внутриядерной доставки конъюгатов применяются аттенюированные (ослабленные) аденовирусы, обладающие способностью образовывать поры в мембранах эндосом. Наиболее эффективные модульные конъюгаты оказались на несколько порядков более эффективными, чем свободные, неконъюгированные фотосенсибилизаторы. Транспортеры могут быть эффективно использованы для доставки других локально действующих лекарств − радионуклидов, испускающих альфа- частицы и также применяемых для терапии рака. Показано, что транспортеры могут увеличивать цитотоксическое действие источника альфа-эмиттера астата-211 примерно в десять раз.

МРТ придают фотосенсибилизаторам клеточную специфичность: конъюгаты фотосенсибилизатор-МРТ обладают в сотни и тысячи раз большей эффективностью в отношении клеток- мишеней, чем немодифицированные фотосенсибилизаторы, но − в отличие от последних − не фототоксичны в отношении клеток, не являющихся мишенями. Оказалось возможным заменять лигандные модули в составе МРТ, что позволило переключить МРТ на другой тип клеток-мишеней, а также существенно (более чем в 3000 раз) увеличить фототоксическую эффективность применяемых фотосенсибилизаторов.

При разработке метода рецептор-опосредуемой трансфекции предпринята попытка имитировать вирусный путь доставки генетической информации, используя искусственные конструкции. Известно, что вирусы эффективно переносят свой генетический материал в клетки-хозяева. У большинства вирионов есть:

компоненты, ответственные за узнавание интернализуемых (т.е. поглощаемых путем эндоцитоза после связывания с соответствующим лигандом) рецепторов на поверхности этих клеток,

компоненты, обладающие эндосомолитической активностью,

участки, обеспечивающие транспорт нуклеиновых кислот в ядро,

компоненты, обратимо связывающие нуклеиновые кислоты.

Удалось продемонстрировать возможность доставки генов in vivo, например, в эпителиальные клетки молочных желез с использованием конструкций, доставляющих ДНК путем рецептор-опосредуемого эндоцитоза. Этот же подход был эффективно использован и для трансфекции ранних эмбрионов млекопитающих.