«Грибы» и «щётки» помогают борющимся с раком наночастицам выживать в организме
Успех многих инновационных медицинских методов, от терапии рака до пересадки органов, часто зависит от способности обойти иммунную систему организма. Исследователи из Университета Дрекселя, возможно, нашли идеальную текстуру поверхности, которая помогает микроскопическим медицинским частицам дольше оставаться в кровотоке, не будучи отфильтрованными естественными защитными механизмами.
Группа под руководством Хао Чена изучает, как продлить время циркуляции наночастиц в организме. Эти крошечные органические молекулы можно настроить для поиска и проникновения в раковые опухоли. Однако их эффективность ограничивает короткое время нахождения в кровотоке.
«Большинство синтетических наночастиц быстро удаляются из кровотока до достижения опухолей. Короткое время циркуляции в крови — одно из основных препятствий для наночастиц в терапии рака», — пояснил Чен.
Его последнее исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, показывает, что ключом к выживанию наночастиц является топография их поверхности. Работа демонстрирует, как полимерные оболочки могут скрывать наночастицы в кровотоке от захвата иммунной системой и печенью.
Как наночастицы получают «метку»
Сразу после попадания в кровоток на поверхность наночастиц немедленно прикрепляются белки плазмы — процесс, называемый «адсорбцией белка». Некоторые из этих белков действуют как маркер, помечая наночастицы как чужеродные тела, что заставляет иммунную систему удалять их.
Ранее считалось, что за очистку крови от «помеченных» наночастиц в основном отвечают макрофаги. Однако исследование Чена показало, что синусоидальные эндотелиальные клетки печени играют не менее важную роль.
«Это было несколько неожиданное открытие. Было в значительной степени неизвестно, что уменьшение захвата наночастиц этими клетками может иметь даже более драматический эффект, чем попытки предотвратить захват макрофагами», — отметил Чен.
Многослойная защита
Текущий метод защиты — покрытие наночастиц полимерной оболочкой для уменьшения адсорбции белков и, следовательно, предотвращения их удаления.
Широко используемым полимером для такого покрытия является полиэтиленгликоль (PEG). Исследования показали, что плотный слой PEG в форме «щётки» может отталкивать белки, а менее плотный слой, где полимерные цепи похожи на «грибы», также предотвращает адсорбцию белка.
Однако исследователи из Дрекселя обнаружили, что комбинация двух типов слоёв создаёт покрытие, которое может противостоять как белкам, так и клеткам-«вышибалам» иммунной системы.
«Мы выяснили, что нужен "гриб" поверх "щётки", чтобы наночастицы оставались "невидимыми" в кровотоке», — сказал соавтор работы Кристофер Ли. — «Наш иерархический двухслойный подход — это умный способ объединить преимущества как конфигурации "щётки", так и низкоплотных слоёв PEG, образующих "грибы"».
Продление времени циркуляции
Оказалось, что у PEG-«грибов», имеющих больше пространства на оболочке наночастицы, цепи колеблются, как водоросли в воде, что затрудняет их захват макрофагами и клетками печени. Плотный внутренний слой PEG-«щёток» выполняет свою часть работы, отталкивая белки. Вместе это создаёт мощную комбинацию для продления времени циркуляции наночастиц.
«Впервые мы показываем, что динамическая структура поверхности наноматериалов важна для их судьбы in vivo», — сказал ведущий автор статьи Хао Чжоу.
Чен обнаружил, что с иерархическими полимерными слоями наночастицы могут оставаться в кровотоке до 24 часов. Это двукратное увеличение по сравнению с лучшими результатами предыдущих исследований. Это означает, что большее количество частиц сможет достичь своей цели внутри опухолей.
«Это открытие предполагает, что мы определили оптимальную конфигурацию PEG для покрытия наночастиц. Продление времени циркуляции до 24 часов расширяет возможности использования наночастиц в терапии и диагностике рака», — отметил соавтор работы, онкохирург Уилбур Б. Боун.