Наносенсоры для мониторинга и изучения рака через ферменты

Рак характеризуется ключевыми биологическими процессами — «признаками рака», которые изменяют клетки и их окружение, позволяя опухолям формироваться, расти и процветать. Эти изменения часто опосредованы специфическими генами и белками, но их конкретика варьируется.

Существующие чувствительные инструменты для измерения экспрессии белков или генов не показывают, какие белки активны и релевантны прогрессии опухоли, и не позволяют неинвазивно отслеживать течение болезни или ответ на лечение. Ферменты, катализирующие биохимические реакции, могут дать более ясную картину того, какие гены или белки целесообразно атаковать в конкретный момент.

В работе, опубликованной в Nature Communications, исследователи из MIT разработали набор наноразмерных инструментов, нацеленных на ферменты, для:

• мониторинга прогрессии рака и ответа на лечение в реальном времени,
• картирования активности ферментов в точных локациях внутри опухоли,
• выделения релевантных популяций клеток для анализа.

«Мы надеемся, что этот новый набор инструментов будет полезен как в клинике, так и в лаборатории», — говорит старший автор исследования Сангита Бхатия.

Отслеживание опухолей в реальном времени

Лаборатория Бхатии несколько лет разрабатывает неинвазивные тесты мочи для обнаружения рака. Тесты используют наночастицы, взаимодействующие с протеазами опухоли — ферментами, которые, как молекулярные ножницы, разрезают белки и помогают раковым клеткам вырваться из опухоли.

Наночастицы покрыты пептидами, нацеленными на протеазы, связанные с раком. При попадании в опухоль пептиды расщепляются и высвобождают биомаркеры, обнаруживаемые в моче.

В данном исследовании команда создала панель из 14 наночастиц, нацеленных на протеазы, сверхэкспрессируемые в немелкоклеточном раке легкого у мышей. Каждый наносенсор отслеживал разные паттерны активности протеаз, которые резко менялись по мере прогрессирования опухоли. После лечения препаратом против рака легких признаки регрессии опухоли были обнаружены уже через три дня.

Клеточные карты и популяции

Исходная методика не могла пролить свет на конкретные клеточные процессы. «Наш репортер мочи рассматривает тело как черный ящик», — говорит постдок Джесси Киркпатрик.

Исследователи адаптировали свои нанозонды так, чтобы они оставляли флуоресцентные метки при расщеплении, присвоив разные метки разным протеазам. Применив зонды к образцам ткани легкого, они обнаружили паттерны распределения меток.

Одна метка показала веретенообразный паттерн, который оказался принадлежащим опухолевой васкулятуре. Активность протеазы была обнаружена в специфических типах клеток:

• Эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды.
• Перициты, регулирующие сосудистую функцию и активно рекрутируемые при ангиогенезе — одном из архетипических признаков роста раковых клеток. Ангиогенез позволяет опухолевым клеткам получать питательные вещества.

Используя нанозонды для маркировки и сортировки клеток на основе их ферментативной активности, команда идентифицировала популяции клеток, связанных с васкулятурой, которые демонстрировали повышенную экспрессию генов, связанных с ангиогенезом. Также были найдены свидетельства сигналинга между перицитами и эндотелиальными клетками, которые вместе составляют ангиогенные кровеносные сосуды.

Наблюдение за признаками рака

В будущем команда планирует идентифицировать конкретную протеазу, активную в перицитах, и изучить её роль в ангиогенезе. Цель — разработать терапии, нарушающие рекрутирование и формирование кровеносных сосудов, связанных с ростом опухоли.

В конечном итоге команда видит создание панелей нанозондов, одновременно и неинвазивно нацеленных на несколько ключевых признаков рака у пациентов. К другим признакам относятся пролиферативная сигнализация, уклонение от супрессоров роста, нестабильность генома, устойчивость к гибели клеток, нарушенный метаболизм, активация инвазии и метастазирования. Поскольку рак изменяет активность протеаз во всех этих процессах, нанозонды можно спроектировать для их таргетинга, чтобы получить комплексную картину активности опухоли. Этот подход может быть использован как исследователями, так и клиницистами для мониторинга прогрессии рака и подбора лечения.