Избирательное уничтожение раковых клеток путем "засорения" их системы утилизации отходов

Исследователи из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) и Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) открыли новый подход для избирательного уничтожения нескольких типов раковых клеток.

Лизосомы — это небольшие мешочки, заполненные множеством ферментов и кислотой, которые расщепляют и перерабатывают поврежденные и ненужные клеточные компоненты. Они одновременно являются и "мусорным баком", и центром переработки клетки. Обычно лизосомы избавляются от побочных продуктов этого процесса, выводя их за пределы клетки. Разрыв лизосом и выброс их токсичного содержимого внутрь клетки повреждает клеточные компоненты необратимо и может вызвать гибель клетки.

Поскольку лизосомы раковых клеток повредить легче, чем у здоровых, эта стратегия рассматривается как перспективная альтернатива для лечения устойчивых к обычной терапии видов рака. Однако лишь немногие потенциальные препараты могут нацеливаться на лизосомы, и большинство из них не обладают избирательностью к раковым клеткам.

Исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, показывает, что наночастицы, покрытые смесью положительно [+] и отрицательно [-] заряженных молекул, могут избирательно убивать раковые клетки, воздействуя на их лизосомы. Гибель клеток является результатом последовательности процессов транспорта и агрегации: от образования небольших кластеров наночастиц на поверхности клеток до сборки микронных кристаллов из наночастиц внутри раковых лизосом. Кристаллы вызывают набухание лизосом, постепенную потерю целостности их мембран и, наконец, гибель клетки.

"В этой работе мы использовали разбалансированную систему утилизации отходов раковых клеток в качестве "сборочной линии наномасштаба" для создания высококачественных кристаллов наночастиц, которые разрушают сами лизосомные "реакторы", позволившие им вырасти", — говорит Бартош А. Гжибовски, соавтор исследования.

Агрегация наночастиц со смешанным зарядом благоприятствует кислой среде, типичной для раковых клеток. "Однако нераковые клетки также поглощают такие наночастицы, но агрегация в них ограничена. Наночастицы быстро проходят через пути рециркуляции и выводятся из этих клеток", — объясняет Кристиана Кандере-Гжибовска, соавтор исследования.

"Наши выводы основаны на сравнении тринадцати различных клеточных линий сарком, меланомы, карцином молочной железы и легких с четырьмя типами нераковых клеток, — добавляет первый автор исследования Магдалена Борковска. — Наночастицы были эффективны против всех тринадцати раковых линий, не причиняя вреда нераковым клеткам".

Агрегация наночастиц при прохождении через эндолизосомальную систему раковых клеток — сложный процесс. Команда обнаружила, что оптимальной избирательностью к раку обладают наночастицы с поверхностным составом около 80% [+] и 20% [-] лигандов. Ключевую роль в избирательности, по-видимому, играет pH-чувствительность отрицательно заряженных лигандов. В кислой среде (вокруг раковых клеток и внутри лизосом) эти лиганды протонируются и склонны взаимодействовать с аналогичными лигандами на соседних наночастицах, способствуя их агрегации. Баланс между силами притяжения (связи между [-] лигандами и сильные взаимодействия между ядрами наночастиц) и электростатическим отталкиванием [+] лигандов на соседних частицах определяет степень агрегации.

"Кластеры наночастиц могут изменять липидный состав мембраны лизосомы, влиять на её целостность и снижать её механическую прочность. Неожиданно мы также обнаружили, что некоторые белки, такие как сигнальные молекулы роста клеток mTORC1, смещаются (и, следовательно, ингибируются) с поверхности раковых лизосом, содержащих наночастицы. Это важно, потому что рост и деление раковых клеток требуют mTORC1, а наночастицы отключают его только в раковых клетках", — объясняет Кандере-Гжибовска.

Хотя одиночные наночастицы слишком малы для наблюдения методами динамической микроскопии живых клеток, кристаллы из нескольких частиц можно увидеть. Команда использовала комбинацию методов: темнопольную микроскопию, конфокальную отражательную микроскопию, TEM, а также биохимические и вычислительные подходы.

Это исследование открывает новые направления. Стратегия смешанного заряда может быть применена к другим типам наночастиц (полимерным, дендримерам или наночастицам оксида железа). Следующим важным шагом будет тестирование эффективности наночастиц со смешанным зарядом против опухолей на животных моделях.