В России создали первую в мире ДНК-конструкцию, отличающую раковые клетки от здоровых по концентрации онкомаркеров

Чтобы лечить онкологические заболевания, ученые разрабатывают разные противоопухолевые агенты, например антисмысловые олигонуклеотиды. Это короткая цепочка ДНК, которая связывает матричную РНК (мРНК) и разрушает ее с помощью белка РНКазы Н. Ученые ИТМО усовершенствовали это соединение и создали бинарный антисмысловой олигонуклеотид. Он состоит из двух цепочек олигонуклеотида (короткого фрагмента ДНК, который синтезируют химически). Одна часть каждой цепочки находит молекулу РНК онкомаркера, а другая — связывается с матричной РНК гена домашнего хозяйства, который поддерживает жизнедеятельность онкоклеток, и расщепляет ее. Эта технология убивает только онкоклетки и оставляет нетронутыми здоровые, если в них нет онкомаркеров.

Но даже здоровые клетки могут содержать несколько онкомаркеров в низкой концентрации. Например, miR17-5p считается онкомаркером, так как участвует в развитии рака легких, молочной железы, шейки матки, поджелудочной железы и колоректального рака, но только если сверхэкспрессируется — существует в огромном количестве копий в клетке. В низких концентрациях онкомаркер miR17-5p регулирует разные биологические процессы. Но бинарный антисмысловой олигонуклеотид все равно может использовать его в качестве активатора для запуска клеточной гибели и расщепить жизненно важные гены домашнего хозяйства как в раковых, так и в здоровых клетках.

Другой недостаток традиционных противоопухолевых агентов — выбор цели. Они расщепляют сверхэкспрессированные онкогены, ответственные за развитие заболевания, а не жизненно важные гены домашнего хозяйства. В итоге раковые клетки перестают делиться, но остаются жить в организме. Такое лечение не считается эффективным.

Чтобы повысить избирательность антисмысловых олигонуклеотидов и научить их расщеплять целевую мРНК нужных генов именно в онкологических клетках, ученые лаборатории «Нанотехнологии нуклеиновых кислот» ИТМО первыми в мире разработали ДНК-конструкцию на основе бинарного антисмыслового олигонуклеотида с пороговой функцией. Такая конструкция точно определяет концентрацию онкомаркеров и расщепляет целевую матричную РНК гена только тогда, когда концентрация превышена. Эта разработка позволит сделать противоопухолевую терапию более точной и безопасной, так как здоровые клетки останутся нетронутыми.

«В основу нынешней разработки легло другое наше соединение — бинарный антисмысловой олигонуклеотид. Две его цепочки реконструировали в два варианта ДНК-конструкции с пороговой функцией. Первому варианту нужно, чтобы в раковой клетке с ним связались две молекулы онкомаркера, а второму — три молекулы. Выбирая вариант, мы можем регулировать, при каком количестве запустить противоопухолевую терапию, где требуется высокий или низкий порог концентрации онкомаркеров, чтобы отличить раковые клетки от здоровых. Теперь антисмысловой олигонуклеотид более точечно и избирательно реагирует именно на раковые клетки. Ранее терапия вызывала гибель всех раковых и здоровых клеток, где была хотя бы одна молекула онкомаркера. Наша методика гарантирует более безопасную терапию», — пояснила Валерия Дрозд, один из авторов статьи, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.

Исследования также показали, что ДНК-конструкция с пороговой функцией может отличать близкородственные онкомаркеры.

«Например, существуют две похожих микроРНК miR-17a-5p и miR-20. Первый при сверхэкспрессии в онкогенезе может вызвать рак печени, желудка или колоректальный рак, а второй играет роль в регуляции пролиферации, дифференцировки и апоптоза клеток. Однако его также можно рассмотреть в качестве онкомаркера. Но отличаются эти онкомаркеры всего двумя нуклеотидами. Если ДНК-конструкция по ошибке выбирает в качестве активатора не то соединение, произойдет запуск терапии в нормальной клетке, и это отрицательно скажется на организме. Мы научили наши соединения различать похожие последовательности и использовать в качестве активатора только те, что нам нужны», — рассказал Ахмед Мустафа, первый автор статьи, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.

С помощью разработки ученых ИТМО можно сделать таргетную терапию не только более безопасной и точной, но и персонализированной. Все виды рака имеют свои онкомаркеры и жизненно важные гены домашнего хозяйства. Поэтому специалистам важно исследовать клетки конкретного пациента и подобрать специально для него ДНК-конструкцию, которая будет специфично и эффективно бороться с его онкологическим заболеванием.

«Мы испытали нашу ДНК-конструкцию в лабораторных условиях in vitro, далее планируем проверить ее в клеточных культурах. Для этого мы разработаем химическую модификацию для ДНК-конструкции, чтобы защитить ее от нуклеаз — ферментов, которые расщепляют чужеродные нуклеиновые кислоты внутри клеток. В перспективе наша разработка станет частью ДНК-наноробота, который будет сочетать функции доставки, сенсоринга, анализа данных и терапии. Соединение будет избирательно реагировать на РНК, связанную с раком, и активировать апоптоз (регулируемый процесс гибели опухолевых клеток)», — подчеркивает Ахмед Эльдиб, один из авторов исследования, руководитель лаборатории «Нанотехнологии нуклеиновых кислот».

Исследование поддержано программой развития ИТМО Приоритет 2030.