Создание эффективных препаратов для борьбы с онкологическими заболеваниями, которые бы при этом не вызывали тяжелых побочных эффектов, сейчас является одной из самых важных задач для химиков, фармацевтов и биологов. Большие надежды ученые возлагают на генную терапию, направленную на борьбу с теми мутациями, которые возникают в клетках человека.

«ДНК — это основа клетки, она содержит генетическую информацию, которая нужна, чтобы кодировать белки, которые жизненно необходимы для существования клетки, — рассказывает соавтор исследования, магистрант химико-биологического кластера Университета ИТМО (образовательная программа «Молекулярная робототехника и биосенсорные системы») Екатерина Гончарова. — Когда клетка становится раковой, у нее происходит сбой в геноме, после чего она начинает синтезировать “плохие” белки, не те, которые нужны нашему организму. В результате клетки начинают бесконтрольно размножаться, этот процесс не остановить — опухолевая масса увеличивается и увеличивается».

Если процесс выработки связанных с болезнью белков прекратить, то раковые клетки не смогут делиться и начнут отмирать. Сейчас существуют разные технологии для решения этой задачи, однако все они имеют недостатки. Ученые Университета ИТМО предложили использовать для борьбы с делением патогенных клеток химически синтезированные элементы ДНК.

ДНК-наноробот: обнаружить и уничтожить

Ферменты ДНК, называющиеся дезоксирибозимами, могут при определенных условиях расщеплять связи в РНК. Это свойство и решили использовать ученые — они создали на основе искусственно синтезированных в лаборатории дезоксирибозимов так называемых нанороботов.

«Наш ДНК-наноробот, разумеется, состоит не из железок, как можно представить по названию. Это химические молекулы, которыми можно управлять и доставлять к нужному месту в организме. “Робот” состоит из двух частей: детекционная и терапевтическая, — поясняет Гончарова. — Терапевтическая часть разрезает патогенную РНК: чем больше мы разрезаем ее, тем меньше вырабатывается белка, который несет вред. Таким образом мы сдерживаем популяцию клеток от размножения. Вторая часть нашего робота позволяет обнаруживать пораженные клетки — при наличии "неправильной" РНК в клетке наше вещество соединяется с олигонуклеотидом, который искусственно введен в клетку, расщепляет его, при этом происходит флюоресцентное свечение. Такое двойное действие, когда один препарат и лечит, и диагностирует болезнь, называется тераностика».         

Для исследования действенности данного метода ученые взяли ген KRAS. При большинстве онкологических заболеваний его работа дисрегулирована, и он служит «молекулярным переключателем», который активирует факторы роста клетки, что приводит к делению пораженных клеток. Чтобы проверить эффективность расщепления РНК этого гена, ученые создали условия, близкие к среде внутри живой клетки. В результате наноробот смог обнаружить в этой среде патогенную РНК и разрезать ее.    

«Сейчас тераностика еще недостаточно развита. Она используется при лучевых методах лечения, к примеру. Мы облучаем человека, убиваем раковые клетки, а заодно получаем картинку, на которой видим очаги ракового роста. Однако не было представлено концепта, который бы без подобного внешнего воздействия, излучения, имел бы такую же тераностическую составляющую», — говорит Екатерина Гончарова.  

Еще одним потенциальным преимуществом предложенного концепта является цена. Создание такого нано-робота даже в лабораторных условиях стоит всего примерно 1000 — 1500 рублей.

Преимущества и сложности

В настоящий момент проведены эксперименты в химически созданных средах, впереди эксперименты на живых клетках и, потенциально, на животных. Одна из важных проблем, которую ученым предстоит решить, состоит в том, как доставить наноробота к пораженным клеткам.

«Доставка в клетки достаточно тяжела, так как у нас есть иммунный ответ организма, и все препараты, попадающие внутрь организма, подвержены этому ответу, — поясняет исследователь. — Потенциальное преимущество нашего метода — это биосовместимость. ДНК — это тот материал, который у нас и так есть в клетках, поэтому в теории эти вещества не должны вызвать сильного иммунного ответа».

Тем не менее, хоть у вещества и больше шансов уцелеть в организме человека, его все равно необходимо эффективно защитить от иммунной системы, чтобы максимальное число препарата добралось до цели. При этом наноноситель должен эффективно и без вреда для пациента выводиться из организма. Работы над подобными носителями в настоящее время активно ведутся в различных лабораториях, в том числе на площадке Университета ИТМО.