Исследование: свет разрушает митохондрии раковых клеток

Свет может быть оружием, способным поражать и разрушать энергетические центры (митохондрии) опухолевых клеток и вызывать их массовую гибель. Об этом говорится в новом исследовании, опубликованном в декабрьском номере журнала Cancer Research.

Учёные из Университета штата Огайо объединили стратегии по проведению энергетически разрушительной генной терапии с использованием наночастиц, созданных для фокусировке только на опухолевых клетках. Эксперименты показали, что таргетная терапия эффективна в уменьшении глиобластомных опухолей головного мозга и агрессивных опухолей молочной железы у мышей.

Исследовательская группа преодолела серьезную проблему: она смогла разрушить структуры внутри митохондрий, с помощью метода, который индуцирует активируемые светом электрические токи внутри клетки. Они назвали технологию mLumiOpto.

«Мы разрушаем мембрану, так что митохондрии не могут полноценно функционировать, производя энергию или выполняя роль сигнального узла. Это вызывает запрограммированную гибель клеток с последующим повреждением их ДНК: наши исследования показали, что когда эти два механизма задействованы, они убивают раковые клетки», — пояснил соавтор исследования, профессор биомедицинской инженерии и хирургии Университета штата Огайо Луфан Чжоу.

Второй соавтор исследования профессор химической и биомолекулярной инженерии в штате Огайо Маргарет Лю разработала частицы, используемые для точной доставки генной терапии в опухолевые клетки. Чжоу и Лю также являются исследователями в Комплексном онкологическом центре Университета штата Огайо.

Митохондрии, основные производители энергии, обеспечивающей работу клеток, в течение многих лет считались привлекательной мишенью для противораковой терапии, но их непроницаемая внутренняя мембрана затрудняла практическую реализацию этой идеи.

Пять лет назад в лаборатории Чжоу поняли как использовать уязвимость внутренней мембраны, задействовав разницу электрических зарядов.

«Предыдущие попытки использовать фармацевтический реагент против митохондрий были нацелены на конкретные пути активности опухолевых клеток», — поясняет Чжоу. «Наш подход напрямую нацелен на митохондрии, он использует внешние гены для активации процесса, убивающего клетки. Это преимущество, и мы показали, что можем добиться очень хорошего результата в уничтожении различных типов опухолевых клеток».

Предыдущие клеточные исследования Чжоу показали, что внутренняя мембрана митохондрий может быть разрушена белком, создающим электрические токи, и исследователи активировали этот белок с помощью лазера. В этой новой работе команда создала внутренний источник света, который является ключом к использованию технологии в клинических целях.

Стратегия предполагает предоставление генетической информации для двух типов молекул: светочувствительного белка, известного как CoChR, который может производить положительно заряженные токи, и фермента, излучающего биолюминесценцию. Вставленные в измененную вирусную частицу и доставленные в опухолевые клетки, белки производятся, пока их гены экспрессируются в митохондриях. Последующая инъекция определенного химического вещества включает свет фермента и активирует CoChR, что приводит к коллапсу митохондрий. Другая половина дела — убедиться, что подобная терапия не вредит здоровым клеткам.

Лаборатория Лю специализируется на разработке таргетных методов лечения рака. Основой системы доставки в этой работе является хорошо изученный аденоассоциированный вирус (AAV), минимально инфекционный вирус, предназначенный для доставки генов и стимулирования их экспрессии в терапевтических целях.

Команда Лю усовершенствовала систему, чтобы улучшить ее специфичность в отношении рака, добавив промоторный белок для увеличения экспрессии CoChR и биолюминесцентного фермента только в опухолевых клетках. Исследователи также произвели AAV, используя человеческие клетки, которые упаковали упакованный с генами вирус в природный наноноситель, напоминающий внеклеточные везикулы, циркулирующие в человеческой крови и биологических жидкостях.

«Эта конструкция обеспечивает стабильность в организме человека, поскольку эта частица происходит из линии клеток человека»,  — поясняет Лю. Наконец, исследователи разработали и прикрепили к транспортной частице моноклональное антитело, предназначенное для поиска рецепторов на поверхности опухолевых клеток. «Это моноклональное антитело может идентифицировать конкретный рецептор, затем находит опухолевые клетки и доставляет наши терапевтические гены. Мы использовали несколько инструментов, чтобы подтвердить этот эффект», — добавила она.

«После создания AAV со специфичным для рака промотором и наночастицей, нацеленной на рак, мы обнаружили, что эта терапия очень эффективна для лечения множественных опухолей».

Эксперименты на моделях мышей показали, что стратегия генной терапии значительно снижает опухолевую нагрузку по сравнению с необработанными животными при двух быстрорастущих и трудно поддающихся лечению опухолях: глиобластоме головного мозга и тройном негативном раке молочной железы.

Помимо уменьшения опухолей, лечение продлило длительность жизни мышей с глиобластомами.

Исследования на животных также подтвердили, что эффекты генной терапии ограничиваются раковыми тканями и не обнаруживаются в нормальных тканях. Результаты также показали, что атака моноклональными антителами имела дополнительное преимущество, заключающееся в индукции иммунного ответа против раковых клеток в микроокружении опухоли.

В настоящее время команда ученых исследует дополнительные потенциальные терапевтические эффекты mLumiOpto при глиобластоме, трижды негативном раке молочной железы и других видах рака.

Штат Огайо подал предварительную заявку на патент на эту технологию.