Для лечения ишемического инсульта впервые опробованы углеродные нанотрубки, доставляющие миРНК - 9 Июля 2011

Среди основных причин смертности во всем мире инсульт занимает второе место, и в 8 случаях из 10 – это ишемический инсульт: снижение кровоснабжения мозга приводит к нехватке кислорода, глюкозы и других питательных веществ и усиленному образованию побочных продуктов метаболизма. Все это является причиной повреждения нейронов и, как результат, серьезных физиологических нарушений и часто смерти пациента. На молекулярном уровне главным фактором потери нервной ткани и связанного с ней апоптоза (запрограммированной клеточной смерти) является генетическая активация нуклеиновой кислоты белка каспаза-3. Эффективное постинсультное лечение, приводящее к снижению симптоматики или полному восстановлению, включает в себя предотвращение активации каспазы-3 либо генетическими, либо фармакологическими методами. Однако недавно группа европейских ученых объединила эти два метода, используя функционализированные углеродные нанотрубки (functionalized carbon nanotubes, f-CNT). Такие нанотрубки, приобретающие свойства растворимости в результате связывания с их стенками определенных молекул, способны доставлять в поврежденную ишемией нервную ткань малые интерферирующие РНК, или миРНК (siRNA, small interfering RNA, silencing RNA).

Интернациональную группу ученых возглавляли профессор Томмазо Пиццоруссо (Tommaso Pizzorusso) из Института неврологии Национального исследовательского совета Италии (Consiglio Nazionale delle Ricerche Neuroscience Institute) и Флорентийского университета (University of Florence) и профессор Костас Костарелос (Kostas Kostarelos) из Лаборатории наномедицины Лондонского университета (Nanomedicine Laboratory of the University of London). При использовании биосовместимых функционализированных нанотрубок (ф-УНТ) для доставки миРНК каспазы-3 (siCas 3) непосредственно в моторную кору мозга грызунов исследователи столкнулась с рядом проблем как нейробиологического, так и нанотехнологического характера. По словам профессора Костарелоса, главной проблемой в доставке нуклеиновых кислот в нервную ткань (не только с помощью нанотрубок) является обеспечение того, чтобы в цитоплазматические или ядерные мишени для миРНК и плазмидной ДНК, соответственно, попало достаточное их количество. Он отмечает, что «без использования вирусов нервной тканью, как оказалось, исключительно сложно манипулировать генетически из-за неэффективности средств переноса экзогенной генетической информации».

Поглощение нейронами функционализированных УНТ in vitro. (А) Химическая структура и изображения, полученные с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. (В) Микрофотографии первичной культуры нейронов из моторной зоны мозга мыши (эпифлуоресцентная и конфокальная лазерная сканирующая микроскопия).
(Фото: PNAS)

Прежде всего, ученые должны были снизить токсичность лечения за счет введения ф-УНТ непосредственно в зону поражения нервной ткани. Системное лечение требует больших количеств как средств доставки, так и лекарственного препарата, что увеличивает токсичность, объясняет профессор Пиццоруссо, поэтому нужно было разработать протокол местного введения. Кроме того, были нужны нанотрубки, способные сохраняться в растворе для микроинъекций, а также связывать и в конечном итоге высвобождать нуклеиновую кислоту, такую как миРНК. Необходимо было предупредить введение сгустков материала, а также обойти немало других препятствий.

Для решения всех этих проблем ученые разработали ряд инновационных методик и сейчас ищут пути к тому, чтобы сделать свои результаты применимыми непосредственно на моторной коре головного мозга человека.

«Ключевые инновации, используемые в этом работе, основываются на предыдущих исследованиях о том, что химически функционализированные УНТ способны к эффективной и прямой транслокации в цитоплазму клеток и, таким образом, к переносу внутрь клетки миРНК», – подчеркивает профессор Костарелос.

Профессор Пиццоруссо отмечает, что токсичность УНТ может изменяться как функция различных параметров, например, таких как размер и покрытие.

«Если предыдущие тесты проводились, чтобы найти лучший для использования вектор, то теперь мы должны будет определить точный процессинг вектора в головном мозге» – говорит он. «Кроме того, хотя местные микроинъекции клинически осуществимы и используются на практике, этот метод все же является инвазивным, и, конечно, должны быть изучены все возможные отдаленные побочные эффекты его применения. Векторы, которые смогут легко достигать ткани-мишени – например, для того, чтобы попасть в ткань мозга, вектор должен пересечь гематоэнцефалический барьер – позволят достичь широкого применения таких вмешательств».

На настоящий момент использованию любой из векторных систем для лечения пациентов препятствует отсутствие таких возможностей, и их применение ограничено специализированными клиниками.

Более того, продолжает профессор Пиццоруссо, открытым вопросом, с которым пришлось столкнуться команде, остается то, что инъекции, сделанные через нескольких часов после инсульта, менее эффективны, чем сделанные практически одновременно с ним. Ученым нужно выяснить, связано ли это с количеством доставляемой миРНК – в этом случае они могли бы изменить дозу или усовершенствовать вектор – или в более отдаленный постинсультный период мишенью должны стать другие биологические процессы.

Поглощение функционализированных УНТ нервной тканью in vivo. (А) Микрофотография паренхимы коры мозга через 48 часов после введения, показывающая поглощение нанотрубок клетками мозга. (B-D) Клетки определяются по их морфологическим характеристикам; нейроны отмечены пунктиром; в увеличенном квадрате нейрон с поглощенной ф-УНТ.
G, M и N – аппарат Гольджи, митохондрии и ядро, соответственно.
(Фото: PNAS)

Наиболее перспективным в ближайшее время профессор Костарелос видит использование ф-УНТ с нуклеиновыми кислотами в области выявления генов, вовлеченных в развитие неврологических заболеваний. В дальнейшем же возможно терапевтическое применение наноконструкций с миРНК для лечения различных заболеваний мозга, убежден он.

Профессор Пиццоруссо видит еще более широкую перспективу, «когда все области медицины, в которых для лечения непосредственно доступен определенный объем клеток, могут потенциально стать объектом нашего подхода».

Может ли в будущем эта технология быть развернута в полноценное средство доставки миРНК в живой организм, например, с помощью автономных нанороботов? «Потенциально, да», – считает профессор Пиццоруссо, но снова предупреждает, что «лечение головного мозга потребует векторов, способных проникать через гематоэнцефалический барьер, и с низкой системной токсичностью. И это именно то, о чем нужно думать раньше, чем об устройствах для автоматической системной доставки».

«Наш метод применим во многих областях неврологии»,– считает профессор Костарелос. «Большая часть из описанных в нашей статье экспериментов проведена in vivo и все животные хорошо перенесли процедуру».

Считая, что идея доставки миРНК автономными нанороботами является захватывающей как возможность, он трезво признает, что «слишком рано достоверно утверждать, что она когда-либо станет реальностью».

По материалам статьи Стюарта Мэйсона Дэмброта (Stuart Mason Dambrot)