Биофизики создали платформу для покрытия (модификации) поверхностей нано- и микрочастиц конструкциями из биомолекул. Данные конструкции могут иметь лекарственную и распознающую части и использоваться для направленной доставки лекарственных средств к опухоли. Работа опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. Разработкой занималась международная группа учёных, в которую входят исследователи из МФТИ, Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, МИФИ, ПМГМУ им. И. М. Сеченова и Университета Маккуори (Австралия).

«Магическая пуля»: доставить и вылечить

Концепция «магической пули» была сформулирована лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине Эрлихом Паулем на рубеже ХIХ и ХХ веков. Это конструкция, состоящая из двух частей: лекарственного средства и распознающего цель агента — молекулы, которая может «узнавать» другую молекулу в организме (цель). Целью чаще всего являются рецепторы на поверхности «проблемной» клетки, с помощью которых агент и распознаёт клетку. Такая универсальная система может использоваться как для терапии (лечения), так и для диагностики заболевания или одновременной диагностики и терапии (тераностики). Для создания подобной системы необходимы терапевтический и диагностический (распознающий) блоки, а также мощный «молекулярный клей», который сможет их соединить. В качестве «клея» могут выступать белки, способные крепко связываться друг с другом, образуя стабильный комплекс. Одним из самых стабильных комплексов является пара небольших бактериальных белков — барназа и барстар, их константа связывания около 10^14 М^-1. Чем больше константа связывания, тем крепче молекулы соединены друг с другом. Для сравнения: белковые комплексы типа антиген-антитело, на которых основана работа нашей иммунной системы, имеют константы связывания в диапазоне 10^8–10^11 М^-1. На основе барназы и барстара можно создавать отдельные блоки, присоединяя, например, терапевтическое средство (антитела, лекарства, флуоресцентные молекулы и т. д.) к барназе, а направляющий агент — к барстару. Затем при совмещении блоков образуется бифункциональное соединение, имеющее и направляющий, и лекарственный эффект, с помощью которого возможна направленная доставка лекарственного средства. Таким образом, «пришивая» к барназе и барстару разнообразные терапевтические и распознающие молекулы, мы можем получить различные тераностические средства, основанные на одинаковом принципе. Подобные молекулярные конструкции (не обязательно одинаковые) можно поместить на единый носитель — нано- или микрочастицу. Частицы могут обладать дополнительными свойствами: к примеру, они могут флуоресцировать или разрушаться под воздействием излучения и вслед за собой уничтожать вредоносные (например, раковые) клетки. Кроме того, на поверхности частиц можно разместить десятки молекулярных конструкций, что может увеличить терапевтический эффект.

Наноконструктор

Идея доставки лекарственных средств на основе нано- и микрочастиц активно развивается в научных лабораториях. Авторы исследования сконструировали и изучили свойства тераностического средства на основе наночастиц и белкового комплекса барназа-барстар.

«Большинство существующих на сегодняшний день методов химической конъюгации наночастиц с биомолекулами имеют ряд серьёзных проблем. Это неориентированное присоединение и низкая плотность присоединяемых молекул, пространственные затруднения при связывании с рецепторами на поверхности клеток, длительное время модификации и ряд других. Разработанный нами метод на основе белкового модуля барназа-барстар не изменяет пространственной структуры распознающих молекул, обладает высокой специфичностью и быстрой кинетикой образования: на соединение всех блоков уходит несколько минут», — говорит первый автор статьи, сотрудник лаборатории нанобиотехнологий МФТИ, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Виктория Шипунова.

Учёные использовали частицы с покрытием из диоксида кремния SiO2 для присоединения к молекулярному комплексу. Основная цель описанных в работе конструкций — раковые клетки, которые можно распознать с помощью онкомаркера HER2 на их поверхности. HER2 — это белок, отвечающий за рост и деление клеток. Он присутствует также и в здоровых клетках, но в раковых клетках HER2 находится в избытке (гиперэкспрессируется), что, в том числе, позволяет раковой клетке бесконтрольно делиться и расти. В качестве распознающего HER2 агента учёные выбрали молекулу из класса дарпинов (DARPins — Designed Ankyrin Repeat Proteins — белки с анкириновыми повторами). Это небольшие и очень стабильные белки, способные избирательно связываться с молекулой-мишенью. Помимо распознающей молекулы дарпина, конструкция должна также содержать молекулу, способную соединяться с поверхностью нано- или микрочастицы, то есть с диоксидом кремния. Учёные использовали для этой цели SiO2-связывающий пептид, полученный методами генной инженерии. В итоге окончательная конструкция выглядит следующим образом: нано- или микрочастица, покрытая диоксидом кремния, посредством SiO2-связывающего пептида с барстаром соединяется с блоком барназа-дарпин (рисунок 1). Важно отметить, что каждый из этих элементов можно изменить или даже заменить, влияя на свойства всей конструкции. Получился своего рода молекулярный конструктор для создания новых лекарственных средств.

Таким образом, учёным удалось создать универсальный молекулярный конструктор, который позволяет легко комбинировать различные молекулы для терапии и диагностики заболеваний, сохраняя их пространственную структуру и свойства.