Однажды противораковое средство может стать клеткой со специально оборудованными мощными шариками, которые всплывают, когда их помещают рядом с ультразвуковым лучом, убивая окружающие раковые клетки. Исследователи из Калифорнийского технологического института проверяли эту идею в лаборатории и на этой неделе опубликовали свою последнюю работу в журнале Nature Nanotechnology.
Ключом к этой операции являются крошечные белковые пузырьки, которые биологи называют газовыми везикулами. Некоторые бактерии и протисты обладают генетической способностью генерировать эти структуры по требованию: Если микроб хочет подняться на поверхность, он может сгенерировать несколько газовых пузырьков, придав своему телу большую плавучесть и подтолкнув его вверх. Если он хочет утонуть, он может выпустить несколько газовых пузырьков и сделать все наоборот.
Газовые пузырьки действительно древние: Некоторые ученые считают, что они возникли в первобытных морях Земли еще три миллиарда лет назад. Теперь, в 21 веке, ученые ловко перепрофилировали газовые пузырьки для своих нужд. Они смогли генетически сконструировать микробы, которые могут попасть в организм, где их можно обнаружить с помощью ультразвукового аппарата, подобного тем, которые используются во время беременности.
Но у газовых пузырьков есть и другие способности. Обычно, когда пузырек газа лопается, газ внутри него исчезает. Но, управляя этим газом с помощью точно настроенных ультразвуковых волн, исследователи узнали, что они могут заставить пузырьки газа расти и расти - до тех пор, пока пузырьки сами не всплывут, с силой, создавая ударные волны.
Ученые называют этот процесс инерционной кавитацией, и это та же наука, которая позволяет ультразвуку чистить ваши ювелирные изделия. Авторы исследования задались вопросом, можно ли использовать ударные волны от этих пузырьков, надутых ультразвуком, для борьбы с опухолями. Если бы можно было генетически модифицировать клетку для производства газовых пузырьков, то ее можно было бы превратить в мощный "спящий агент", готовый к активации ультразвуком.
"Теперь клетка становится взрывчатым веществом", - говорит Михаил Шапиро, инженер-химик из Калифорнийского технологического института, принимавший участие в исследовании.
Сначала исследователи должны были проверить взрывные способности газовых пузырьков. Они поместили газовые пузырьки в чашку Петри вместе с типом клеток глиобластомы, который часто используется в исследованиях рака мозга. После того как они облучили чашку ультразвуком, через несколько секунд они увидели признаки широкомасштабного разрушения, что указывало на то, что виновниками были газовые пузырьки.
Затем исследователи проверили этот процесс на живых, больных раком мышах. Исследователи ввели бактерии E. coli, которые, как известно, склонны к колонизации опухолей, модифицированные геном, позволяющим микробам создавать газовые везикулы.
"Мы как бы путешествуем автостопом по этим клеткам, которые знают, как добраться до нужного места", - говорит Авиноам Бар-Цион, постдок в Калтехе и первый автор этой работы.
После того, как бактерии циркулировали в течение пяти дней, они включили ультразвук. К этому времени исследователи обнаружили, что бактерии колонизировали глубоко внутри опухолей. Спустя почти две недели после обработки ультразвуком опухоли, в которые попали саботирующие бактерии, росли в три раза медленнее, чем те, в которые они не попали. А мыши, получившие лечение газовыми пузырьками, прожили в среднем более чем в два раза дольше, чем их собратья.
Это не первый случай, когда ученые возились с маленькими пузырьками внутри человеческого тела. Крошечные пузырьки размером с эритроцит, которые уместно назвать микропузырьками, уже несколько десятилетий тестируются как потенциальный способ доставки лекарств. Ученые не впервые задумались об использовании микробов в качестве транспортного средства для доставки лекарств в организм. Исследователи проверили способность некоторых бактерий доставлять лекарства, которые могут лечить некоторые заболевания, например, болезни кишечника. Но они еще далеки от одобрения FDA, и некоторые ученые по-прежнему скептически относятся к этой идее.
"Спустя десятилетия я просто не видел, чтобы это воплотилось в жизнь", - говорит Марк Борден, биомедицинский инженер из Университета Колорадо в Боулдере, который не принимал участия в этом исследовании.
Группа из Калтеха утверждает, что их подход отличается от других. Оператор может управлять их установкой с помощью ультразвукового аппарата. В результате их терапия обладает заманчивой способностью - по крайней мере, на бумаге - управляться извне тела.
"Это дает вам возможность включать терапию, когда вы хотите, а затем подвергать ее воздействию столько, сколько вы хотите", - говорит Борден. "Вы можете официально включать и выключать его, что очень редко, я думаю, для терапевтических препаратов".
Кроме того, не всегда легко убедиться, что лечение рака попадает в нужное место. Но группа из Калтеха задействовала микробов, которые от природы склонны проникать в раковые клетки, таким образом, выполняя работу по доставке газовых везикул туда, куда нужно.
"Клетки могут быть агентом доставки, который доставляет их в нужное место и делает их на месте, в нужном месте", - говорит Шапиро.
Конечно, заставить эти исследования работать в лаборатории - это одна задача, а попасть в руки врачей - совсем другая, и исследователям еще предстоит пройти долгий путь. Во-первых, им необходимо убедиться, что введение микробов, содержащих газовые пузырьки, в организм человека не приведет к срабатыванию иммунной системы и не вызовет повреждения тканей вне опухоли. Поэтому необходимо провести дополнительные испытания терапии на животных, таких как грызуны, свиньи и нечеловеческие приматы.
Но если это получится, то это может пополнить постоянно растущий арсенал средств, которые можно использовать против угрозы рака.
"Это увлекательная технология, и я думаю, что у нее большой потенциал", - говорит Борден.