Ученые Университета МИСИС и РНИМУ им. Н. И. Пирогова создали комбинацию магнитных наночастиц оксида железа (III) (МНЧ) с редокс-чувствительными веществами (от англ. redox — REDuction-OXidation, т.е. чувствительными к клеточным окислительно-восстановительным процессам), которая может стать перспективной основой для нового многофункционального наноматериала для лечения онкологических заболеваний. Воздействие может быть особенно эффективным при лечении раковых клеток, чувствительных к ферроптозу, например 4T1 клеточной линии рака молочной железы. Этот эффект впервые в мире описан в международном научном журнале Pharmaceutics (Q1).
Ферроптоз – это специфический вид запрограммированной гибели клеток в ответ на окислительный стресс, вызванный воздействием ионов железа (III). Этот процесс перспективен для противоопухолевой терапии, поскольку может запускаться избирательно в раковых клетках-мишенях, благодаря тому, что наноматериалы на основе оксида железа могут существенно влиять на окислительно-восстановительную среду клетки.
«Магнитные наночастицы и редокс-чувствительные материалы уже применяются в лечении раковых опухолей по отдельности, однако их синергический эффект еще не был описан, – говорит соавтор исследования Александр Савченко, к.ф.-м.н., заведующий кафедрой физического материаловедения НИТУ МИСИС. – Мы нанесли на поверхность магнитных наночастиц редокс-чувствительный слой из дисульфидных соединений и полиэтиленгликоля. Затем ввели в клетки, где наночастицы теряют свою оболочку, что приводит к относительно быстрому растворению магнитного ядра и повышению цитотоксичности наночастиц. Двойной эффект Fe (III) и дисульфидов может синергически усиливать окислительный стресс раковых клеток и вызывать их гибель по пути ферроптоза».
Стимул-чувствительные системы доставки с быстрым и эффективным высвобождением лекарственных средств в опухолевых клетках представляют наибольший интерес в биомедицине. Эти системы демонстрируют более высокую химическую стабильность в кровотоке, а также быструю реакцию на изменения внутриклеточных условий, тем самым индуцируя высвобождение лечебного средства в цитозоле и ядре клетки, где и проявляют свое терапевтическое действие. Они обычно реагируют на специфические внутренние раздражители, такие как ферменты, уровень рН и окислительно-восстановительный потенциал. Высокий восстановительный потенциал в клетках объясняется главным образом широко распространенным в них глутатионом. Известно, например, что внутриклеточная концентрация глутатиона составляет приблизительно 2-10 мкМ, особенно в определенных органеллах, таких как лизосомы, митохондрии и клеточное ядро, в то время как его уровень во внеклеточной среде (кровь и внеклеточный матрикс) в тысячу раз ниже (приблизительно 2-20 мкм). Кроме того, концентрация глутатиона в опухолевых тканях может быть более чем в 4 раза выше, чем в нормальных тканях, и достигать концентраций порядка 100 мм.
«Это существенное различие в свойствах между внеклеточной и внутриклеточной средами, а также между опухолями и нормальными тканями дает уникальное преимущество материалам, чувствительным к окислительно-восстановительным потенциалам, поскольку они будут стабильны во внеклеточной среде, но быстро и эффективно высвободят лекарственное средство внутри клетки, что является предпосылкой для создания широкого класса разнообразных средств доставки с высокой селективностью и эффективностью в противоопухолевой терапии», — сказал соавтор исследования, инженер НОЦ «Биомедицинской инженерии» НИТУ МИСИС Артём Илясов.
Чувствительность к окислительно-восстановительному потенциалу – это ключевой фактор, влияющий на скорость внедрения и растворения МНЧ с высвобождением ионов железа внутри раковых клеток.
«Мы экспериментально доказали, что снижение жизнеспособности клеток 4T1 было вызвано синергическим эффектом дисульфидных связей полимерной оболочки редокс-чувствительных наночастиц и высокой окислительной способности оксида железа магнитного ядра. Они оба вызывают истощение запасов глутатиона в раковых клетках, что приводит к их гибели, предположительно по пути ферроптоза», — отметил автор исследования Тимур Низамов, младший научный сотрудник лаборатории «Многофункциональные магнитные наноматериалы» НИТУ МИСИС.
По словам Тимура Низамова, магнитные наночастицы могли бы существенно расширить область применения редокс-чувствительных наноматериалов в МРТ-диагностике, магнитной гипертермии и других областях биомедицины, благодаря их способности дистанционно управляться с помощью внешнего магнитного поля.
Представленное исследование было профинансировано РФФИ (проект № 20-03-00967) и грантом НИТУ МИСИС, выигранным по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
Имеются противопоказания, не занимайтесь самолечением — обратитесь к специалисту!