В Казанском университете разработаны новые перспективные контрастные агенты для МРТ

Ученые Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского федерального университета разработали новый вид контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ) — наночастицы бычьего сывороточного альбумина, допированные ионами марганца(II). Результаты исследования опубликованы в научном журнале International Journal of Biological Macromolecules квартиля Q1 (издательский дом Elsevier).

Обширное исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, провели ученые Химического института им. А. М. Бутлерова, Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, Казанского национального исследовательского технологического университета и Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева.

Использование биомолекул при разработке наноматериалов — хорошо известный способ повышения биосовместимости последних.

Белки крови являются наиболее распространенными биологическими объектами исследования, так как они обладают уникальной способностью связывать и переносить различные субстраты, в том числе ионы металлов. Бычий сывороточный альбумин (BSA) — классический белок, который является ближайшей и наиболее активно исследуемой моделью человеческого сывороточного альбумина. Основной функцией этого белка в человеческом организме является транспортная: он обратимо связывает различные биомолекулы и осуществляет их перенос. BSA является наиболее коммерчески доступным белком, его стоимость относительно других белков невелика, поэтому многие биологические исследования, которые претендуют на дальнейшее применение в ветеринарии, медицине, а также биомедицинских целях, проводятся на бычьем сывороточном альбумине.

За счет контролируемой мягкой денатурации свойства нативных, то есть исходных белков, могут быть кардинальным образом изменены. Модификация свойств белковых молекул и последующее их соединение определенными сшивающими агентами позволяет закрепить полученные функциональные характеристики и синтезировать наночастицы на их основе. Такие частицы обладают размером порядка 100 нанометров, что весьма актуально для биомедицинского применения — они способны пересекать различные барьеры в организме.

Исследование проводилось на базе кафедры физической химии, НИЛ «Материалы для водородной энергетики и традиционной энергетики с низким углеродным следом» КФУ и лаборатории физикохимии супрамолекулярных систем Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН.

В ближайшей перспективе технология может получить свое применение в биомедицинской диагностике при установлении контраста между здоровой и больной тканями при проведении диагностики с помощью метода магнитно-резонансной томографии.

Рустэм Заиров, доцент кафедры физической химии Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Зачем при процедуре МРТ нужен контрастный агент?

— Рак представляет собой группу сложных заболеваний, характеризующихся агрессивным делением опухолевых клеток, приводящим к поражению как самого органа, так и других близлежащих тканей. Клетки злокачественных опухолей имеют склонность к метастазированию, то есть к распространению с током лимфы или крови по всему организму с образованием новых очагов опухолевого роста во многих частях организма, удаленных от первичного очага. Число выявленных в мире случаев онкологических заболеваний неуклонно растет. При этом наряду с заболеваниями сердечно-сосудистой и дыхательной систем рак формирует тройку групп болезней с наибольшей смертностью. В то же время выживаемость пациентов, больных онкологией, находится в прямой корреляции с ранней диагностикой заболевания. Выявленная на ранней доклинической стадии онкология излечима более чем в 90% случаев. В связи с этим развитие методов и технологий ранней, чувствительной и специфической диагностики онкологических заболеваний является первостепенной задачей исследователей, работающих в области медицины, биологии, химии, а также на стыке этих научных дисциплин.

Развитие неинвазивных методов диагностики и терапии заболеваний требуется для того, чтобы получать информацию о состоянии изучаемых систем и органов одновременно, оказывая как можно меньшее на них влияние. Магнитно-резонансная томография является современным неинвазивным методом визуализации тканей организма и диагностики опухолевых заболеваний. Примерно в 40% случаев МРТ-обследований и 60% МРТ-нейрографии требуется введение в организм специальных контрастных агентов. В качестве таких агентов может выступать парамагнитный ион металла, способный эффективно снижать время релаксации протонов воды, находящихся в поле действия постоянного и дополнительного градиентного магнитного поля, и внешних радиочастотных импульсов. На основании полученных времен релаксации протонов воды в привязке к координатам строится карта исследуемого объекта в определенном сечении. Отсюда и берет начало термин «томография» (с древнегреческого — сечение, разрез и — пишу). Накладывание нескольких сечений позволяет получить трехмерную картину, например, головного мозга, на которой возможно разглядеть мельчайшие анатомические подробности строения вплоть до 100 микрометров. Использование магнитных контрастных агентов позволяет усилить контраст между больной и здоровой тканью на изображениях МРТ. Эти агенты способны пассивно, или таргетно (направленно), накапливаться в тех или иных участках организма и позволяют облегчать различие патологических очагов от здоровых тканей.

— Какой контрастный агент сейчас используют при проведении МРТ?

— Здесь я бы хотел привести цитату Питера Каравана из его наиболее цитируемой статьи, опубликованной в авторитетном журнале Chemical Reviews в 1999 году: «Гадолиний, малоизвестный элемент-лантаноид, погребенный в глубинах периодической таблицы Менделеева, в течение десятилетия превратился в обыденное явление в медицинской диагностике. Подобно платине в терапии рака и технецию в кардиоскопии, уникальные магнитные свойства иона гадолиния(III) поместили его в эпицентр революционного развития медицины — магнитно-резонансной томографии (МРТ). В то время как достаточно странно помещать пациентов в большие сверхпроводящие магниты и с помощью радиоволн с шумом возбуждать протоны воды в их тканях, еще более странно вводить в их вены грамм этого потенциально токсичного иона металла, который резво плавает среди молекул воды, оказывая на них магнитное воздействие». Или, если переводить дословно, «…щекоча их магнитным образом» (tickling them magnetically).

Действительно, гадолиниевые комплексные соединения глубоко проникли в радиологическую практику. На сегодняшний день во всем мире ежегодно проводится около 40 млн процедур МРТ с гадолинийсодержащим контрастом, а объем рынка контрастных агентов неуклонно растет. В 2020 году его объемы составляли более 5,17 млрд долларов. Гадовист, омнискан и магневист, зачастую называемые в профессиональной медицинской среде просто «гадо», являются наиболее широко используемыми коммерчески доступными контрастными агентами, основная характеристика которых — релаксивность — лежит в пределах трех-четырех единиц. С момента открытия первого контрастного агента гадопентетата (Gadopentetate), зарегистрированного под маркой Magnevist в 1988 году, более 300 тонн гадолиния было введено внутривенно пациентам по всему миру. Сегодня ежегодное применение гадолиния в качестве КА достигло порядка 50 тонн. «Если не брать в расчет стоимость, попросить медсестру дать ему немного “гадо” так же просто, как поставить капельницу с физраствором или взять образец крови»,— утверждает Питер Караван в своей статье.

Долгое время гадолиниевые контрастные агенты считались одними из самых безвредных фармацевтических субстанций. Действительно, частота возникающих побочных эффектов очень низка и составляет менее чем 1 на 1000 инъекций. Серьезные побочные эффекты регистрировались примерно раз на 40000 инъекций. Однако, как показывают последние исследования, гадолиниевые контрастные агенты небезвредны. Попадая в биологическое окружение, они диссоциируют и способны к накоплению в органах, приводя к их дисфункции. Например, в 2006 году было доказано, что применение гадолиниевых контрастных агентов в некоторых случаях связано с заболеванием почек, нефрогенным системным фиброзом (НСФ). НСФ возникает у пациентов с плохой функцией почек, и его начало может наступить через несколько месяцев после последнего приема гадолиниевого контраста. Особенно выраженными данные последствия становятся при многократном использовании. Это говорит о том, что, несмотря на широкое применение гадолинийсодержащих препаратов в современной медицинской практике, актуальной научной задачей является совершенствование их функциональных и, что немаловажно, токсикологических характеристик или их замещение негадолиниевыми альтернативами, среди которых использование соединений марганца(II) резонно считается наиболее перспективным.

Наряду с токсичностью отсутствие специфичности в визуализации патологии является главной проблемой гадолинийсодержащих препаратов, применяемых в диагностической практике. В отличие от них, экспериментально разрабатываемые лабораторные контрастные агенты отличаются своим разнообразием и открывают всю широту возможностей их применения в МРТ-диагностике. В связи с этим в последнее время в научной литературе интенсивно развивается так называемый нанопартикулярный подход. В его рамках обосновываются преимущества использования наночастиц по отношению к молекулярным гадолиниевым препаратам. Наночастицы различной природы, допированные ионами гадолиния(III) или марганца(II), характеризуются пониженной токсичностью, возможностью модификации поверхности и, следовательно, предпосылкой адресной доставки, что обеспечит специфичность к опухолевым тканям, а также феноменально высокими значениями релаксивности. В свою очередь, высокая релаксивность позволит снизить количество КА, вводимого для проведения исследования. Это, несомненно, может среди прочего привести к снижению вероятности проявления побочных эффектов, в первую очередь за счет снижения эффекта кумуляции.

— Почему контраст на основе бычьего альбумина и марганца лучше, чем тот, который используют сейчас?

— Гадолиний не единственный элемент, который можно использовать для повышения контраста МРТ-изображений. Наночастицы оксида железа и комплекс марганца(II) были одобрены для визуализации печени, хотя и не имели коммерческого успеха. Так, LumenHance, представляющий собой хлорид марганца(II), в 1997 году был одобрен к использованию в качестве перорального контрастного агента для визуализации желудочно-кишечного тракта, но не получил широкого распространения.

Соединения марганца были рекомендованы для замены комплексов гадолиния в качестве тканеспецифических контрастных веществ при проведении МРТ: например, дипиридоксилдифосфат марганца, Mn-DPDP (mangafodipir trisodium), зарегистрированный под торговой маркой Teslascan, применяется для сканирования печени и поджелудочной железы.

В целом марганец (Mn) является микроэлементом, который необходим для нормального развития и функционирования организма на протяжении всей жизни млекопитающих. Mn связывает и/или регулирует многие ферменты в организме. Например, Mn является необходимым кофактором для аргиназы, которая отвечает за выработку мочевины в печени, супероксиддисмутазы, которая имеет решающее значение для предотвращения клеточного окислительного стресса, и пируваткарбоксилазы, важного фермента в глюконеогенезе.

Использование биомолекул при создании искусственных наноматериалов является хорошо известным способом обеспечения их большей совместимости. Белки крови являются наиболее распространенными биомолекулами. Их высокая биологическая ценность обусловлена уникальной связывающей способностью, которая делает молекулы белков крови перспективными переносчиками биологически активных соединений, включая комплексы металлов и ионы металлов. Белки крови достаточно легко подвергаются конформационным изменениям и химическим превращениям in vitro (то есть в пробирке, в искусственных условиях, вне естественной среды).

С помощью объединения перспективного Mn2+ и биосовместимого БСА в составе одной наноархитектуры были получены многообещающие коллоидные частицы, способные лечь в основу нового поколения МРТ контрастных агентов.

— Как проходило исследование?

— Математическое моделирование содержания Mn2+ в сыворотке крови показывает, что марганец существует в нескольких формах, включая связанную с альбумином форму состава один ион металла к одной молекуле белка (84%), гидратированный ион (6,4%), и образует комплексы с бикарбонатом (5,8%), цитратом (2,0%) и другими лигандами с малой молекулярной массой (1,8%). Эти формы марганца, как и других элементов, находятся в постоянном динамическом равновесии между собой. Задачей нашей группы было увеличение координационной емкости альбумина как белка-носителя по отношению к ионам марганца и связывание таких макрокомплексов в более крупные по сравнению с молекулярными комплексами наночастицы, что, по нашим данным, должно существенно увеличить их итоговую релаксивность.

Наночастицы получали добавлением хлорида марганца к водному раствору БСА, денатурированного за счет прибавления этанола в присутствии фосфатного буфера. Полученный металлопротеиновый комплекс сшивался добавлением глутарового альдегида — бифункциональной молекулы, реагирующей в мягких условиях (так называемая клик-химия) с двумя азотсодержащими группировками.

— Можно ли со временем ввести новый контраст в общую практику и как быстро, на ваш взгляд, это произойдет?

— Способность магнитных НЧ усиливать протонную релаксацию определенных тканей и служить в качестве контрастных веществ для МРТ-визуализации является одним из наиболее перспективных применений наномедицины. Например, магнитные НЧ в форме суперпарамагнитных оксидов железа (SPIO) активно исследуются в качестве контрастных веществ для МРТ-визуализации уже более двух десятилетий. Благодаря этому после серии клинических испытаний к настоящему времени некоторые типы наночастиц проложили свой путь к внедрению в радиологическую практику. Их удалось зарегистрировать в качестве органоспецифичных контрастных веществ. Так, Lumiren и Gastromark рекомендованы для МРТ кишечника. Endorem и Feridex IV используются для визуализации печени/селезенки. В дополнение стоит отметить, что несколько форм сверхмалых суперпарамагнитных оксидов железа (USPIO) прошли клинические испытания. Одной из наиболее известных является Combidex, который находится на поздней стадии клинических испытаний для использования при выявлении метастазов в лимфатических узлах. По этой причине нет никаких сомнений в том, что подобные наноразмерные КА с участием ионов Mn2+ или Gd3+ в близкой перспективе смогут поначалу встать в один строй с обычными молекулярными КА, а затем и полностью вытеснить их, задавив объективно лучшими магниторелаксационными и фармацевтическими характеристиками. Разумеется, решающими факторами станут значения их релаксивности, цито-, гисто- и органотоксическая безопасность, физико-химические свойства, стандартизация и простота получения.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки