Инжиниринг тромбоцитов

Ученые Университета «Сириус» создают «умных» курьеров для адресной доставки лекарств внутри организма. В качестве основы для этих уникальных систем они выбрали не искусственные наночастицы, а собственные клетки крови пациента — тромбоциты. Природная «суперспособность» этих клеток — находить поврежденные сосуды, очаги воспаления и даже опухоли — позволяет использовать их в роли высокоточных навигаторов. Исследователи «нагружают» тромбоциты лекарством, превращая их в «троянских коней», способных доставить терапевтический груз прямо к больным тканям, минимизируя вред для здоровых.

Как программировать живые клетки, почему для этой миссии идеально подходят именно тромбоциты и как с помощью света можно заставить их выпустить лекарство в нужный момент, в эксклюзивном интервью «Ъ-Науке» рассказывает руководитель научной группы Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Александр Москаленский.

— Ключевое отличие тромбоцитов от искусственных систем доставки лекарств заключается в их естественном происхождении и функциональной интеграции в организм. Иммунная система их «знает» и не воспринимает как что-то чужеродное, поэтому такие носители могут долго циркулировать в крови (обычный цикл жизни тромбоцита — от 7 до 10 дней), пока не обнаружат поврежденный участок — зону сосудистого повреждения, воспаления, микротромб или опухолевую ткань. Благодаря большому количеству различных рецепторов на поверхности тромбоциты имеют способность «узнавать» такие участки и прикрепляться к ним. Также известно, что тромбоциты облепляют циркулирующие в крови раковые клетки (те самые, из которых потом вырастают метастазы) и защищают их от атак иммунной системы. Если это уникальное свойство тромбоцитов удастся использовать для уничтожения таких клеток, это могло бы привести к повышению эффективности лечения сложных видов рака. Но для этого нужно изменить тромбоцит и заставить его быть «троянским конем», который вместо защиты доставит в раковую клетку смертоносный для нее препарат.

— Название проекта «Инжиниринг тромбоцитов» предполагает направленное изменение свойств клеток, но методы генетической инженерии для тромбоцитов не работают, ведь у них нет ядра и ДНК. Действительно, в этом смысле тромбоциты — это особые клетки. Но именно благодаря своей простоте они хорошо подходят для использования в качестве системы доставки. Основные процессы, происходящие внутри тромбоцитов, достаточно хорошо изучены, а для некоторых из них даже существуют компьютерные модели, позволяющие заранее оценить влияние внешнего вмешательства.

В настоящее время мы рассматриваем два основных способа модификации тромбоцитов. Первый подход основан на использовании специальных веществ, которые благодаря своим физико-химическим свойствам накапливаются внутри тромбоцита в определенных компартментах («отсеках»). При активации тромбоцита такие вещества могут выходить наружу и оказывать терапевтический эффект. Второй подход заключается в использовании препаратов, соединенных с так называемым якорем, который позволяет им надежно прикрепляться к внешней мембране тромбоцита и перемещаться вместе с ним по кровотоку.

«Программирование» тромбоцита на поиск опухоли происходит не с помощью внешнего управления, а за счет его естественных биологических функций. В норме тромбоциты умеют находить воспаленные и поврежденные участки сосудов, а также взаимодействовать с опухолевыми клетками. При необходимости эти природные способности можно усилить, добавив на поверхность тромбоцита специальные молекулы, в том числе для запуска активации с помощью внешнего стимула — например, светом.

— Действительно, в отличие от искусственных систем доставки лекарств, тромбоциты уже запрограммированы природой на поиск проблемных участков, где «что-то пошло не так». Многие заболевания сопровождаются воспалением, нарушением структуры сосудов и микроповреждениями, то есть теми самыми сигналами, на которые тромбоциты естественным образом реагируют.

В отличие от других клеток крови (эритроцитов и лейкоцитов), тромбоциты обладают высокой «грузоподъемностью»: значительная часть объема тромбоцита заполнена специальными гранулами, которые в норме служат для хранения и быстрого высвобождения биологически активных веществ. Эти гранулы можно использовать для накопления лекарств и их выброса именно в момент активации тромбоцита. Кроме того, тромбоциты имеют так называемую открытую сеть канальцев (Open canalicular system, OCS). Это позволяет быстрее загружать препарат без сложных вмешательств в структуру клетки. При этом тромбоциты проще по устройству, чем лейкоциты, и лучше подходят для контролируемой загрузки, а по сравнению с эритроцитами имеют развитую внутреннюю организацию.

Такое сочетание высокой емкости нагрузки и природной способности находить поврежденные и воспаленные участки делает тромбоциты особенно перспективными носителями для адресной доставки лекарств.

— Активация тромбоцитов с помощью света — это способ управлять выпуском препарата извне. Для этого используются специально разработанные молекулы, чувствительные к свету. Когда такие молекулы поглощают фотон, они меняют свою структуру и связываются с рецептором тромбоцита, запуская каскад биохимических процессов, который приводит к активации. Такие молекулы для «включения» различных рецепторов с помощью света активно разрабатываются в последние годы, их даже предлагают использовать как самостоятельные терапевтические агенты. В нашем проекте мы используем эти подходы для того, чтобы продемонстрировать работоспособность концепции тромбоцита, который выпускает свой «груз» по внешней команде.

— В качестве альтернативного внешнего сигнала для управления тромбоцитами можно использовать ультразвук или магнитное поле. Высокоинтенсивные ультразвуковые волны способны вызывать локальное нагревание или механическую стимуляцию мембран тромбоцитов, что может приводить к их активации. Магнитное поле хорошо проникает через ткани организма, однако для управления тромбоцитами с его помощью нужны специальные материалы и зонды, которые пока не созданы. Разработка таких методов активации тромбоцитов требует проведения отдельных исследований.

— Мы ожидаем, что утилизация модифицированных тромбоцитов будет происходить так же, как и утилизация обычных тромбоцитов. Они не накапливаются и не токсичны — их компоненты полностью перерабатываются и безопасно утилизируются. Конечно, содержание препарата внутри тромбоцита может приводить к особенностям. Но общая концепция остается той же, что и для обычных клеток: после высвобождения препарата активированный тромбоцит, если он останется в кровотоке, будет поглощен макрофагами в печени или селезенке, а затем переработан.

— Подход с использованием тромбоцитов как носителей лекарств может быть полезен не только при лечении онкологических заболеваний. Поскольку тромбоциты естественно находят воспаленные и поврежденные участки сосудов, этот метод может применяться при сердечно-сосудистых заболеваниях, таких как атеросклероз или тромбоз, а также при воспалительных заболеваниях. Кроме того, тромбоциты могут быть использованы для доставки лекарств к зонам повреждения тканей после травм или операций, помогая ускорить заживление и регенерацию.

— Искусственные тромбоциты в нашем проекте создаются не только для доставки лекарств, но и как альтернатива обычным клеткам при переливании крови или плазмы. Их преимущество в том, что они позволяют точно контролировать состав и свойства, а благодаря глубокому пониманию работы настоящих тромбоцитов мы надеемся воспроизвести их ключевые функции и при этом снизить риски и ограничения, связанные с использованием донорских клеток.

— Хотя ранее другие группы уже получали положительные результаты при доставке лекарств с помощью тромбоцитов, механизмы «загрузки» и высвобождения препаратов до сих пор остаются недостаточно изученными. На первом этапе нашей работы мы сосредоточимся на этом: нужно понять, как наиболее эффективно помещать препараты в тромбоциты, как управлять их выходом из клетки и какие лекарства лучше подходят для такой «гибридной доставки».

После этого мы перейдем к более практическим испытаниям: в первую очередь — выбор наиболее значимого заболевания с учетом используемых классов препаратов, затем — тестирование на клеточных линиях и животных моделях. В результате мы планируем получить стандартизированную методику выделения, модификации и обратного введения тромбоцитов.

Отдельный научный вызов — сделать систему безопасной и эффективной для человека. Даже если прототип хорошо работает в пробирке или на животных моделях, для настоящего лекарства необходимо убедиться, что модифицированные тромбоциты или их аналоги не вызывают тромбоз, не активируются случайно и доставляют препарат точно в нужное место. Еще один важный вызов, на который мы отвечаем,— это подготовка нового поколения исследователей, способных вести такие сложные проекты. В нашу команду включены молодые ученые и только начинающие свой путь в науке. К примеру, студенты специалитета по биоинженерии, которые пришли к нам после 11-го класса. С первых дней в Научно-технологическом университете «Сириус» обучающиеся попадают в передовые научные проекты, получая мотивацию для дальнейшего развития в науке.