Найден способ повысить эффективность биологических препаратов против рака. Ученые выявили три главные проблемы, ограничивающие противоопухолевые возможности перспективных лекарств, и нашли решение для каждой из них, использовав технологию редактирования генома и белковую инженерию.
Инженеры-биомедики разработали методику, которая позволит устранить недостатки перспективного противоракового препарата. Она подразумевает использование сразу трех инструментов – технологии редактирования генома, белковой инженерии и биоматериалов – для повышения эффективности, точности и продолжительности действия некоторых видов противоопухолевой терапии.
Используя комбинацию геномного редактора CRISPR, протеинового «депо», которое обеспечивает медленное высвобождение лекарственного вещества, и высокоэффективную связывающую систему, команда продемонстрировала способность нового подхода решить три ключевые проблемы, ограничивающие эффективность многих противораковых препаратов. К ним относятся низкая активность, быстрое выведение из организма и способность злокачественных клеток развивать устойчивость к этим лекарствам.
Более 20 лет назад ученые выяснили, что белковое терапевтическое средство TRAIL (сокр. от TNF-related Apoptosis-Inducing Ligand) способно эффективно уничтожать раковые клетки, не повреждая при этом здоровые. По крайней мере, такие возможности оно продемонстрировало в ходе экспериментов на клеточных культурах.
TRAIL работает, связываясь со специфическими белковыми рецепторами на поверхности опухолевых клеток, известными как рецепторы смерти: он передает сигнал, который запускает программируемую гибель клетки. И хотя первоначальные опыты показали, что препарат успешно работает против разных видов онкологии, включая меланому, лимфому, рак поджелудочной железы, простаты, легкого, кишечника и молочной железы, в клинических испытаниях, к удивлению ученых, он продемонстрировал гораздо менее впечатляющие результаты.
В ходе дальнейшего изучения исследователи определили три причины провала многообещающего препарата: его действие было недостаточно сильным, он быстро выводился из организма, и некоторые типы раковых клеток были устойчивы к нему.
С помощью трех компонентов – сильнодействующего белкового препарата, «депо», обеспечивающего постепенное высвобождение терапевтического вещества, и технологии редактирования генома CRISPR/Cas9, решающей проблему резистентности, – специалисты Университета Дьюка продемонстрировала, что их новая стратегия может помочь обойти эти препятствия и дать биологическим противораковым препаратам, так же как и TRAIL провалившимся в клинических испытаниях, второй шанс.
«Истинное значение этого исследования, на мой взгляд, кроется в его междисциплинарной природе, – говорит одна из авторов проекта Мандана Манзари– В моей практике это первый в своем роде пример объединения возможностей фармакологии, технологий доставки лекарств и геномики для выявления причин низкой эффективности биологического препарата и последующей разработки вариантов их решения».
Первой проблемой, за решение которой взялись ученые, стала недостаточная активность TRAIL. Обычно клетки имеют несколько рецепторов смерти, но в некоторых раковых клетках превалирует рецептор смерти 5 (DR5). TRAIL, являясь трехкомпонентным белком, связывается с этим рецептором и параллельно связывает между собой три других рецептора, посылая клеткам сигнал к запуску программы самоуничтожения. Он также может связываться с другими рецепторами смерти и «ложными» рецепторами на нормальных клетках.
Соответственно, наиболее сильное действие будет иметь препарат, способный избирательно воздействовать на рецептор смерти вроде DR5, присутствующий на поверхности злокачественных клеток, и связывать между собой множество других рецепторов, посылая тем самым более мощный сигнал клетке к самодеструкции.
Чтобы получить соединение с такими свойствами, Манзари разработала высокоактивный шестикомпонентный агонист рецептора смерти, способный связывать между собой целых шесть таких рецепторов и провоцировать более мощный сигнал к самоуничтожению.
Далее команда занялась поиском ответа на вопрос: как предотвратить слишком быстрое выведение сверхактивного вещества из организма. Методами генной инженерии они соединили агонист рецептора смерти с чувствительным к температуре белком, называемым эластиноподобным полипептидом, который образует гелеобразное «депо» внутри растворимого при комнатной температуре состава. После введения под кожу этот состав постепенно распадается, замедляя и дозируя высвобождение агониста рецептора смерти.
На следующем этапе ученые пытались понять причину, по которой некоторые раковые клетки приобретают способность противостоять действию TRAIL или агониста рецептора смерти. Используя прогрессивную технологию редактирования генома CRISPR/Cas9, они поочередно отключали разные гены в опухолевых клетках, пока не нашли те, которые отвечали за развитие резистентности к лечению. Затем они отобрали препараты, воздействующие на продуцируемые этими генами белки, и соединили их с медленно высвобождающим агонист рецептора смерти «депо».
«Когда мы установили, какие гены отвечают за резистентность, то смогли подобрать среди существующих на рынке препараты, чье действие было направлено на специфические белки, являющиеся продуктом этих генов, – рассказывает Манзари. – По сути, это дало нам понимание, какие лекарственные вещества мы можем объединить с агонистом рецептора смерти, чтобы на корню подавить устойчивость к нему рака».
Благодаря разработанному подходу ученые смогли успешно преодолеть первичную резистентность, подавить рост опухоли и увеличить выживаемость у мышей, которым были имплантированы клетки рака кишечника пациентов, у которых наблюдалась высокая устойчивость к лечению препаратом TRAIL.
Сейчас исследователи размышляют над тем, как применить этот подход к другим белкам и низкомолекулярным лекарственным средствам, которые сталкиваются с теми же преградами, ограничивающими их эффективность.
«Мне кажется, главное, что отличает эту стратегию, это индивидуальный подход к каждой отдельной проблеме, поиск ее рационального решения и последующее объединение всех трех методик для устранения основных недостатков, снижающих эффективность не только TRAIL, но и многих других противораковых препаратов, – говорит Манзари. – Это яркий пример тесного взаимодействия белковой инженерии, фармакологии, геномики и биологических материалов».
