Наука и техника

Рак не скроется. В России изобрели новый способ быстро обнаружить опухоли. Как это работает?

Фото: Пресс-служба мэрии Москвы / РИА Новости

Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета совместно с зарубежными коллегами разработали новый способ ранней диагностики опухолей и ишемии тканей с помощью новых люминесцентных меток. Они создали на основе редчайшего элемента рения водорастворимый комплекс, позволяющий обнаруживать ткани, в которых наблюдается дефицит кислорода. Химическую метку можно легко ввести в организм с помощью инъекции, после чего она прочно встраивается в коллагеновую сеть между клетками. Это упрощает диагностику заболеваний, которые сопровождаются гипоксией в пораженных тканях. Подробнее об исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, рассказывает «Лента.ру».

Кислород имеет значение

Снабжение тканей кислородом жизненно важно для поддержания гомеостаза организма. Если в опухолевых тканях развивается гипоксия (дефицит кислорода), это может способствовать развитию лекарственной устойчивости у опухоли, проявлению у раковых клеток свойств стволовых клеток, формированию метастазов, инвазии раковых клеток в здоровые ткани и усилению клональной гетерогенности — явления, когда развиваются несколько линий клеток, которые отличаются друг от друга морфологически, генетически или функционально. Поэтому для прогнозирования рецидива раковых заболеваний очень важно оценить снабжаемость кислородом пораженных тканей.

Обычно для измерения кислорода в ткань внедряют специальные электроды. Хотя этот метод довольно точен, он неизбежно вызывает погрешности в результатах. Сам контакт электрода с тканями приводит к неизбежным метаболическим нарушениям — например, микровоспалениям из-за кровотечения, что, в свою очередь, влияет на считываемый уровень кислорода и не позволяет проследить за распределением кислорода в пространстве ткани. Чтобы решить эти проблемы, ученые разрабатывают комплексы переходных металлов, способные к фосфоресценции — свечению, которое порождается в результате постепенного излучения поглощенной энергии. При контакте с молекулами кислорода происходит тушение, то есть возбужденная молекула переходит в обычное состояние, не испуская света. Таким образом концентрацию кислорода можно выявить по измерению продолжительности фосфоресценции.

Светящиеся зонды

Для наблюдения за фосфоресценцией применяют микроскопию для визуализации времени жизни фосфоресценции (PLIM) в сочетании с микроскопами с лазерным сканированием, что позволяет картировать микроскопическое распределение кислорода в живых тканях. Для увеличения глубины измерения, высокого пространственного разрешения в ближней инфракрасной области спектра и минимального фотоповреждения тканей были разработаны специальные фосфоресцентные зонды.

Комплекс на основе рения

Комплекс на основе рения

Изображение: Wiley Online Library

Однако проблема состоит в том, что на фосфоресцентные свойства зондов могут легко влиять различные факторы: структурная жесткость молекул, вязкость растворителя, температура окружающей среды и значения pH растворов. Связывание зондов с окружающими белками может легко изменить скорость тушения кислорода. Кроме того, некоторые зонды гидрофобны (не растворяются в воде) и не являются биосовместимыми при прямом применении. Чаще всего такие зонды помещают внутрь капсул или модифицируют для улучшения функционирования и снижения токсичности. Из-за таких дополнительных слоев размер частиц увеличивается до 5-100 нанометров, что делает капилляры непроходимыми для них. В результате возникает необходимость в малоинвазивной хирургии, чтобы ввести их в исследуемое место. В качестве альтернативы к комплексу устанавливают дополнительную молекулу — лиганд — либо пытаются увеличить проницаемость сосудов в микросреде опухоли. Однако это снижает способность препарата проникать сквозь стенки сосудов.

Растущая опухоль из-за быстрого размножения клеток лишает окружающие ткани кислорода, что не дает защитным системам организма бороться с болезнью

В новой работе ученые разработали малотравматичный способ доставки зондов, который преодолевает эти проблемы. Исследователи создали гидрофильные люминесцентные комплексы ReI-диимина на основе переходного металла рения (I). Сначала эти зонды должны проникнуть в сосуды, а внутри внеклеточной среды опухоли они стабилизируются. Продолжительность испускания света при температуре тела 37 градусов Цельсия достигает около четырех микросекунд, что достаточно долго, чтобы зафиксировать изменения в уровне кислорода внутри среды организма. Без защитных стенок и капсул ReI-диимины легко проникают сквозь стенки сосудов. Еще одним важным преимуществом новых зондов является то, что они стабилизируются в коллагеновых тканях после экстравазации — проникновения лекарства из вены в окружающие ткани. Время жизни такого стабилизированного конъюгата оценивается как минимум в шесть часов.

Фосфоресценция против рака

Как пишут ученые, люминесцентные зонды на основе ReI-диимина можно применять для исследования клеточного метаболизма, микроокружения (ниши) стволовых клеток, гипоксической ниши опухоли в плохо снабжаемых кислородом тканях, перфузии крови или транспорта кислорода. Они достаточно чувствительны, чтобы определять гипоксию в тех тканях, где снабжаемость кислородом менее десяти процентов.

Схема развития гипоксии в опухолевых тканях

Схема развития гипоксии в опухолевых тканях

Изображение: Wikipedia

Слабая снабжаемость кислородом характерна для тканей, пораженных опухолью, а также при ишемии, инсульте, инфаркте и анемии. В случае раковой опухоли в дефектных тканях происходит быстрое размножение клеток, что вместе с нарушениями кровообращения ведет к развитию гипоксии. Для опухоли недостаток кислорода представляет собой одну из линий защиты против иммунной системы: гипоксия препятствует выработке белковых соединений, контролирующих рост и размножение опухолевых клеток. Гипоксия ведет к другому патологическому процессу, называемому ангиогенезом — образованию новых сосудов. В случае опухоли ангиогенез является злокачественным, поскольку новые сосуды не только начинают снабжать раковую опухоль питательными веществами, но и открывают ей пути для метастазирования, то есть распространения в организме с появлением вторичных очагов.

В ходе исследования ученые проверили, как фосфоресцирующие зонды на основе рения справляются с измерениями концентрации кислорода в различных биологических средах. Результаты экспериментов с участием мышей с опухолями продемонстрировали, что зонды способны отличать ткани меланомы (рака кожи) от здорового окружения, а также определять уровнень снабжения кислородом там, где много сосудов, и там, где кровоснабжение практически отсутствует. По словам ученых, научная работа открывает новые возможности в диагностике онкологических заболеваний и нарушения снабжения кислородом. В дальнейшем исследователи планируют создать новые зонды для распознавания конкретных типов опухолей.