Убить рак: иридий, человеческий сывороточный альбумин и немного синего света +14





Одним из самых известных супергероев Marvel всегда считался и будет считаться Логан, он же Росомаха. А какая особенность его тела приходит на ум первой, помимо конечно регенерации со скоростью Флеша? Одним словом — адамантий. Этот редкий металл обладает уникальными свойствами, уничтожить его практически невозможно, а переработка занимает уйму сил. У этого выдуманного вещества имеется несколько эквивалентов в нашей с вами реальности, которые также обладают весьма специфическими свойствами. Среди них особое внимание ученых заслужил иридий. Этот металл вряд ли может сделать из простого человека супер-героя, но вот раковые клетки уничтожать он умеет (Дэдпул бы не отказался от такого). Как ученые пришли к такому выводу, насколько эффективен иридий в борьбе с раком и каково его будущее в онкологии? Нырнем в доклад исследовательской группы за ответами. Поехали.

Металловедение

Иридий (Ir) это чрезвычайно твердый переходной металл из платиновой группы. Как и вымышленный адамантий, иридий очень стойко переносит коррозию даже при температуре в 2000 °C. Еще одно сходство этих двух металлов в их внеземном происхождении. Точнее сказать, иридия на нашей планете очень мало, посему в большой концентрации он встречается в местах падения метеоритов.


Иридий (Ir)

Иридий достаточно молодой металл в научном мире, так как был открыт в 1803 году химиком Смитсоном Теннантом. Он воздействовал на платину смесью из азотной и соляной кислот, которая имеет очень необычное название — царская водка. И как понятно из состава этого раствора, после его употребление вы не станете «пьяным мастером», как Джеки Чан в одноименном фильме, а скорее мертвым мастером. Ибо слово «водка» изначально обозначало простую воду и лишь после XIV века начало использоваться для обозначения алкогольного напитка.

С помощью царской водки мистер Теннант смог получить в чистом виде те примеси, которые были в платине, а именно осмий и иридий.

Как уже было сказано ранее, иридия очень мало — в год добывается примерно 3 тонны этого металла. Для сравнения, добыча серебра по некоторым данным превышает отметку в 27000 тонн в год.

Основа исследования

В основе исследования лежит уже применяемый на практике метод лечения онкологических заболеваний (и некоторых других также) — фотодинамическая терапия (ФДТ). Основными героями этого метода являются фотосенсибилизаторы и свет.

Фотосенсибилизаторы* — вещества, которые увеличивают чувствительность к световому воздействию у биологических тканей.
Сенсибилизаторы достаточно переборчивы, то есть накапливаются только в тех тканях, которые необходимо изменить для дальнейшей процедуры облучения светом.

Когда свет проникает в целевые ткани, происходит фотохимическая реакция — молекулярный триплетный кислород (3O2) преобразуется в синглетный. Помимо этого образуются высокоактивные радикалы. В совокупности это приводит к отмиранию раковых клеток.

Ученые приводят в пример фотофрин и аминолевулиновую кислоту, как самые распространенные фотосенсибилизаторы в ФДТ терапии. Однако в последние годы все больше внимания уделяется металлам с высоким коэффициентом люминесценции, поскольку они обладают необычными и полезными фотохимическими и фотофизическими свойствами. К примеру, TLD1433 (рутений) для ФДТ лечения мочевого пузыря и WST11 (палладий) для лечения сосудов.

Результаты исследования

Так почему не использовать иридий, подумали ученые. Но для начала нужен механизм, который позволит применить этот металл. Не будет же пациент употреблять иридий перорально, как обычные таблетки. И тут к работе подключается человеческий сывороточный альбумин (ЧСА), который за счет своих свойств и количества (порядка 55% от всех белков крови) является отличным переносчиком различных веществ (в нашем случае лекарственных). Проще говоря, ЧСА можно применить для доставки противораковых препаратов в необходимую область тела пациента, что уже было продемонстрировано в предыдущих исследованиях с применением осмия, рутения и палладия.


Изображение №1

В рассматриваемом нами исследовании ученые создали малеимид-функционализированный октаэдрический органо-иридиевый (III) комплекс Ir1 () в совокупности с ЧСА. Данный комплекс (Ir1-ЧСА) оказался значительно эффективнее в увеличении фосфоресценции в сравнении с «чистым» Ir1, то есть без ЧСА.

В темноте Ir1-ЧСА по большей степени не токсичен для обычных клеток, но проявляет сильную фото-цитотоксичность по отношению к раковым клеткам и их сфероидам (клеточным образованиям).

Синтезированный Ir1 проявлял стабильность в течение 12 часов в темноте и спустя 1 час облучения синим светом. При этом необходимо было проверить углерод-углеродную связь (С=С). Для этого была проведена реакция комплекса Ir1 и цистеина (Cys) в молярном соотношении Cys: Ir1 — 2:1 в [D6]DMSO/D2O при температуре 298 K в течение 30 минут. В результате протонного магнитного резонанса ученые выяснили пиковый показатель виниловых протонов малеимидных групп на отметке в 6.62 ppm (миллионная доля). При добавлении цистеина пики исчезли, но потом вновь возникли уже в диапазоне 2.9…3.9 ppm. Ученые связывают это с конъюгацией цистеина.

Далее ученые проверили способен ли свободный тиол Cys34 из ЧСА вступать в реакцию с С=С. Для этого 30 ?M (микромолль) Ir1 инкубировали с ЧСА (0-120 ?M) в течение 1 часа. Далее полученные продукты реакций были разделены с помощью обращённо-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ-ВЭЖХ).

При достижении ЧСА в 120 ?M пик Ir1 исчезал полностью (соотношение ЧСА: Ir1 = 4:1). Таким образом содержание тиола (SH) составило 0.27±0.1 моль SH на 1 моль ЧСА (). Следовательно, концентрация свободных SH-групп из 120 ?M ЧСА составляет 32.4±1.2 ?M. При таком показателе возникает реакция с 30 ?M Ir1, приводя к возникновению аддукта (прямого соединения молекул) Ir1 и ЧСА в соотношении 1:1.

Чистый Ir1 не демонстрировал сильного излучения в водном растворе, в отличие от комплекса Ir1-ЧСА (1d). Чем выше была концентрация ЧСА, тем сильнее становилась фосфоресценция самого Ir1 ().


Изображение №2

Дабы удалить группы свободных тиолов из ЧСА в раствор было добавлено 100 ?M цистина на сутки при температуре 277 K. Полученный продукт соединили с Ir1 на 30 минут. Наблюдения показали значительное снижение фосфоресценции. В случае конъюгата ЧСА-Cys34 и Ir1 () ситуация была противоположной, а это говорит о том, что именно свободный тиол Cys34 является связующим звеном (правильнее говоря, доменом связывания) для Ir1.

Теперь необходимо было более подробно изучить ЧСА, разобрав его на составляющие. Человеческий сывороточный альбумин имеет одну цепь из 585 аминокислотных остатков, среди которых ученым нужно было найти именно те, что усиливают люминесценцию Ir1. Для этого был проведен люминесцентный анализ взаимодействия Ir1 с различными аминокислотами (2b и ). И как мы можем видеть на графике 2b, лидером среди аминокислот с колоссальным отрывом стал гистидин (His), усиливающий люминесценцию Ir1 в 37 раз.

Немного разобравшись в том, что и как работает внутри составных компонентов комплекса Ir1-ЧСА, ученые перешли к практическому применению, то есть к опытам.

Сначала 0.4 миллимоль Ir1 разбавили в 20 мл MeOH:H2O, добавили 0.4 миллимоль HSA и перемешивали в течение 1 часа. Далее с помощью конфокальной микроскопии было исследовано распространение Ir1-ЧСА в живых клетках рака легких (A549).

Уже спустя 30 минут Ir1-ЧСА по большей степени концентрировался в цитоплазме раковых клеток. На 60-120 минуте от начала инкубации, комплекс проникал в ядра клеток рака.


Изображение №3: конфокальная микроскопия клеток рака легких A549.

Однако стоит отметить, что не весь комплекс проникал в ядра раковых клеток, а только Ir1. Проверка иммунофлуоресцентным методом показала, что ЧСА просто отсутствует в ядрах клеток, попавших под воздействие Ir1.


Изображение №4: иммунофлуоресцентный анализ наличия ЧСА в клетках рака легких.

Но ЧСА не исчезает бесследно, он просто остается в цитоплазме и в мембране ядра клетки рака. Получается, что ЧСА полностью выполняет свою функцию: он доставил Ir до ядра клетки, а сам остался снаружи.


Изображение №5: квантовый выход и время жизни фосфоресценции Ir1 и комплекса Ir1-ЧСА.

Ученые также проверили квантовый выход (утрировано, силу) и время жизни фосфоресценции Ir1 (самого по себе) и комплекса Ir1-ЧСА.

Квантовый выход Ir1 был очень мал (всего лишь 0.001), а время жизни при температуре 298 K составило 182.7 наносекунд (). А вот у Ir1-ЧСА квантовый выход был уже 0.036, а время жизни — 871.8 нс. Такая продолжительность фосфоресценции отлично способствует генерации синглетного кислорода (1 O2).

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса с использованием 2,2,6,6-тетраметилпиперидина в качестве спиновой ловушки помогла обнаружить генерацию 1O2 в чистом Ir1 и в комплексе Ir1-ЧСА при иррадиации в 465 нм в течение 20 минут (5b). Как и ожидалось, квантовый выход 1O2 у Ir1-ЧСА был значительно выше (0.83), чем у Ir1 (0.06).

Также необходимо было проверить степень воздействия Ir1-ЧСА и Ir1 на раковые клетки и на здоровые. В качестве раковых клеток выступило три варианта: рак легких A549, гепатома Hep-G2 и устойчивый к цисплатину рак легких A549R. В качестве здоровых клеток использовались MRC-5 (легкие) и LO2 (печень). Эксперимент проводился в двух вариациях освещения: полная темнота на протяжении всего опыта и синий свет.

Клетки инкубировали Ir1 или Ir1-ЧСА в течение 2 часов, промывали с помощью пербората натрия и облучались синим светом в течение 20 минут либо оставляли в темноте (второй вариант опыта). После этого клетки восстанавливались в течение 46 часов.

Воздействие Ir1 на клетки A549 и в темноте (89.6 ?M), и при освещении (53.3 ?M) практически отсутствовало.


Таблица воздействия Ir1 и Ir1-ЧСА на раковые клетки: чем больше число, тем меньше воздействия (т.е. больше клеток рака остались невредимы).

А вот Ir1-ЧСА показал совсем иные результаты. В темноте испытуемый комплекс никак не влиял на раковые клетки, но при освещении степень его цитотоксичности значительно возросла. Подобные результаты, как мы с вами видим из таблицы выше, Ir1 и Ir1-ЧСА показали и по отношению к другим раковым клеткам. При этом здоровые клетки и в темноте, и при освещении не были затронуты Ir1 и Ir1-ЧСА.

Напоследок ученые провели анализ активных форм кислорода (АФК) внутри клеток после светового облучения. В темноте, как и ожидалось, никаких АФК обнаружено не было. А вот в клетках, которые подвергались световому облучению после применения Ir1-ЧСА, АФК были обнаружены ().

Для более детального ознакомления с исследованием настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данным исследованием ученые не пытались изобрести велосипед в виде применения редких металлов в фотодинамической терапии, ибо это уже было сделано ранее с осмием и палладием. Однако никто еще не пробовал использовать иридий, что исследователи и решили исправить. Их труд не оказался бесполезен, так как иридий показал отличные результаты в борьбе с раковыми клетками разных типов, при этом не затрагивая здоровые.

Онкологические заболевания — одни из самых распространенных, каждый год забирающих миллионы жизней. Изобретение новых методов борьбы с этим недугом и совершенствование имеющихся должно и будет продолжаться. Конечно, нам пока еще далеко до тотальной победы над раком, но ученые по всему миру продолжают свою борьбу в лабораториях, как и миллионы больных в палатах.

Не стоит также забывать и факторах, которые приводят к возникновению онкологических заболеваний. Часть из них (экология, вредные привычки и т.д.) человеку вполне по силам ликвидировать.

Пятничный оффтоп:

Никто в здравом уме не обрадуется онкологии. Подобные диагнозы заставляют опустить руки и забыть обо всем. Но сдаваться никогда нельзя. Если не бороться, диагноз однозначно возьмет верх. А если же бороться с болезнью, всегда есть шанс на победу над ней. Так почему бы этот шанс не использовать?

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (19):

  1. 5oclock
    /#19729898

    А откуда в организме, внутри возьмётся синий свет?

    • rtakyiv
      /#19730058

      можно его туда посветить… есть способы разной степени инвазивности. Есть даже чудесные частицы, меняющие цвет в синюю сторону (против Стокса)

      • 5oclock
        /#19730084

        Т.е. вместе с иридием вводится какой-то люминофор, который тоже концентрируется внутри опухоли, потом пациента облучают чем-то проникающим (рентгентом?), а люминофор переизлучает в синем диапазоне прямо внутри опухоли?
        Такой механизм?

        • rtakyiv
          /#19730258 / +1

          Kак я понял конкретно в этой статье вопрос 'как доставить свет' не решали. Я просто хотел сказать что вопрос, в принципе, решаемый.

          люминофор переизлучает в синем диапазоне прямо внутри опухоли
          Такой вариант рабочий, только лучше не с рентгеном (он сам по себе довольно агрессивный). В ткани хорошо проникает ближний инфракрасный, но превратить его в синий — нетривиальная задача. Про это и статья по ссылке выше. Можно и синим досветить, до какой-то глубины.

        • shadrap
          /#19730364

          Суть всей статьи сводится к тому, что ученые обнаружили, что при использовании альбумина, у которого есть на Гистидиновом и Цистеиновом домене свободные «клешни», что бы зацепить туда иридий, есть возможность доставить внутрь ткани и использовать как сенсибилизатор. При облучении сенсибилизатора особым спектром излучения, он имеет свойство выделять свободные формы кислорода(всеми любимые радикалы), которые в свою очередь разрушают клетки, не важно какого цвета.
          Зачем ставить в качестве испытательной линии клетки легочной ткани, не очень понятно, свет туда не проникнет, видимо была какая-то мысль, но обычно эти мысли раскрываются в дискуссиях, а тут просто передрали статью, даже графики не подписали.

          • rtakyiv
            /#19730474

            Честно сказать, я мотив выбора статьи тоже не понял. С другой стороны — свежая статья, рак, иридий, VIP статья в Angewandte, так что наверное норм :)

            А про свет, еще раз, сделать фотосенсибилизатор и доставить свет — отдельные и не связанные задачи. Свет не должен с улицы в опухоль попадать. Если фотосенсибилизатор будет рабочий, то световод в пузо — и проблема доставки света решена…

            • shadrap
              /#19730766

              так то оно так, я не особо знаком с фотодинамической терапией, но на графике вверху макс эффективность сенсибилизатора — при 500нм, это лазер, насколько я понимаю и он не очень глубоко пройдет в ткани, без потерь. Насколько я слышал — это принципиальное ограничение для этого метода лечения — поверхностные опухоли.

    • tvr
      /#19731980

      А откуда в организме, внутри возьмётся синий свет?

      От синей лампы с рефлектором — первейшего средства для выработки синего света.
      Как вспомню пытки прогревание этим адским девайсом, так кажется, что он насквозь просвечивал, причём вдоль.

      • Diordna
        /#19732836

        Вики

        Противопоказания к физиотерапевтическому использованию рефлектора: онкологические заболевания

    • Bolotnikoff
      /#19736968

      Сегодня уже применяются технологии направленного малоинвазивного облучения опухолей. Я думаю воткнуть несколько излучателей не так уж и трудно, и довольно безопасно. Правда я видел информацию об радиоактивном облучении таким способом. А теперь вот про обычный свет пишут что вроде еще безопаснее

      • 5oclock
        /#19737534

        Безопаснее, но и менее проникающий.

  2. chediz
    /#19730592

    Теоретически, акупунктурные меридианы подобны оптоволокну и способны проводить свет. Вопрос в силе света и спектре, но всё-же, как один из возможных способов доставки света. Плюс — сделать небольшой надрез и подать туда светооптику всё-же отличается от операции по удалению. Как частный случай, конечно же.

    • rtakyiv
      /#19730900 / +2

      акупунктурные меридианы подобны оптоволокну и способны проводить свет
      Это при открытой чакре. Поворот же крышки чакры приводит к экспоненциальному падению проводимости, с коэффициентом 0.42 на каждый градус поворота.

      • snuk182
        /#19732150 / +1

        Тогда надо спин учитывать. Чакра чакре рознь, все таки.

  3. rtakyiv
    /#19730880

    del

  4. sav6622
    /#19731110 / +1

    Читаешь-читаешь статью, и тут, бац, покупайте шпингалеты производства калмыцкого завода!
    За статью спасибо!

  5. Dorogonov_DA
    /#19732078

    Не более ли перспективны радиосенсибилизаторы? Хотя, для мелоном и прочих новообразований, поражающих в первую очередь кожу — фотосенсебилизаторы даже лучше — они могут запускаться от обычного солнечного света, при его достаточной интенсивности.

  6. arielf
    /#19732082

    Будущее онкологии за генными и иммунными терапиями.

    • swmicro
      /#19734038 / -1

      Будущее онкоголии такое же как сегодня — это лозунги «Мы победили рак».