Препарат на основе ДНК-аптамеров (короткие последовательности нуклеотидов), разработанный учёными из Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого (КрасГМУ) и Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН) при участии специалистов Больницы скорой медицинской помощи и онкологического центра (Красноярск), позволяет с очень высокой точностью диагностировать глиальные опухоли — наиболее распространенный и агрессивный тип рака головного мозга.
Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук (ИХБФМ СО РАН, Новосибирск) помогли своим красноярским коллегам разработать модель человеческой опухоли мозга для тестирования препаратов на мышах. В этом исследовании также принимали участие ученые из Сибирского федерального университета (Красноярск), Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва), Томского государственного университета, Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН (Москва), Федерального Сибирского научно-клинического центра Федерального медико-биологического агентства (Красноярск) и зарубежные коллеги из Южной Кореи, Финляндии и Канады.
Исследование поддержано Минздравом и Минобрнауки, грантом Российского научного фонда (РНФ). Его результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Molecular Therapy – Nucleic Acid (https://doi.org/10.1016/j.omtn.2023.03.015).
В головном мозге кроме нервных клеток, передающих электрические импульсы, есть вспомогательные глиальные клетки, которые питают нейроны и создают благоприятную для их работы среду. Если эти клетки выходят из-под контроля организма и начинают бесконтрольно делиться, возникает глиальная опухоль, или глиома. Созданные исследователями молекулы способны находить злокачественные клетки нервной ткани, после чего благодаря метке светящегося красителя опухоль можно легко обнаружить с помощью микроскопа во время операции. Такой подход поможет удалять новообразования с высокой точностью, не задевая функциональные зоны мозга.
Успех лечения глиомы во многом определяется своевременной диагностикой заболевания, которая как правило, основана на данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) или компьютерной томографии (КТ). Однако малые новообразования не всегда могут быть обнаружены этими методами, поэтому ученые стремятся разработать новые подходы для более точной диагностики опасного заболевания.
В результате проведенного исследования ученые получили более 20 тысяч ДНК-аптамеров длиной в 100 нуклеотидов – своего рода «букв», из которых состоят эти молекулы. Затем с помощью машинного обучения ученые выбрали и методами молекулярного моделирования на суперкомпьютере производства российской группы компаний РСК, работающем в Российской академии наук (в МСЦ РАН), «улучшили» те ДНК, которые по своим последовательностям представлялись наилучшими кандидатами.
«Синтез аптамеров — довольно простая и дешевая технология. Однажды проведя отбор ДНК для интересующей нас мишени, мы можем сколько угодно копировать эту молекулу и присоединять к ней разные метки. Полученные в этом исследовании аптамеры связываются исключительно с клетками глиомы, позволяя распознать их абсолютно точно. Благодаря этому аптамеры помогут упростить и ускорить диагностику опухоли. Более того, короткие ДНК быстро распадаются в организме: их «съедают» специальные ферменты, поэтому с большой вероятностью предлагаемые нами молекулы безопасны не только для мышей, но и для человека», — рассказала ведущий научный сотрудник и заведующая лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики КНЦ СО РАН, руководитель лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий КрасГМУ Анна Кичкайло.
Молекулярными методами авторы определили: аптамеры специфически связываются только с глиомой, потому что они распознают особый трансформированный у опухолевых клеток участок белка тубулина. Тубулин формирует внутренний «каркас» всех клеток нашего организма, тем самым придавая им определенную форму. Однако в клетках глиомы в белке происходят злокачественные трансформации, которые и распознают аптамеры.
ДНК-аптамеры Gli-233 и Gli-55 (кандидаты на лекарственные препараты) были разработаны с использованием тканей послеоперационных глиальных опухолей человека, что делает их специфичными именно к глиоме и препятствует их взаимодействию со здоровыми тканями головного мозга. Доклинические испытания на лабораторных мышах показали, что препарат позволяет обнаружить опухоль не только в образцах тканей, но и в живом организме. Для визуализации опухоли животным вводили аптамеры с присоединённой флуоресцентной меткой. Благодаря метке светящегося красителя опухоль можно легко обнаружить с помощью микроскопа во время операции. Высокая специфичность этих аптамеров гарантирует их связывание только с глиомой, что приводит к концентрации препарата исключительно в очаге заболевания и позволяет точно визуализировать границы опухоли и мелкие метостазы с помощью операционного микроскопа. Эксперименты по методу in vivo с использованием живых организмов также показали, что препарат на основе ДНК-аптамеров не токсичен для животных. В «Федеральном центре по проектированию и развитию объектов ядерной медицины» Федерального медико-биологического агентства (ФМБА) России к аптамеру Gli-233 «пришили» радионуклид для ПЭТ/КТ диагносткики, который позволил увидеть опухоль в мозге у мышей.
Важную роль в разработке препарата играет понимание механизмов взаимодействия ДНК-аптамеров с их белковыми мишенями - GFAP и цепью тубулина α1C. Для этого пространственная структура аптамеров Gli-233 и Gli-55 была определена с помощью экспериментов малоуглового рентгеновского рассеяния и молекулярного моделирования, выполненного с использованием вычислительных ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН на одной из кластерных систем, установленной в МСЦ РАН группой компаний РСК. Для аптамера Gli-233 был смоделирован комплекс с мишенью - тубулином α1C, содержащим пост-трансляционные модификации. С помощью расчётов в области молекулярной динамики и квантовой химии были определены сайты связывания аптамера с белком. Информация о том, какие нуклеотиды играют ключевую роль во взаимодействии аптамера с мишенью, позволит модифицировать препарат для улучшения его связывающих характеристик и повышения эффективности его применения.
ООО «АптамерЛаб» в рамках гранта, полученного от Инновационного центра «Сколково», модифицирует разработанный препарат под специфические потребности производства. Остается надеяться, что уже скоро его начнут использовать в клиниках для интраоперационной визуализации опухолей мозга.
