Коллектив исследователей Института биофизики будущего МФТИ разработал полностью генетически кодируемую двухэтапную систему доставки лекарств, которая позволяет направлять противоопухолевый препарат непосредственно в опухоль и тем самым существенно снизить его воздействие на здоровые ткани. В отличие от большинства ранее предложенных решений, основанных на синтетических наночастицах, новая платформа целиком состоит из биологических компонентов и самостоятельно собирается из белков. Такой двухстадийный подход применяется для адресной доставки лекарств впервые. Работа, открывающая возможности для более безопасной и эффективной терапии, опубликована в журнале Advanced Healthcare Materials и выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
За последние десятилетия нанотехнологии сыграли важную роль в развитии систем адресной доставки лекарств и значительно продвинули лечение тяжёлых заболеваний, включая рак. Такие системы способны повышать эффективность терапии, точечно воздействовать на опухолевые клетки, снижать общую токсичность и контролировать высвобождение препарата. Однако широкое клиническое применение по-прежнему ограничено рядом проблем: химический синтез наночастиц часто оказывается сложным, плохо воспроизводимым и трудно масштабируемым для массового производства. На практике это хорошо известно специалистам в области наномедицины: воспроизводимость синтеза наночастиц – одна из самых сложных задач, с которой сталкивается практически любой исследователь, работающий с такими системами.
Предложенная стратегия генетически кодируемой системы адресной доставки лекарств позволяет одновременно решить две ключевые проблемы наномедицины: низкую эффективность накопления нанопрепаратов в опухоли и трудности, связанные с их воспроизводимым и масштабируемым производством. В отличие от химически синтезируемых наночастиц, в основе новой платформы лежат самособирающиеся белковые наноконструкции, – структуры, которые, по аналогии с вирусными капсидами, формируются из отдельных субъединиц строго по заданной генетической программе. Такой подход обеспечивает высокую однородность получаемых частиц, хорошую воспроизводимость и потенциально более доступное производство.
«Наша работа посвящена разработке принципиально новой стратегии доставки лекарств на основе самособирающихся белков экстремофильных бактерий Thermotoga maritima. Более того, самособирающиеся белковые наночастицы, природные “нанокапсулы”, были впервые применены нами как полноценный носитель терапевтического препарата in vivo», – рассказала д.б.н. Виктория Шипунова, заведующая лабораторией биохимических исследований канцерогенеза МФТИ.
По словам учёного, принцип работы новой системы адресной доставки заключается в следующем: сначала в организм вводится безопасный белковый модуль, который избирательно накапливается в опухоли и «помечает» раковые клетки. Затем к этим заранее размеченным мишеням точечно доставляется противоопухолевый препарат – доксорубицин, упакованный внутрь белковых наночастиц.
Ключевым элементом системы является инкапсулин – прочная сферическая белковая наночастица, происходящая из термофильной бактерии Thermotoga maritima. Эти бактерии обитают в экстремальных условиях – вблизи гидротермальных источников и вулканических жерл на дне океана, где температура среды может превышать 80 °C. Благодаря такой среде обитания их белки отличаются исключительной стабильностью, устойчивостью к нагреву, изменению pH и ферментативному разрушению, что делает инкапсулины особенно привлекательными в качестве носителей лекарственных препаратов.
Для точного соединения компонентов системы исследователи использовали так называемый «молекулярный скотч» SpyTag/SpyCatcher – пару из короткого пептида SpyTag и белка SpyCatcher, которые способны быстро и необратимо образовывать прочную ковалентную связь непосредственно в организме.
Преобразующей идеей разработки стала двухэтапная стратегия доставки, которую можно сравнить с работой высокоточного оружия. На первом, «разведывательном», этапе вводится белковый «маячок» – химерный белок, состоящий из трёх функциональных частей. Аффибоди – компактного и исключительно прочного аналога антитела, который обеспечивает высокоспецифичное связывание с рецептором HER2 на поверхности опухолевых клеток рака молочной железы и желудка. Флуоресцентный белок mKate2 позволяет визуализировать распределение «маячка», а белок SpyCatcher служит точкой сборки для второго компонента системы. В результате этот модуль избирательно накапливается в опухоли и формирует на поверхности раковых клеток своеобразную «метку».
Через несколько часов, после того как «маячки» закрепились на опухолевых клетках, наступает второй этап. В организм вводятся белковые наночастицы инкапсулина, на поверхности которых экспонированы пептиды SpyTag, а внутри заранее загружен доксорубицин. Эти наночастицы свободно циркулируют в кровотоке, но прочно и необратимо связываются только в тех местах, где присутствует SpyCatcher – то есть исключительно на поверхности предварительно размеченных раковых клеток. В результате лекарственный препарат доставляется точно в опухоль, практически не затрагивая здоровые ткани.
«Почему это действительно большой шаг вперёд? Несмотря на значительный прогресс наномедицины, остаётся важная практическая проблема: массовое производство химических наночастиц – это дорого, технологически сложно и требует специализированной инфраструктуры, которая пока ограниченно представлена в нашей стране. Белковые наночастицы позволяют принципиально иначе подойти к этой задаче. Они самостоятельно собираются по заданной генетической программе, эффективно нарабатываются в бактериальных системах и легко встраиваются в уже существующие биотехнологические процессы», – отметила Виктория Шипунова.
«Такие носители не требуют сложного химического синтеза – их можно производить на стандартных белковых биореакторах, так же, как многие современные биофармацевтические препараты. Это делает технологию существенно более реалистичной с точки зрения масштабирования и последующего внедрения в практическую медицину», – отметила Анастасия Обозина, первый автор работы, младший научный сотрудник лаборатории биохимических исследований канцерогенеза МФТИ.
Рисунок. Схематическое изображение системы доставки лекарств. Первоначально нетоксичный гибридный белок избирательно связывается с HER2-положительными опухолевыми клетками, создавая предварительную структуру для нацеливания. Затем вводятся цитотоксические наночастицы Encap-ST, нагруженные доксорубицином, которые направляются на определенные клетки, обеспечивая визуализацию опухоли и мощное терапевтическое действие. Источник: Advanced Healthcare Materials
Эффективность системы исследователи оценили в доклинических экспериментах, в том числе на мышах с HER2-положительными опухолями. Двухэтапная доставка обеспечила подавление роста опухоли на 95%, что сопоставимо или превосходит результаты стандартной химиотерапии. Для сравнения, свободный доксорубицин в той же дозе ингибировал рост опухоли на 87,5%, а наночастицы с препаратом, введённые по одноэтапной схеме без предварительного «нацеливания», – лишь на 62,3%.
При этом ключевым результатом стала не только высокая противоопухолевая активность, но и существенно улучшенная переносимость терапии. Животные, получавшие свободный доксорубицин, теряли массу тела и демонстрировали характерные признаки кардиотоксичности. В группе двухэтапной доставки подобных эффектов не наблюдалось: сердце, печень и почки сохраняли нормальную структуру, а снижение веса было минимальным и носило временный характер. За счёт этого выживаемость животных при применении новой системы оказалась значительно выше по сравнению с традиционной химиотерапией.
Таким образом, новизна исследования заключается не только в использовании белковых наночастиц, но и в успешной демонстрации стратегии in vivo-лигирования – когда два компонента системы находят друг друга и необратимо связываются непосредственно в организме, на поверхности опухолевой клетки. Разделение во времени этапов нацеливания и доставки лекарственного препарата позволяет сохранить высокую эффективность терапии при одновременном резком снижении побочных эффектов, что напрямую отражается на выживаемости.
Подробнее об исследованиях коллектива читайте на тг-канале лаборатории.
Научная статья: Obozina, A. S., Gopanenko, A. V., Zvereva, S. D., Okonechnikov, K. V., & Shipunova, V. O. (2025). Genetically Encoded In Vivo Ligation‐Driven Targeted Drug Delivery System for Oncotheranostics. Advanced Healthcare Materials, e04119. DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.202504119
