Ученые НИТУ «МИСиС» в составе российско-немецкой исследовательской группы предложили новый метод неинвазивной визуализации опухолей с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Исследование показало, что использование производных бактерий рода Quasibacillus thermotolerans в сочетании с железом в качестве контрастного маркера и белком для его доставки в клетки опухоли позволяет получить более контрастное изображение. Работа была опубликована в журнале Pharmaceutics.
Прогресс в области терапии онкологических заболеваний во многом зависит от понимания биологии опухолей, в частности, механизмов их формирования и развития. В настоящий момент наиболее распространенный метод получения дополнительного контраста при визуализации живых клеток — нанесение меток различными синтетическими агентами. При этом у любых подобных меток есть существенный недостаток — в процессе естественного деления клеток их концентрация снижается, и после нескольких циклов деления сигнал контрастных агентов слабеет и теряется. Генетически кодируемые репортеры, напротив, делятся и множатся вместе с «дочерними» клетками. Более того, генетически кодируемые контрастные метки «настроены» на обнаружение именно жизнеспособных клеток.
Наиболее изученная категория генетически кодируемых маркеров использует оптический сигнал, генерируемый биолюминесцентными или флюоресцентными белками-репортерами. При этом, несмотря на высокую чувствительность оптических методов визуализации при использовании таких маркеров, их применение крайне ограничено интенсивными процессами рассеивания света в живых тканях, которые не позволяют меткам проникнуть достаточно глубоко.
В то же время, метод МРТ основан на использовании магнитного поля, которое обладает большой глубиной проникновения в ткани и при этом позволяет получить изображение с достаточно высоким разрешением. Среди генетически кодируемых меток наиболее изученным контрастирующим агентом для МРТ является белок ферритин, который играет важную роль в накоплении железа в клетках млекопитающих. При этом применение ферритина ограничено его слабым магнитным сигналом и консервативной структурой, которая не позволяет улучшить его контрастные свойства методами биоинженерии.
В ходе исследования ученые НИТУ «МИСиС», Мюнхенского технического университета, Центра Гельмгольца в Мюнхене, РНИМУ имени Н. И. Пирогова и НМИЦ психиатрии и наркологии им. В.П. Сербского впервые продемонстрировали экспрессию генов-репортеров инкапсулинов из бактерий рода Quasibacillus thermotolerans в клетках злокачественной опухоли печени человека. Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. В качестве белков, загруженных в оболочку инкапсулинов, были использованы ферроксидаза (фермент, окисляющий железо) из Quasibacillus thermotolerans, а также синтетический флюоресцентный белок mScarlet-I.
«Один из перспективных подходов к визуализации раковых клеток основан на использовании гетерологичной экспрессии бактериальных белков инкапсулинов в клетках млекопитающих. Инкапсулины представляют собой нанооболочки, внутренняя полость которых может содержать белки-карго с флюоресцентными свойствми или же ферменты с ферроксидазной активностью. Последние ведут к формированию наночастиц оксида железа внутри полости инкапсулинов, которые, таким образом, могут выступать в качестве генетически контролируемых маркеров для мультимодальной детекции клеток. Кроме того, при использовании в качестве генетически кодируемых репортеров, как оболочка инкапсулинов, так и содержащиеся в них белки-карго сохраняют свою целостность даже при делении клеток», — поясняет Максим Абакумов, к.х.н., заведующий лабораторией «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ «МИСиС».
В результате исследования ученые выяснили, что совместная экспрессия инкапсулина, ферроксидазы, а также белка-транспортера железа позволяет получить более контрастное изображение методом МРТ. По словам авторов исследования, системы на основе инкапсулинов могут также использоваться для мультимодальной (МРТ и оптической) визуализации опухолевых клеток.
