Ученые из ИТМО, Сколтеха и МФТИ представили инновационный подход к фототермической иммунотерапии рака, обеспечивающий прецизионное регулирование иммунного ответа непосредственно в опухоли. Технология основана на использовании светочувствительных микрочастицах, которые, подвергаясь воздействию лазерного излучения, высвобождают иммуномодулирующий препарат в определенной области и в запланированное время. Это способствует изменению функции опухоль-ассоциированных макрофагов – иммунных клеток, которые, как правило, способствуют росту опухоли – из состояния, поддерживающего опухоль, в состояние, направленное на ее уничтожение. Описание исследования можно найти в Biomaterials Advances.
Опухоли злокачественного характера представляют собой сложные биологические структуры, и их выживание обусловлено способностью к трансформации окружающей их среды. Важную роль в этом процессе играют макрофаги – клетки врожденной иммунной системы, которые в обычных условиях распознают и нейтрализуют патогены, а также поддерживают цитотоксическое действие T-лимфоцитов на злокачественные клетки. Тем не менее, в опухолевой ткани макрофаги нередко приобретают М2-фенотип, характеризующийся регенеративными свойствами и подавлением цитотоксических Т-лимфоцитов, что стимулирует рост новообразования. Макрофаги с М1-фенотипом, демонстрирующие противовирусную и противоопухолевую активность, в опухоли практически не встречаются.
Вместо того чтобы бороться с раковыми клетками напрямую, как это делают многие другие методы таргетной терапии, новая технология, созданная учеными, воздействует на иммунные клетки, окружающие злокачественную опухоль. Вместо прямой атаки на опухоль, исследователи предлагают изменить функции иммунных клеток, поддерживающих её рост, трансформировав макрофаги из состояния М2 в М1. Такой подход позволит задействовать собственные защитные силы организма в борьбе с опухолью.
Основное преимущество данной технологии заключается в возможности удалённой стимуляции иммуномодулирующего компонента посредством лазерного излучения в ближней инфракрасной области спектра. Это позволяет значительно уменьшить вероятность возникновения побочных реакций и неконтролируемой активации иммунитета за пределами поражённой ткани. Разработанная система – это целостный комплекс, в котором каждый элемент предназначен для выполнения конкретной задачи:
- Полимерные носители служат своеобразными емкостями для лекарственных веществ. Они были изготовлены в двух различных размерах – микрометровые и субмикрометровые – для исследования влияния размера частиц на поглощение клетками и эффективность иммунного ответа;
- Наностержни из золота, интегрированные в структуру носителей, действуют как преобразователи внешнего воздействия. Они поглощают инфракрасное излучение, вызывая локальный перегрев оболочки капсул и обеспечивая высвобождение лекарственного вещества;
- Активное фармацевтическое вещество, являющееся стимулятором STING, заключено внутри носителей и обладает сильным иммуномодулирующим действием, активируя врожденный противоопухолевый иммунный ответ.
Новый метод функционирует по аналогии с дистанционно управляемой точечной операцией. Капсулы вводятся непосредственно в опухоль, после чего на них воздействуют лазером. Наностержни, содержащиеся в капсулах, поглощают инфракрасный свет, что приводит к их нагреву и локальному разрушению полимерной оболочки, обеспечивая высвобождение лекарственного препарата точно в заданной области и в запланированное время. Высвобожденный иммуномодулятор попадает в микроокружение опухоли и инициирует последовательность биохимических процессов, трансформирующих макрофаги из фенотипа М2 в М1. Без лазерной активации капсулы сохраняют свою стабильность, находятся в неактивном состоянии и не представляют опасности.
«В данном исследовании продемонстрирована наша способность к удалённому управлению высвобождением лекарственного средства и контролю над временем его действия. После введения инъекции препарат будет сохранять неактивную форму до тех пор, пока мы не направим лазерный луч на целевую область. Ключевым достоинством применения лазера в данной методике является возможность точного контроля, которая позволяет снизить вероятность возникновения побочных эффектов и исключить воздействие на здоровые ткани» , — рассказала младший научный сотрудник физического факультета ИТМО и основной автор публикации Лидия Михайлова.
В лабораторных исследованиях, проведенных на культуре макрофагов (in vitro), от 85% до 88% клеток после воздействия лазера меняли свой фенотип на М1. В экспериментах на мышиной модели меланомы (in vivo) было достигнуто заметное перепрограммирование, при котором доля М1-клеток составила 28,3%. Такой эффект объясняется сложностью живого организма, где барьерные ткани, иммунные процессы и метаболизм препятствуют доставке частиц к цели и уменьшают их концентрацию. Тем не менее, результаты, полученные in vivo, наиболее точно характеризуют возможность практического применения данной технологии в клинической практике. Кроме того, более крупные микрометровые капсулы продемонстрировали большую эффективность по сравнению с субмикрометровыми, что обусловлено их повышенной способностью к загрузке и более целенаправленным захватом макрофагов в опухолевых тканях.
«В рамках реализации проекта была объединена экспертиза различных научных центров. В Сколтехе проводились исследования, связанные с биоматериалами и иммунными клетками, специалисты ИТМО сделали значительный вклад в создание фоточувствительных наноматериалов и их оптическое применение, а сотрудники МФТИ принимали участие в биомедицинских разработках» , — по словам Михаила Зюзина, ведущего научного сотрудника ИТМО и МФТИ, а также одного из авторов работы.
В рамках программы «Приоритет 2030» (проект «Клевер») стартовал совместный проект, объединивший усилия ИТМО, МФТИ и Сколтеха. Эта инициатива предоставила возможность специалистам из различных городов совместно трудиться над разработкой инновационной технологии фототермической иммунотерапии. Создание данной технологии заняло два года.
В данный момент технология проходит доклинические испытания. В дальнейшем планируются полноценные терапевтические эксперименты на животных, целью которых будет оценка воздействия метода на развитие и уменьшение опухолей. Научная группа также обсуждает вероятность расширения сотрудничества с медицинскими учреждениями для дальнейшего совершенствования и внедрения технологии в клиническую онкологическую практику.
Сообщение поступило из пресс-службы Университета ИТМО