Сферические нуклеиновые кислоты могут вылечить рак?

Интервью с доктором Chad Mirkin из Северо-Западного университета, проведенное изданием April Cashin-Garbutt.

64
просм.
Цепочка ДНК
Цепочка ДНК

Chad Mirkin — директор Международного института нанотехнологий. Американский ученый, специализирующийся в химии, нанотехнологии и наномедицине. Является наиболее цитируемым химиком за период с 2000 по 2010 год.

В Сферические нуклеиновые кислоты — что это?

О Сферические нуклеиновые кислоты (СНК) — это структуры, в основе которых лежат наночастицы и добавленные к ним химическим способом короткие нити ДНК или РНК. Сферическое ядро ​​наночастицы обеспечивает сферическое расположение ДНК или РНК, делая их похожими на крошечные шарики из нуклеиновых кислот.

Несмотря на то, что нуклеотидные последовательности могут быть идентичными, свойства сферических нуклеиновых кислот сильно отличаются от свойств линейных нуклеиновых кислот (ЛНК). Например, СНК связываются с комплементарной ДНК или РНК гораздо более сильно, чем ЛНК.

Это означает, что в контексте обнаружения и использования СНК в качестве диагностического средства вы можете, например, использовать более низкие концентрации нуклеиновой кислоты-мишени, связанной с данным заболеванием. Таким образом, сферические нуклеиновые кислоты становятся основой для высокочувствительных и высокоселективных молекулярных методов диагностики.

В Могут ли СНК применяться для выявления инфекций?

О Технология Verigene System, разработанная компанией Nanosphere и впоследствии проданная Luminex Corporation, используется для сортировки подписей, связанных с каким-либо заболеванием (в т.ч. и инфекционной болезнью) даже при очень низких их концентрациях. Эта технология позволяет ученым идентифицировать заболевание на самых ранних стадиях его развития.

Verigene System становится просто необходимой для некоторой категории больных. Например, в случае с сепсисом, счет идет буквально на минуты. Несвоевременная реакция со стороны врачей приведет к смерти больного.

Подобная технология меняет способ осуществления молекулярной диагностики. Это очень простой и точный инструмент, позволяющий обнаружить бактериальные инфекций намного быстрее и раньше, нежели делать это «обычными» тестами. Нет необходимости идти через процесс культивирования образца, который занимает много времени и, следовательно, увеличивает риск для пациента.

Verigene System — это инструмент, который лучше всего подходит для пациента, т.к. человек сможет в максимально сжатые сроки узнать свой диагноз. Вне всяких сомнений, технология Verigene System будет полезна и для врачей, т.к. для них отпадет необходимость прописывать кучу ненужных антибиотиков, вынуждая пациентов напрасно тратить деньги.

В Каков механизм синтеза сферических нуклеиновых кислот?

О При разработке биологической маркировки в качестве шаблона используются наночастицы золота, и к сферическим нуклеиновым кислотам, посредством химических процессов, привязываются короткие нити ДНК. В случае с золотом, закрепляются группы тиолов.

Мы разработали процесс, который позволяет загружать ДНК или РНК на поверхности частицы до очень высокой степени. Благодаря этому СНК приобретают сферическую форму, а также свойства, которые были упомянуты выше.

В Какова тема вашей презентации на Pittcon в марте 2017-го?

О На конференции Pittcon, которая будет проводиться в Чикаго, будет озвучено много разных интересных моментов, но конкретно я планирую строить свое повествование на двух следующих темах:

  1. Verigene System.
  2. Новая технология, позволяющая измерять внутриклеточные полинуклеотиды в мРНК.
Золотые наночастицы, полученные методом лазерной абляции в тяжелой воде. Шкала 20 нм
Золотые наночастицы, полученные методом лазерной абляции в тяжелой воде. Шкала 20 нм

Обе технологии основаны на сферических нуклеиновых кислотах, которые являются структурами, способными попадать в живую клетку, связываться с конкретной целью (в данном случае с внутриклеточными полинуклеотидами) и выявлять или освобождать флуорофору (фрагмент молекулы, придающий ей флуоресцентные свойства).

Это позволит нам впервые измерить генетическое содержание живых клеток. В дополнение к оценке генетического содержания, клетки могут быть дифференцированы на основе уровней экспрессии. Расположение РНК в клетке также может быть измерено, что особенно интересно, потому что до сих пор никто и никогда не смог сделать это в живых клетках. Это особенно интересно, потому что в сочетании с такой технологией как проточная цитометрия, вы способны ранжировать клетки по генетическим различиям.

Millipore — это компания, которая имеет право коммерциализации этой технологии и производства множества вариаций этих типов архитектур. В зависимости от нацеленности того или иного варианта, исследователи смогут, например, вычленять циркулирующие опухолевые клетки, не влияя при этом на здоровые.

Эта технология может стать способом качественного и количественного изучения клеток. Она также позволяет изолировать их, с целью более точного их анализа. Вы можете обособить интересующие вас клетки от других популяций и использовать их для понимания происхождения генетических различий. Например, проследить реакцию клеток больного онкологией на различные виды терапии.

Это серьезный шаг к персонализированной медицине. Технология также может быть полезна для высокопроизводительного скрининга лекарственных средств, где можно посмотреть, как различные типы молекулы препарата активируют или подавляют различные типы генов. Мало того, данные можно будет визуализировать, применив технологию нано-вспышки.

В Смогут ли СНК помочь в лечении онкологии?

О Сферические нуклеиновые кислоты, помимо всего прочего, также являются основой для целого нового класса терапевтических нуклеиновых кислот. В настоящее время есть три основных направления разработки лекарственных средств:

  1. Малые молекулы. Преимущества всем хорошо известны. В качестве прекрасного примера можно привести аспирин.
  2. Биопрепараты. 7 из 10 препаратов генной инженерии — это антитела. Они имеют массу преимуществ и возможностей, которые выходят за пределы того, что могут предложить малые молекулы.
  3. Препараты нуклеиновых кислот. Эти короткие фрагменты ДНК или РНК используются для лечения болезни, атакуя ее на генетическом уровне.

Препараты на основе антисмысловых (одноцепочных) ДНК используются с целью подавить мРНК и остановить синтез белков, ассоциируемых с болезнью. Концепция работы препаратов нуклеиновых кислот заключается в возможности преобразовывать нездоровые клетки в здоровые, путем синтеза определенного типа белка.

Затем появилась технология siРНК – аналогичное понятие в том смысле, что синтез конкретных видов белков может быть остановлен разными путями. Генетическая медицина — это очень перспективный вариант развития цифровой медицины, где вместо того, чтобы каждый раз, когда вам нужен новый препарат, искать работающую в отношении вас малую молекулу, можно было бы изменить последовательность ДНК или РНК.

С концептуальной точки зрения, это были очень мощные технологии. Они привели к развитию многих коммерческих подходов, но имели ограниченный успех. Причина была в следующем.

Чтобы действительно реализовать генетический подход к терапии различных заболеваний медицины, вам понадобиться несколько вещей:

  1. Вы должны уметь синтезировать ДНК и РНК.
  2. Вы должны понимать последствия их синтеза.

Эти две проблемы были преодолены; мы знаем, как производить ДНК и РНК, и, благодаря проекту «Геном человека», мы также много знаем о векторе развития болезни и о том, как лечить заболевание, воздействуя на него с разных сторон.

Но существует третье, и, пожалуй, самое важное требование — это возможность получить ДНК или РНК в конкретном нужном месте уже имеющейся цепочки. И именно здесь большинство попыток были безуспешными.

Сейчас вступают в игру те самые сферические нуклеиновые кислоты. СНК, полученные от нативной ДНК или РНК и не имеющие природного аналога, могут взаимодействовать с живыми системами. Практически каждый тип клеток в организме, кроме зритроцитов, признает СНК и быстро усваивает их без необходимости трансфекции (введения нуклеиновой кислоты в клетки человека и животных невирусным методом).

Это особенно интересно, потому что, например, если внедрить «нормальную» ДНК или РНК в крем и нанести его на кожу, это не заставит ее перейти в клетки. Однако, сферические нуклеиновые кислоты лишены этой особенности. Именно поэтому это открытие дает возможность создавать лекарственные препараты, с помощью которых можно будет лечить множество заболеваний.

Мы смотрим на эту возможность с точки зрения разработки новых видов лечения в том числе и заболеваний кожи. Существует более 200 заболеваний, причиной которых выступает генетика. Уже сейчас можно начинать думать о создании медикаментов, предназначенных для глаз, ушей, легких, мочевого пузыря и толстого кишечника через аналогичные подходы.

Фундаментальные свойства СНК делают их подходящими для лечения широкого спектра заболеваний. В качестве первого препарата, в основе которых будут лежать сферические нуклеиновые кислоты, может стать лекарство для терапии псориаза.

ВКак именно СНК могут быть использованы в противораковых вакцинах?

ОМы проводили исследования на предмет использования СНК в качестве регуляторов иммунной системы. С помощью СНК (с учетом правильной последовательности) мы сможем активировать толл-подобные рецепторы (класс клеточных рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают консервативные структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ).

Это позволяет создавать новые формы вакцин, с помощтю которых будет возможно, например, «тренировать» организм человека для борьбы с определенным типом рака. У нас есть целый ряд перспективных препаратов на основе этого подхода, и на Pittcon я буду говорить преимущественно о раке простаты.

В принципе, вакцины могут быть разработаны для лечения абсолютно любых видов онкологии, включая рак головного мозга, мочевого пузыря, толстой кишки и меланому.

В На каком этапе находится создание вакцины от рака на основе СНК?

О Клинические испытания на людях начнутся в этом году. Технология была широко проверена на животных и доказала свою безопасность в случае, например, тестирования ее на приматах.

Человеческие испытания — чрезвычайно важный шаг в разработке абсолютно любого лекарственного препарата. Применяя лекарства, концепция работы которых заключается в стимуляции работы иммунной системы, мы сталкиваемся с риском возникновения у больного того или иного аутоиммунного заболевания.

Мы считаем, что сферические нуклеиновые кислоты откроют новые горизонты в сфере общественного здравоохранения.