В Корее разработали полимерный наноноситель лекарственных средств, который повышает эффективность лечения рака легких
- 2 авг.
- 6 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Студент 3-го курса факультета инженерии новых материалов Чин Чжу Ён
- Возглавил исследовательский проект в качестве стажёра-исследователя
- Достиг успеха, опубликовав статью в международном научном журнале в качестве первого автора
Чин Чжу Ён — студент бакалавриата факультета инженерии новых материалов Института науки и технологий Кванджу (GIST). [Предоставлено GIST]
Студент технического вуза в Южной Корее стал первым автором статьи в международном научном журнале, представив результаты исследования, позволяющие повысить эффективность лечения рака лёгких и снизить повреждение здоровых клеток.
Героем этой истории стал Чин Чжу Ён, студент 3-го курса факультета инженерии новых материалов Института науки и технологий Кванджу (GIST) (научный руководитель — профессор Ли Ын Чжи).
Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале «ACS Applied Polymer Materials», издаваемом Американским химическим обществом (ACS).
Студент Чин Чжу Ён, поступив в GIST в 2024 году, в ходе выполнения задания по чтению и презентации научных статей на занятиях по специальности «Инженерия новых материалов» заинтересовался исследованием функциональных полимеров и биоматериалов, способных эффективно доставлять лекарственные препараты в нужные области.
Впоследствии он присоединился к исследовательской группе профессора Ли Ын Чжи на факультете инженерии новых материалов в качестве студента-исследователя и с августа 2025 года вела исследования по теме «Разработка наноносителей лекарственных средств на полимерной основе» с целью повышения эффективности лечения рака легких.
Исследовательская группа разработала новую «технологию доставки лекарственных средств на основе полимеров», позволяющую повысить терапевтическую эффективность противоракового препарата «цисплатина» (Cisplatin) - широко используемого в лечении рака лёгких - и снизить повреждение здоровых клеток.
В частности, была реализована технология наноносителей лекарственных средств, в которой «пиперлонгумин» (Piperlongumine) - вспомогательное противораковое вещество природного происхождения, которое плохо растворяется в воде - было встроено в полимер «Плуроник F127» (Pluronic F127), который при температуре тела самостоятельно образует очень мелкие частицы (наночастицы), что обеспечивает более стабильную доставку лекарственного средства в организме.
Разработанный наноноситель позволял загружать лекарственное вещество внутрь наночастиц с высокой эффективностью (около 90%) и при температуре тела стабильно образовывал «мицеллы» (micelle) — чрезвычайно мелкие частицы диаметром не более 100 нанометров (нм), тем самым эффективно доставляя лекарство в нужную область.
Кроме того, в клетках рака лёгких они усиливали образование активных форм кислорода (Reactive Oxygen Species, ROS), что приводило к самоповреждению раковых клеток, тем самым ещё больше повышая противораковый эффект существующего препарата цисплатина.
Схема 1. Формирование термочувствительных мицелл, наполненных пиперлонгумином (PL), селективное поглощение и апоптоз, усиленный активными формами кислорода, при использовании цисплатина в сфероидах рака легких по сравнению со сфероидами нормальных фибробластов легких
Рисунок 1. Оценка противораковой эффективности цисплатина и пиперлонгумина (PL) на клетках рака легких A549. (A) Профили дозозависимой цитотоксичности клеток A549, подвергнутых воздействию только цисплатина и только PL в различных концентрациях (0–100 мкМ) в течение 24 ч, определенные с помощью анализа MTS. (B) Жизнеспособность клеток A549 при совместном воздействии фиксированных концентраций PL (10 и 20 мкМ) и различных концентраций цисплатина (0–100 мкМ), демонстрирующая усиление цисплатином индуцированной цитотоксичности под действием PL. Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение (SD) по результатам не менее трёх независимых экспериментов.
Рисунок 2. (A) Схематическое изображение температурно-индуцированной мицеллизации PF-127 и инкапсуляции PL, демонстрирующее переход от диспергированных унимеров и PL при 25 °C к мицеллам, наполненным PL, при 37 °C. (B) Средний гидродинамический диаметр 2 %-ных мицелл PF-127, приготовленных с различными концентрациями PL (0, 20 и 40 мкМ) при 25 °C (серые столбики), 30 °C (синие столбики) и 37 °C (красные столбики), определенный методом динамического светорассеяния (DLS). (C) Типичное изображение, полученное с помощью обычного просвечивающего электронного микроскопа (TEM), мицелл с наполнителем PL (2 % PF-127, 40 мкМ PL), полученных из мицеллярного раствора, уравновешенного при 37 °C, путем охлаждения жидким азотом, лиофилизации и окрашивания уранилацетатом, демонстрирующее сферическую морфологию с диаметрами менее 100 нм. (D, E) Кинетика высвобождения лекарственного средства in vitro и образование внутриклеточных АФК в 2%-ных мицеллах, наполненных PL. (D) Профили кумулятивного высвобождения PL из мицелл PF-127 при физиологической температуре (37 °C) в течение 70 ч. Представлены данные для мицелл, наполненных 20 мкМ (розовые кружки) и 40 мкМ (красные кружки) PL, демонстрирующие характер пролонгированного высвобождения. (E) Количественная оценка уровней внутриклеточных АФК в клетках A549 с использованием анализа DCFH-DA. Сравнивали относительную интенсивность флуоресценции между контрольными группами, группами с одними только мицеллами, свободным PL и мицеллами, наполненными PL (2 % PF-127, 20 мкМ PL). Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение (SD) по результатам как минимум двух независимых экспериментов (*p ≤ 0,05).
Таблица 1. DLE и DLC мицелл, наполненных PL
a DLE — эффективность наполнения препаратом; DLC — содержание препарата. Теоретическое DLC рассчитывалось на основе исходных масс добавленных PL и PF-127 при допущении полного включения PL, тогда как экспериментальное DLC определялось по количеству PL, измеренному по поглощению в УФ-видимом диапазоне при 328 нм. Соответственно, экспериментальное DLC ≈ DLE × теоретическое DLC. Значения приведены с точностью до трех знаков после запятой для обеспечения прямого сравнения.
Рисунок 3. (A) Комбинированная противораковая эффективность и анализ механизма гибели клеток в клетках A549. (B) Жизнеспособность клеток A549, обработанных только цисплатином, цисплатином + свободным PL и цисплатином + мицеллами, наполненными PL (2 % PF-127, 20 мкМ PL), при различных концентрациях цисплатина (10, 25 и 50 мкМ), измеренная с помощью MTS-анализа. Данные в (B) представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение (SD) по результатам не менее трёх независимых экспериментов. Статистическая значимость определялась с помощью пост-хок-теста (*p ≤ 0,05, **p ≤ 0,01). (C) Типичные флуоресцентные изображения клеток A549, полученные с помощью анализа «живые/мертвые» после 24 ч воздействия препарата (масштабная линейка: 200 мкм). Зелёная и красная флуоресценция соответственно указывают на кальцеин-AM (живые клетки) и PI (мертвые клетки). (D) Флуоресцентные изображения анализов апоптоза с использованием аннексина V-FITC (зелёный) и PI (красный) для визуализации типа гибели клеток (масштабная линейка: 75 мкм).
Рисунок 4. Формирование и морфологическая эволюция трехмерных многоклеточных сфероидов рака легких (A549) и нормальных фибробластов (MRC-5). (A) Изображения, полученные с помощью оптического микроскопа, иллюстрирующие изменение формы и размера сфероидов A549, сформированных при различных начальных плотностях посева (1000, 5000 и 10 000 клеток/лунку) в течение 16–72 ч. (B) Количественный анализ изменений диаметра сфероидов во времени для каждой начальной плотности посева, демонстрирующий начальную фазу уплотнения. (C) Долгосрочная морфологическая эволюция сфероидов A549 (верхние панели; масштабная линейка: 500 мкм) и MRC-5 (нижние панели; масштабная линейка: 200 мкм), наблюдаемая на 3-й, 9-й и 12-й дни. Пометки указывают на переход от фазы уплотнения к последующей фазе роста, связанной с пролиферацией, на основании наблюдаемых морфологических изменений. (D) Хронология эксперимента по оценке лекарственных препаратов на основе 3D-сфероидов. Клетки высевали на 0-й день, рост сфероидов наблюдался примерно на 9-й день, обработку препаратом проводили на 16-й день, следуя тенденции роста/созревания, наблюдаемой до 12-го дня, а анализы «живые/мертвые» и на апоптоз проводили на 17-й день после 24 ч обработки.
Рисунок 5. Селективная терапевтическая эффективность цисплатина и мицелл, наполненных PL, в 3D-сфероидных моделях. (A) Типичные флуоресцентные изображения анализа «живые /мертвые» сфероидов рака лёгких (A549) после 24 ч лечения при различных условиях применения препарата (масштабная линейка: 500 мкм). Распространенная красная флуоресценция в группе совместного лечения (цисплатин + мицеллы, наполненные PL) указывает на обширную гибель раковых клеток по всей структуре сфероида. (B) Флуоресцентные изображения «живые/мертвые» сфероидов нормальных фибробластов легких (MRC-5) при идентичных условиях лечения (масштабная линейка: 200 мкм). Сохранение яркой зелёной флуоресценции в группе MRC-5 даже при совместном лечении подчеркивает высокую терапевтическую селективность стратегии комбинированной терапии с усилением АФК. Зелёная и красная флуоресценция соответственно обозначают кальцеин-AM (живые клетки) и PI (мертвые клетки).
Рисунок 6. Исследование механизма гибели клеток в трехмерных сфероидах рака лёгких A549 с помощью анализа апоптоза. Изображения, полученные с помощью флуоресцентной микроскопии, иллюстрируют распределение аннексина V-FITC (зелёный цвет, маркер раннего апоптоза) и пропидиййодида (PI, красный цвет, маркер позднего апоптоза/некроза) через 24 ч после воздействия различных условий лечения. В то время как цисплатин в первую очередь вызывает некротическое повреждение (сильные сигналы PI), обработка мицеллами, наполненными PL, — а также их комбинация с цисплатином — значительно усиливает апоптотическую реакцию, характеризующуюся повсеместной зелёной флуоресценцией аннексина V на клеточных мембранах. Сложенные изображения демонстрируют усиление программируемой гибели клеток в трёхмерной опухолевой структуре (масштабная линейка: 500 мкм).
В то же время в нормальных клетках лёгких он демонстрировал относительно низкую токсичность, что подтвердило возможность его селективного воздействия на раковые клетки.
Превосходный противораковый эффект был также подтверждён на «трехмерной модели ткани рака лёгких (сфероиды)», имитирующей реальную опухолевую среду.
«Опираясь на опыт исследования полимерных биоматериалов, накопленный в ходе данного исследования, я в настоящее время занимаюсь разработкой криоконсервантов нового поколения» - сказал студент Чин Чжу Ён, добавив: «В будущем планирую разработать полимерные материалы, позволяющие безопасно хранить клетки и ткани в течение длительного времени, и расширить сферу исследований на области биомедицины и регенеративной медицины».
«Этот результат является примером того, что даже студенты бакалавриата могут добиться международных научных достижений, если им предоставляются достаточные возможности для исследований и систематическое наставничество» - сказал профессор Ли Ын Чжи, добавив: «Это имеет большое значение в части образования, поскольку исследовательская среда GIST поддерживает стремление студентов к новым вызовам и их развитие, что привело к выдающимся результатам».
Комментарии