Генна інженерія – суперзброя у боротьбі з раком

Рак – дуже «розумна» хвороба. Попри те, що з деякими його різновидами людство навчилося боротися, у бою з агресивними типами раку ми досі програємо. Ці особливі типи «ігнорують» старання лікарів, найкращі медикаменти та є надстійкими до будь-якої терапії. Але як тоді перемогти цю недугу?
Вчена та дослідниця Массачусетського технологічного університету Пола Хаммонд переконана, що ключем до розв’язання проблеми може стати генна інженерія. Саме вона, ставши новою зброєю проти найагресивніших форм раку, дає шанс на перемогу. Пояснюємо, як це працює.
Задля кращого розуміння уявімо, що агресивні форми раку – це суперзлодії з коміксів. Розумні, швидко пристосовуються та завжди підступно повертаються навіть після потужної атаки. 
Види онкологічних захворювань. Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED
Як і у більшості сучасних антигероїв, суперсила агресивних форм раку полягає у генетичній мутації. Гени, що змінюються всередині пухлини, здатні шифрувати незбагненні способи виживання, а отже рак може залишитися навіть після найінтенсивнішої хіміотерапії. Ба більше — коли ліки потрапляють до клітини, гени здатні відштовхувати медикаменти ще до того, як вони почнуть діяти. 

Стратегія бою

Як каже дослідниця Пола Хаммонд, насправді можливо вимкнути цей підлий ген за допомогою мiРНК (малих інтерферуючих РНК). Саме цей клас молекул дає клітині можливість заблокувати певний ген, тож вчені працюють над тим, щоб застосовувати ці блокатори у медицині — зокрема при лікуванні раку.
Малі інтерферуючі РНК. Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED
Утім, як і в кожному супергеройському сюжеті, на шляху до перемоги часто виникають труднощі та перепони. У випадку малих інтерферуючих РНК теж існує певна проблема. 
Вони добре функціонують всередині клітини, але якщо їх застосувати до ферментів, що містяться у нашому кровообігу та тканинах, вони руйнуються миттєво. Тому ці молекули РНК потрібно захистити під час «подорожі» тілом, де кінцевим пунктом призначення буде ракова клітина.
Руйнування малих інтерферуючих РНК. Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED
Далі, насичуючи ракову клітину міРНК, вимикаємо гени виживання, а вже потім завдаємо їй фінального удару за допомогою хіміотерапії. 
Використовуючи генну інженерію, ця суперзброя зможе рухатися кров’яним потоком, адже її маленькі розміри дозволять не лише здійснити усю цю «мандрівку», але також проникнути в тканини пухлини, а звідти – всередину ракової клітини. 
Цей спецагент, аби виконати свою роботу на відмінно, повинен бути розміром з 0,01 від розміру людської волосини. 
Розмір наночастинки у порівнянні з людською волосиною. Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED
Ядро цієї наночастинки – це крихітна капсула, що містить хімієтерапевтичні ліки, які мають остаточно вбити ракову клітину. Для захисту це ядро загортають у дуже тонку нанометричну «ковдру» з міРНК, блокаторів гену, які мають сильний негативний заряд. 
Наступний  крок — захистити ці молекули РНК шаром позитивно зарядженого полімеру. У такий спосіб дві протилежно заряджені молекули триматимуться разом завдяки взаємному притягуванню зарядів, а отже захистять міРНК від руйнування під час пересування кров’яним потоком.

Атака супротивника

На цьому етапі підготовку завершено, але лишається ще одне питання. Як націлити цю суперзброю на ворожі клітини, що живуть всередині пухлини?
Наша імунна система як пильний інспектор слідкує за порядком у кров’яному потоці та виявляє те, чого у ньому не повинно бути, а потім руйнує та знешкоджує це. Тож не дивно, що  наночастинки імунна система теж сприймає як сторонні об’єкти.     
Для нас це означає, що потрібно ретельно замаскуватися та непомітно доставити наночастинки, оминувши захисну систему. Отже, доведеться додати ще один негативно заряджений шар навколо наночастинки, який має виконати наступні дві функції.
Структура наночастинки: ядро, покриття з міРНК, позитивно заряджений полімер, гідратований полісахарид. Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED

Спецзавдання негативно зарядженого шару

По-перше, оскільки це покриття складається з високогідратованих полісахаридів, які також є в тілі людини, воно створює скупчення молекул води навколо наночастинок, через що виникає ефект невидимки – саме те, що нам було потрібно. Унаслідок цього частинки зможуть безпечно пересуватися кров’яним потоком, доки не дістануться пухлини.
По-друге, цей заряджений шар містить молекули, які зв’язуються з клітиною пухлини. Встановивши зв’язок, пухлина приймає наночастинки, і тепер вони готові до бою вже всередині ракової клітини. 

Бій через три, два, один...

Першими у поєдинок вступають вже знані нам малі інтерференційні РНК. Вони діють впродовж багатьох годин, даючи можливість заблокувати гени виживання. Як наслідок, ракова клітина залишається без спеціального захисту, і у цей момент з ядра вивільняється хімієтерапія, яка її ефективно та обережно руйнує. 
Маючи в арсеналі достатню кількість блокаторів гену, можна боротися з різними видами мутацій та видаляти пухлини, не лишаючи по собі й сліду.

Перевірка дослідженням

Метод наночастинок учені дослідили на прикладі раку молочної залози у тварин. Цей вид раку вважається особливо агресивним, оскільки здатний одразу відштовхувати ліки, зокрема доксорубіцин, який використовують на першому етапі лікування раку грудей. 
Спершу учені лікували звірів лише цим так званим «доксом». Унаслідок цього пухлини дещо сповільнилися у рості, однак все одно продовжували збільшуватися. Так впродовж лише двох тижнів їхні розміри збільшилися ледь не вдвічі.  Тож настав час перевірити нашу суперзброю,  а саме – наночастинку, яка поєднує міРНК, хімію та «докс». 
У процесі дослідження вчені виявили, що завдяки такій комбінації пухлина не просто перестала рости, а й зменшилася у розмірах, а в деяких випадках навіть зникла. Суперзброя спрацювала і пухлини почали регресувати.   
Дослідження на мишах. 1. Без лікування. 2. Лікування доксорубіцином. 3. Лікування наночатсинкою, що поєднує міРНК, хімію та «докс». Зображення з презентації Поли Хаммонд на TED
Такий спосіб лікування, переконана Хаммонд, можна персоналізувати. Наприклад, додавши багато різних шарів молекул РНК, можна протидіяти різноманітним захисним механізмам пухлин, а також поміщати у ядро ліки відповідно до потреб пацієнта. Під час обстеження лікарі розпізнаватимуть конкретні генетичні типи пухлин, що допоможе зрозуміти, коли варто використовувати «суперзброю» та які саме блокатори гену підходять найкраще. 

Усе ще зарано для клінік

Попри велику кількість досягнень у галузі нанотехнологій, більшість ідей і досі перебувають на стадії досліджень та розробок. Однак безліч університетів та медичних компаній у всьому світі продовжують роботу над тим, щоб генна інженерія знайшла своє застосування у клініках з реальними пацієнтами. 
Так, наприклад, дослідники з Тель-Авівського університету успішно застосували технологію редагування генетичного коду для лікування метастатичного раку у мишей. Суть полягала у тому, що наночастинки, потрапивши до пухлини, кодували фермент, який, немов ножиці, розрізав ДНК, що вийшли з ладу. Унаслідок цього клітини з пошкодженим геном не могли більше розповсюджуватися, тож така одноразова ін’єкція зменшувала зростання пухлин та збільшувала кількість випадків виживання мишей.
Подібні технології також відіграватимуть важливу роль у тому, наприклад, як вчасно виявляти пухлини, як точно спрямовувати наночастинки на ракові клітини та як покращувати променеву терапію. 
Хоча системи нанотехнологій, на кшталт дослідження Поли Хаммонд та її колег, є перспективними для терапії раку, на шляху до їхнього застосування лишається багато проблем. Тож вчені надалі працюють над оптимальною конструкцією наночастинок, їхнім фізико-хімічним складом та подальшими функціями для лікування хвороби. 
Утім, за усіма складними термінами, формулами та дослідженнями насправді стоїть не лише наука, але і реальний шанс змінити стан речей у галузі охорони здоров’я на краще. Дослідникам вкрай рідко вдається працювати з реальними пацієнтами, однак Хаммонд вважає, що всі зусилля, спрямовані на вивчення хвороби, дають велику надію майбутнім поколінням.
Так генна інженерія дала можливість Полі Хаммонд працювати на найменшому молекулярному рівні, аби у такий спосіб вона могла допомагати на рівні людських життів. 
Тож рано чи пізно перемога точно буде за нами.
Матеріал створено на основі виступу Поли Хаммонд на TED. Переглянути повне відео можна за посиланням:
Пола Хаммонд – вчена, дослідниця та завідувачка кафедри хімічної інженерії Інституту інтеграційних досліджень раку імені Коха в Массачусетському технологічному інституті. У 2010 році Гарвардський фонд визнав Хаммонд вченою року, а в 2015 році її призначено керівницею Департаменту хімічної інженерії Массачусетського технологічного інституту. Вона стала першою жінкою, що обіймала цю посаду. За результатами власних досліджень професорка опублікувала понад 320 статей та понад 20 заявок на патенти.
Використані джерела інформації:
Fighting cancer using nanotechnology. (n.d.). Retrieved December 06, 2020, from https://chemicalsinourlife.echa.europa.eu/fighting-cancer-using-nanotechnology
Nanotechnology Cancer Therapy and Treatment. (n.d.). Retrieved December 06, 2020, from https://www.cancer.gov/nano/cancer-nanotechnology/treatment
Nanotechnology in Cancer Treatment. (n.d.). Retrieved December 06, 2020, from https://www.understandingnano.com/cancer-treatment-nanotechnology.html
Paula T. Hammond. (n.d.). Retrieved December 07, 2020, from https://brm2019.hsci.harvard.edu/people/paula-t-hammond
Paula Hammond. (2020, June 01). Retrieved December 07, 2020, from https://www.sciencehistory.org/historical-profile/paula-hammond
Rosenblum, D., Gutkin, A., Kedmi, R., Ramishetti, S., Veiga, N., Jacobi, A., . . . Peer, D. (2020, November 01). CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy. Retrieved December 07, 2020, from https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc9450.full

Про автора

Владислава Савкова Авторка TEDxKyiv. Проходила стажування на Радіо Свобода та телеканалі «Настоящее время» у Празі. Здобула ступінь бакалавра політології в Карловому університеті. Нині студентка факультету міжнародних відносин Вищої школи економіки у Празі.

Схожі статті