В ИТМО разработали технологию, которая сделает таргетную терапию онкологических заболеваний более точной, эффективной и безопасной для человека. Ученые ИТМО создали ДНК-конструкции на основе антисмысловых олигонуклеотидов, которые различают концентрацию онкомаркеров в клетках. Благодаря этому ДНК-конструкции активируются только в онкологических клетках с высоким количеством онкомаркеров и затем расщепляют РНК генов, ответственных за жизнеспособность клетки. Здоровые клетки, даже если в них есть несколько копий онкомаркеров, остаются нетронутыми. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Communications.
Чтобы лечить онкологические заболевания, ученые разрабатывают различные противоопухолевые агенты, например, антисмысловые олигонуклеотиды. Это короткие цепочки ДНК, которые связывают матричную РНК (мРНК) и разрушают её с помощью белка РНКазы Н. Ученые ИТМО объединили это соединение и создали бинарный антисмысловой олигонуклеотид. Он состоит из двух цепочек олигонуклеотида (короткого фрагмента ДНК, синтезированного химически). Одна часть каждой цепочки находит молекулу РНК онкомаркера, а другая — связывается с матричной РНК гена домашнего хозяйства, который поддерживает жизнедеятельность онкоклеток, и расщепляет её. Эта технология убивает только онкоклетки и оставляет нетронутыми здоровые клетки, если в них нет онкомаркеров.
Но даже здоровые клетки могут содержать несколько онкомаркеров в низкой концентрации. Например, miR17-5p считается онкомаркером, так как участвует в развитии рака легких, молочной железы, шейки матки, поджелудочной железы и колоректального рака, но только если сверхэкспрессируется — существует в огромном количестве копий в клетке. В низких концентрациях онкомаркер miR17-5p регулирует различные биологические процессы. Но бинарный антисмысловой олигонуклеотид всё равно может использовать его в качестве активатора для запуска клеточной гибели и расщепить жизненно важные гены домашнего хозяйства как в раковых, так и в здоровых клетках.
Другой недостаток традиционных противоопухолевых агентов — выбор цели. Они расщепляют сверхэкспрессированные онкогены, ответственные за развитие заболевания, а не жизненно важные гены домашнего хозяйства. В итоге раковые клетки перестают делиться, но остаются жить в организме. Такое лечение не считается эффективным.
Чтобы повысить избирательность антисмысловых олигонуклеотидов и научить их расщеплять целевую мРНК нужных генов именно в онкологических клетках, ученые лаборатории «Нанотехнологии нуклеиновых кислот» ИТМО первыми в мире разработали ДНК-конструкцию на основе бинарного антисмыслового олигонуклеотида с пороговой функцией. Такая конструкция точно определяет концентрацию онкомаркеров и расщепляет целевую матричную РНК гена только тогда, когда концентрация превышена. Эта разработка позволит сделать противоопухолевую терапию более точной и безопасной, так как здоровые клетки останутся нетронутыми.
«В основу нынешней разработки легло другое наше изобретение — бинарный антисмысловой олигонуклеотид. Две его цепочки реконструировали в два варианта ДНК-конструкции с пороговой функцией. Первому варианту нужно, чтобы в раковой клетке с ним связались две молекулы онкомаркера, а второму — три молекулы. Выбирая вариант, мы можем регулировать, при каком количестве запустить противоопухолевую терапию, где требуется высокий или низкий порог концентрации онкомаркеров, чтобы отличить раковые клетки от здоровых. Теперь антисмысловой олигонуклеотид более точно и избирательно реагирует именно на раковые клетки. Ранее терапия вызывала гибель всех раковых и здоровых клеток, где была хотя бы одна молекула онкомаркера. Наша методика гарантирует более безопасную терапию», — пояснила Валерия Дрозд, один из авторов статьи, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.
Исследования также показали, что ДНК-конструкция с пороговой функцией может отличать близкородственные онкомаркеры.
«Например, существуют две похожие микроРНК: miR-17a-5p и miR-20. Первая при сверхэкспрессии в онкогенезе может вызвать рак печени, желудка или колоректальный рак, а вторая играет роль в регуляции пролиферации, дифференцировки и апоптоза клеток. Однако её также можно рассмотреть в качестве онкомаркера. Но отличаются эти онкомаркеры всего двумя нуклеотидами. Если ДНК-конструкция по ошибке выберет в качестве активатора не то соединение, произойдет запуск терапии в нормальной клетке, что отрицательно скажется на организме. Мы научили наши соединения различать похожие последовательности и использовать в качестве активатора только те, которые нам нужны», — рассказал Ахмед Мустафа, первый автор статьи, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.
С помощью разработки ученых ИТМО можно сделать таргетную терапию не только более безопасной и точной, но и персонализированной. Все виды рака имеют свои онкомаркеры и жизненно важные гены домашнего хозяйства. Поэтому специалистам важно исследовать клетки конкретного пациента и подобрать для него специальную ДНК-конструкцию, которая будет специфично и эффективно бороться с его онкологическим заболеванием.
«Мы испытали нашу ДНК-конструкцию в лабораторных условиях in vitro и далее планируем проверить её в клеточных культурах. Для этого мы разработаем химическую модификацию для ДНК-конструкции, чтобы защитить её от нуклеаз — ферментов, расщепляющих чужеродные нуклеиновые кислоты внутри клеток. В перспективе наша разработка станет частью ДНК-наноробота, который будет сочетать функции доставки, сенсоринга, анализа данных и терапии. Соединение будет избирательно реагировать на РНК, связанную с раком, и активировать апоптоз (регулируемый процесс гибели опухолевых клеток)», — подчеркивает Ахмед Эльдиб, один из авторов исследования, руководитель лаборатории «Нанотехнологии нуклеиновых кислот».
Исследование поддержано программой развития ИТМО «Приоритет 2030».
