Глава

4

Наночастицы борются с раком

В 1971 г. США объявили войну раку, запланировав на следующие восемь лет мероприятия стоимостью $100 млн. Сегодня, когда позади осталось более 45 лет и $100 млрд, мы можем объявить о своем успехе в диагностике и лечении некоторых видов рака, но до победы в войне нам все еще далеко. Ежегодно почти 600 000 американцев и более 8 млн людей по всему миру умирают от онкологических заболеваний.

Амбициозные цели войны с раком не без оснований опирались на ряд значительных открытий, связанных с биологическими процессами. К 1971 г. революция в молекулярной биологии дала ученым новое понимание этой болезни. Как мы уже видели, она позволила составить список биологических комплектующих – если говорить конкретно, то ДНК, РНК и белки вирусов, бактерий и клеток сложных организмов. Компоненты и механизмы всего живого теперь раскрылись с ошеломляющим, новым уровнем разрешения. И эти прозрения подготовили почву для новых подходов к медицинским технологиям, в том числе к вакцинам, лекарствам, диагностическим манипуляциям и т. д. Следующий шаг казался совершенно очевидным. Почему бы не использовать достижения молекулярной биологии, чтобы победить рак – одну из самых страшных болезней человечества?

Оглядываясь назад, можно сказать, что ложные надежды на то, что попытки стоимостью $ 100 млн в течение восьми лет могут изменить правила игры в борьбе против рака, были связаны с ограниченным пониманием сложности заболевания. Например, прорывное открытие в 1970 г. гена вируса саркомы Рауса (вируса, вызывающего опухоли у птиц), который может превратить нормальную клетку в раковую, дало возможность разобраться в вероятных механизмах возникновения рака. Когда вирус саркомы Рауса поражает цыпленка, в геном птичьих клеток встраивается ДНК-копия вирусных генов, один из которых становится онкогеном. Этот ведущий происхождение от вируса онкоген может разрушить нормальные процессы внутри клетки, превратив ее в раковую. Поток последовавших за открытием экспериментов показал, что помимо являющихся причиной рака генов, попадающих из внешних источников, таких как вирусы, онкологические заболевания могут возникать и из-за внутренних причин, в основном унаследованных генов, которые могут быть активированы мутациями. Эти клеточные “протоонкогены” обычно ведут себя тихо, но могут быть потревожены мутациями, вызванными одним из нескольких факторов: от разрушающих ДНК событий, таких как радиация или курение, до вирусных инфекций, которые внедряют чужеродную ДНК в ДНК клетки, или просто из-за ошибок, которые появляются в ДНК в процессе деления клеток.

При нормальном развитии клетки делятся и созревают в тщательно упорядоченных процессах. Нормальные клетки с потрясающей точностью контролируют свою численность, свои функции и свое местоположение. Они следуют программе, чтобы развиться до зрелого состояния – скажем, как клетка кожи, печени или легкого. Делая это, они контролируют скорость деления и свой путь к созреванию, в том числе обнаруживая и уничтожая клетки, в ДНК которых произошла мутация.

Одна из смертоносных особенностей рака состоит в том, что его клетки делятся бесконтрольно, в отличие от нормальных клеток, которые прекращают деление, обнаружив, что клеток легких или мозга уже достаточно. Также раковые клетки не следуют нормальным путем к зрелости. Они без всякого “уважения” относятся к обычным ограничениям своего местоположения: рак, начавшийся в одном месте, со временем отправит своих отпрысков в другие точки, распространив метастазы, породив новые опухоли и значительно затруднив лечение. И возможно, самое губительное – это то, что раковые клетки не стремятся убить клетки с поломками в ДНК, а, напротив, ускоряют мутации, производя новые варианты клеток, которые могут прорваться через защиту организма.

Открытие онкогенов дало возможность лечить рак, во-первых, развивая методы идентификации онкогенов, а во-вторых, разрабатывая лекарства, которые могут их нейтрализовать. Эти методы показали себя как мощная, почти чудодейственная стратегия, но только против некоторых видов рака. Например, “Иматиниб”, лекарство, одобренное Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA) в 2001 г. и продающееся под торговой маркой “Гливек”, нацеливается на белковые продукты ракового гена при хроническом миелоидном лейкозе (ХМЛ) – одном из видов рака крови. При этом заболевании генная мутация вырабатывает белок, который запускает аномальное деление клеток. “Гливек” блокирует действие этого белка и обеспечивает длительную ремиссию у многих пациентов. Препарат повысил уровень выживаемости пациентов в течение пяти лет после диагностирования у них ХМЛ от 30 до более 80 %.

Многие другие виды рака остаются неизлечимыми и смертоносными. ДНК злокачественных клеток постоянно мутирует, приводя к возникновению новых онкогенов и клеточных механизмов, которые используют практически неисчерпаемый набор методов развития болезни и сопротивляются лечению. Поскольку раковые клетки лишены механизма саморегуляции, который либо исправляет мутацию, либо убивает несущую ее клетку, при их делении мутации нарастают, производя варианты клетки-родителя, порой способные пережить те условия, в которых клетка-родитель погибает. Например, если противораковый препарат избирательно действует против определенного злокачественного белка и убивает первоначальную раковую клетку и всех ее генетически идентичных потомков, обладающий сопротивляемостью к лекарству вариант часто выживает и порождает новую популяцию устойчивых к препарату клеток.

Самая эффективная стратегия борьбы с раком – это, конечно, его предупреждение. И с 1971 г. мы добились на этом поприще значительных успехов отчасти благодаря тому, что определили причины онкологических заболеваний и сократили использование канцерогенов, в числе которых асбест, радиоактивные вещества и ряд химикатов. Но несмотря на то, чему мы научились, мы все еще подвергаем себя воздействию опасных веществ – выкуривая сигарету, незащищенную кожу – воздействию солнечных лучей, отказываемся от вакцинации от вирусных инфекций. Согласно некоторым оценкам, более трети случаев онкологических заболеваний сегодня можно предотвратить.

В некотором роде это хорошие новости. С помощью более эффективных антитабачных кампаний, лучшей защиты от солнца и новых антивирусных вакцин мы сможем значительно снизить уровень онкологических заболеваний. Но даже если никто в мире не будет курить, если все любители пляжного отдыха станут носить отражающие ультрафиолетовые лучи купальные костюмы и пользоваться средствами защиты, если всем детям сделают прививки от гепатита и вируса папилломы человека, рак все равно каждый год будет угрожать миллионам людей. Мы все еще не знаем причин многих онкологических заболеваний, поэтому одна только профилактика не сможет уничтожить угрозу, которую они несут.

Следующая наилучшая стратегия борьбы с раком – это его ранняя диагностика, за которой следует эффективное лечение. Здесь мы также добились впечатляющих успехов. В последние десятилетия были разработаны новые, мощные методы визуализации и исследования крови, которые могут выявить онкологические заболевания на более ранних стадиях. Например, используя маммографию и колоноскопию, сегодня врачи могут обнаружить рак груди или рак толстой кишки гораздо раньше, чем это происходило в 1971 г. И такие скрининги в сочетании с последующим хирургическим вмешательством, химиотерапией и лучевой терапией значительно повысили выживаемость пациентов. За последние 40 лет пятилетняя выживаемость пациентов с раком груди выросла с 75 до более чем 90 %, а у пациентов с раком прямой кишки – с менее 50 до более 65 %.

Эти технические достижения представляют собой значительные победы, одержанные полными решимости учеными, врачами-практиками и пациентами. Но большинство видов рака по-прежнему не удается обнаружить достаточно рано. Хотя различные онкологические заболевания ведут себя по-разному, современные методы визуализации при обследованиях обычно могут обнаружить скопления клеток, только когда они разрастаются до нескольких миллиметров или даже сантиметров в диаметре, и даже тогда изображения не могут дать информацию о том, является опухоль злокачественной или доброкачественной. Требуется подтверждение, и для этого применяются инвазивные методы биопсии и другие исследования. А все это стоит денег, время идет, и раковые клетки продолжают расти.

При исследованиях крови врачи сталкиваются с теми же трудностями. В крови ищут биологические следы, или “маркеры”, оставленные злокачественными клетками. Анализы хорошо выполняют свою работу, отлавливая признаки рака простаты или яичников, к примеру. Но, как и с методами визуализации, анализы крови могут обнаружить признаки болезни на достаточно поздней стадии ее развития, и не всегда возможно четко отграничить рак и сигналы других заболеваний. Постановка определенного диагноза опять же требует инвазивных процедур, больше денег, больше исследований и больше времени. А в борьбе с раком время – это то, чего нельзя упускать. Раннее обнаружение болезни может иметь решающее значение для жизни и смерти.

Методы визуализации и исследования крови, имеющиеся в нашем распоряжении сегодня, значительно более точны, чем 10 или 20 лет назад, но у них есть одни и те же ограничения: им не хватает чувствительности, чтобы определить раковую опухоль на самой ранней стадии, когда она представляет собой крошечное скопление клеток. Они недостаточно избирательны, чтобы выяснить, является ли найденное скопление злокачественным или доброкачественным, поэтому для подтверждения онкологического диагноза часто требуются инвазивные процедуры. Также эти методы дороги. Вместе все факторы серьезно ослабляют возможность бороться с раком наиболее эффективным образом, и в результате каждый год от него умирают миллионы людей.

Чтобы перевести войну с раком на новый уровень, нам нужны более точные, безопасные, быстрые и дешевые способы ранней диагностики заболевания. Благодаря недавнему открытию Сангиты Бхатии, биоинженера и врача по образованию, которая стала первооткрывателем в удивительном мире применения наночастиц в медицине, возможно, скоро у нас будут такие методы. Бхатия разработала методику исследования мочи, которое может обнаружить рак на значительно более ранней стадии, когда клеточные скопления в 20 раз меньше, чем те, которые могут обнаружить лучшие современные методы визуализации. Этот тест, как надеется исследовательница, вскоре станет таким же быстрым, надежным и дешевым, как тесты на беременность, лежащие на прилавках всех сегодняшних аптек.

Идея может выглядеть совершенно невероятной. Но она реальна.

■ ■ ■

Уже в студенческие времена Бхатия была восходящей звездой. В 1999 г., еще до того, как она получила степень PhD в МТИ и завершила программу подготовки доктора медицины в Гарварде, молодая исследовательница уже стала преподавателем Университета Калифорнии в Сан-Диего. А в 2005 г., услышав о потрясающих способах, с помощью которых она соединяет медицину и инженерное дело, мы сумели переманить ее обратно в МТИ. Исследовательница продолжила свою новаторскую работу, и в 2007 г., когда мы начали искать инженеров, которые могли бы работать с биологами-онкологами в новом Институте интегративных исследований рака имени Дэвида Кока, Бхатия, безусловно, была одним из первых кандидатов.

Чтобы лучше узнать о ее работе, я однажды зашла к ней в кабинет. Бхатия прямо-таки излучает спокойствие, которое сразу меня согрело. Но во время разговора я быстро поняла, что за скромной, мягкой манерой вести себя скрывается разум, работающий с молниеносной скоростью. Я была потрясена темпом, масштабом и интенсивностью ее работы, которая отважно соединяет биологию, медицину и инженерное мастерство гениальными, ранее неведомыми способами.

Сегодня, спустя более 10 лет, я по прежнему потрясена. Как Энджи Белчер и другие первооткрыватели, о которых я говорю в этой книге, Бхатия легко переходит из одной дисциплины в другую. В своей дипломной работе она использовала инструменты, применяющиеся при производстве компьютерных чипов, чтобы разрабатывать искусственные органы. В Университете Калифорнии в Сан-Диего исследовательница сделала себе имя как нанотехнолог, умеющий ловко решать биомедицинские проблемы. И сейчас в МТИ она работает в невообразимом диапазоне разных наук. Ее междисциплинарные интересы можно заметить по тому, что она занимается преподаванием на нескольких факультетах института, а также в Объединенном Бостонском медицинском центре “Бригам энд Уименс”.

Во время своей работы Бхатия работала над нанотехнологиями, и теперь, являясь директором Центра онкологической наномедицины “Марбл”, она разрабатывает новые платформы для понимания, диагностики и лечения болезней. Стремление исследовательницы не просто оставить след в науке, но спасать жизни пациентов привело к тому, что она и ее ученики основали несколько биотехнологических компаний, каждая из которых занимает место, по словам Бхатии, “на перекрестке медицины и миниатюризации”.

Для нее миниатюризация означает работу с веществом в чрезвычайно маленьком масштабе – на наноуровне. Частицы, с которыми она имеет дело, имеют размер от 5 до 500 нм. Чтобы понять, насколько они малы, только представьте себе: если вы работаете с 10-нанометровыми наночастицами, то для того, чтобы закрыть точку в конце этого предложения, их потребуется 100 000 штук.

Наночастицы – это просто очень маленькие кусочки вещества. Они могут иметь десятки различных форм (сферы, палочки, пирамиды, додекаэдры) и состоять из разнообразных химических веществ (кремний, железо, золото) или биологических материалов (белки, нити ДНК). Им придается конкретный размер и состав, чтобы они отвечали определенным нуждам. Например, оксид железа – вещество, подходящее для магнитно-резонансной томографии (МРТ), но высокая способность вступать в реакцию с водой и даже с имеющейся в воздухе влагой затрудняет его применение для биологических и медицинских процедур. Тем не менее наночастицы оксида железа стабилизируются так, чтобы они не вступали в реакцию с водой, покрыв их слоем сахаров, полимеров, липидов или металлов. Выбор материала для покрытия изменит функцию наночастицы таким образом, что ее можно будет использовать для определенной задачи.

Любопытно, что на наноуровне свойства вещества могут отличаться от его же свойств на макроуровне. Наночастицы золота, к примеру, не выглядят золотыми. Вместо этого они кажутся красными, потому что отражают красный свет. Римские ремесленники 2000 лет назад непреднамеренно создавали наночастицы золота в процессе производства стекла, что позволяло им делать очень дорогую, богато украшенную стеклянную посуду, имевшую специфический красноватый оттенок из-за наночастиц. Также мы знаем, что, даже если просто изменить размер наночастицы, это может привести и к изменению ее свойств. Селенид кадмия, например, в естественном виде формирует крупные черные кристаллы, но жидкие растворы наночастиц селенида кадмия разного размера сияют различными цветами, потому что свет по-разному взаимодействует с составляющими, отличающимися по величине: частицы размером два нанометра светятся голубым, четыре нанометра – желтым, семь нанометров – красным.

Изучая такие свойства, ученые и инженеры учатся с удивительной точностью контролировать размер, состав и схему построения наночастиц. Также они начинают понимать, что наночастицы можно использовать для самых разных, абсолютно повседневных целей. Сегодня мы добавляем наночастицы серебра в зубную пасту, потому что они убивают бактерии. Мы кладем наночастицы оксида титана и цинка в солнцезащитные средства, потому что они обеспечивают хорошую защиту от солнечных лучей. В автомобильных шинах есть наночастицы вещества под названием “технический углерод”, потому что они повышают сцепление шины с дорогой и увеличивают продолжительность службы покрышки.

В последние десятилетия медики осознали, что они также могут использовать наночастицы. Для Сангиты Бхатии и других исследователей особенный интерес представляет последнее поколение наночастиц, которые можно собирать и обрабатывать бесчисленным множеством способов, чтобы превратить в новое поколение биомедицинских инструментов. Именно эти наночастицы в конце концов позволили Бхатии разработать ее прорывной метод диагностики рака. Это чудесная история о том, как основанное на взаимопроникновении наук исследование может привести к новой, мощной технологии.

Эта глава истории Бхатии началась в 2000 г., когда она с коллегами исследовала способы, с помощью которых наночастицы могли бы проводить контрастные препараты через кровоток в определенные ткани организма, – таким образом врачи и исследователи получили бы более четкое изображение пораженной болезнью ткани. В то же время ученые пытались понять, как можно использовать наночастицы для доставки лекарств, чтобы устранить болезнь в определенной ткани. Если, к примеру, вы подозреваете заболевание печени, можно ввести в нее специальные диагностические наночастицы, которые помогут выяснить, находится ли заболевание в активной стадии; если появляются признаки заболевания печени, то вы можете использовать другие наночастицы, чтобы доставить лекарство как раз туда, где оно нужно больше всего. Идеальная наночастица, несущая либо контрастное вещество, либо лекарство, избирательно присоединяется к своей цели, проходя через все остальные виды тканей.

Такая сложная работа на перекрестке наук требовала большого разнообразного опыта, и Бхатия более 15 лет сотрудничала с двумя коллегами в Университете Калифорнии в Сан-Диего – Майклом Сэйлором и Эркки Руослати. Сэйлор, химик и специалист по материаловедению, сосредоточил свои усилия на том, чтобы определить, как создавать наночастицы из новых материалов, таких как пористый кремний (одно из основных веществ, используемых при производстве полупроводников) и оксид железа – вещество, видимое на сканере МРТ. Руослати, который теперь работает в Институте Стэнфорд – Бернхам и Университете Калифорнии в Санта-Барбаре, долгое время изучал семейство составляющих наружный слой клетки адгезивных белков, позволяющих определенным видам клеток собираться вместе и составлять многоклеточные организации.

Вместе трое ученых начали исследовать, как они могут соединить наночастицы Сэйлора с последовательностями липких адгезивных белков Руослати так, чтобы они присоединялись к определенным местам тканей – например, к кровеносным сосудам опухоли. Тогда белковые последовательности служили бы “почтовым индексом”, который проводил бы наночастицы через кровоток до желаемого “адреса” в нужной ткани. Оказавшись на месте, адгезивные белки присоединились бы к ткани вместе с прикрепленными к ним наночастицами. Если эти частицы могут быть обнаружены с помощью МРТ, то ткань также становится видимой для сканера.

Идея была заманчивой. Бхатия знала, что наночастицы оксида железа особенно хорошо видны при МРТ, поэтому она и ее коллеги попытались соединить белковые “индексы” Руослати с наночастицами оксида железа Сэйлора, но столкнулись с проблемой. Поскольку наночастицы очень малы, для того, чтобы стать видимыми на сканере МРТ, ученые должны были создавать их скопления с определенной критической плотностью, но эти кластеры, как оказалось, слишком велики, чтобы пройти через кровоток в маленьких капиллярах, которые могут доставить их в определенные ткани.

Бхатия поняла, что требуется другая стратегия. Она должна была придумать, как доставить наночастицы в нужном количестве и с необходимой плотностью для того, чтобы они были видимы при МРТ, но не создавать больших скоплений, способных закупорить капилляры, по которым должны пройти наночастицы. Проблема была сложной, но исследовательница в конце концов нашла решение: что, если она сможет создать наночастицы, которые будут группироваться по требованию, уже в самой ткани? То есть что, если она сможет сделать наночастицы, которые станут по отдельности проходить по кровотоку, а затем группироваться в кластеры тогда, и только тогда, когда доберутся до нужной ткани? Вместо того чтобы придавать наночастице белковый “индекс”, который доставит ее по “адресу” определенной ткани, Бхатия представила себе новый вид “меток”, которые будут использовать биологические свойства целевой ткани, чтобы заставить наночастицы группироваться только в ней.

Бхатия и ее команда приступили к работе. Во-первых, они сделали два набора наночастиц, при этом каждый набор имел одного члена из пары белков, которые обычно связываются друг с другом с большой авидностью. Когда два набора помеченных белками наночастиц контактировали друг с другом, они связывались и образовывали большие скопления. Чтобы не дать наночастицам связаться и образовать кластер во время движения по кровотоку, команда Бхатии придумала “щит”, чтобы спрятать связывающие белки друг от друга. Для этого щита они использовали инертное вещество (полиэтиленгликоль, ПЭГ) и привязали его к наночастице, применив короткий сегмент белка.

Щиты ПЭГ позволили наночастицам, связывающие белки которых теперь были спрятаны, проходить через кровоток, не соединяясь друг с другом и не перекрывая кровеносные сосуды. (Щиты ПЭГ давали и дополнительное преимущество, изолируя наночастицы от защитных механизмов организма, с которыми встречается все, что движется по кровотоку. Защитные механизмы обнаруживают и удаляют из организма чужеродные вещества, а щит ПЭГ скрывал наночастицы и от них.)

Теперь команда была готова послать наночастицы через кровеносную систему – в том числе и через самые мелкие ее капилляры – на поиски целевой ткани. Ученые провели ряд тестов, и их новая стратегия работала именно так, как они и надеялись: по пути наночастицы не формировали скоплений. Вместо этого они легко проходили через кровоток, а защитные механизмы организма не обнаруживали и не удаляли их.

Следующей трудностью было собрать частицы, когда они доберутся до целевой ткани. Со щитами наночастицы не будут группироваться в кластеры, поэтому Бхатии и ее команде предстояло понять, как убрать эти щиты, но только в нужном месте. При решении задачи Бхатии пришла прорывная идея: что, если она сможет присоединить задание по удалению щита к какой-либо характерной для ткани деятельности? Воплощая эту мысль в жизнь, исследовательница разработала гениальную стратегию: она присоединит щиты к наночастицам белком, который целевая ткань разрушит, используя свои собственные, характерные для нее ферменты.

Ферменты – это белки, которые с высокой избирательностью катализируют (ускоряют) те или иные биологические процессы. Некоторые из них приспособлены к расщеплению других молекул. Они встречаются в тысячах разновидностей, каждый можно обнаружить в определенном месте, и он имеет свои собственные цели. Такие ферменты работают как ножницы для молекул – каждый из них “обрезает” особую молекулу, которую называют субстратом фермента. Для многих ферментов субстратами являются белки, и они расщепляют в целевом белке особую последовательность аминокислот. С помощью этого разрезания белка на месте определенной аминокислоты ферменты выполняют чрезвычайно важные функции: они могут превратить неактивные формы белков в активные фрагменты или активные белки в неактивные фрагменты. Среди значимых свойств ферментов есть и такая особенность: когда фермент разрезает свой субстрат, он сам не становится неактивным. Одна-единственная молекула фермента может действовать снова и снова, расщепляя большое количество определенных молекул субстрата всегда в конкретном месте. Также он может делать свою работу очень быстро. Некоторые ферменты способны “разрезать” 1000 или даже 10 000 молекул субстрата за секунду.

Избирательность и скорость действия фермента делают возможными некоторые чрезвычайно селективные и эффективные биологические процессы, такие как свертывание крови, переваривание пищи и движение клеток при распространении метастазов. Бхатия разработала способ использовать действие ферментов для группировки своих наночастиц. Она начала с определения ферментов, специфичных для тех или иных тканей, и сконструировала белковый фрагмент, содержащий последовательность аминокислот, которую распознает определенный фермент. Затем исследовательница использовала этот конкретный фрагмент белка, чтобы связать щит ПЭГ с наночастицей, полагая, что, когда наночастицы доберутся до ткани, ее ферменты узнают связанные белки и отрежут их. Рассечение освободит щит и обнажит связующие белки, которые были им укрыты. Раскрытые связующие белки найдут друг друга и соединят наночастицы.

Ферменты расщепляют белки в определенных местах. (А) Фермент соединяется с целевым белком (субстратом). (В) Активный центр фермента расщепляет белок в целевом участке (темные бусины). (С) После этого разделенные фрагменты высвобождаются

Вызванное ферментами связывание наночастиц. (А) В двух различных наночастицах есть места для соединения друг с другом. Эти места закрыты щитами, чтобы предотвратить связь между частицами. У каждого щита есть место расщепления для фермента (шестиугольник). (В) Места соединения освобождаются, когда фермент “делает разрез” в целевом фрагменте белка (две половинки шестиугольника). После того как фермент сделает разрез, щиты отваливаются, чтобы обнажить места соединения, что позволяет наночастицам соединиться друг с другом и образовать кластеры

Соединив эти сложные наночастицы, Бхатия и ее команда могли сосредоточиться на компонентах. Для этой цели они прикрепили маркеры, чтобы удостовериться: частицы, соединяющие белки и щиты со своими связками, прикрепляются правильно. Ученые использовали флуоресцентную метку, которая следовала бы за белком, присоединяющим наночастицу к щиту ПЭГ.

Слишком сложно! Или, как говорил мой научный руководитель, когда я предлагала ему диковинные многоуровневые стратегии научных исследований: “Экспериментальная акробатика обречена на провал”. Но в руках Бхатии акробатика работала прекрасно. В 2006 г. исследовательница со своей командой сообщили об успешной группировке наночастиц в клеточной культуре посредством ферментов, а в 2009 г. продемонстрировали тканеспецифичную доставку и визуализацию наночастиц в селезенке и костном мозге.

Это была великолепная работа. Придумав гениальную комбинацию связывающих белков и удаляемый ПЭГ щит, который Бхатия называла “синтетическим биомаркером”, ученые нашли успешный и практически осуществимый метод, чтобы заставить наночастицы сгруппироваться в целевой ткани. Это означало, что теперь они могут воспользоваться МРТ, чтобы заглянуть внутрь этой ткани. Если сканер найдет в ней патологический процесс, исследователи смогут переработать ту же стратегию работы с наночастицами, чтобы отправить конкретное лекарство непосредственно в саму ткань, где наночастицы сгруппируются, чтобы лекарство в высокой концентрации воздействовало в определенном месте, скоординированно и прицельно.

Метод Бхатии во всех отношениях применим для диагностики и лечения заболеваний различных органов тела – например, для обнаружения опухоли или отслеживания повреждения печени из-за прогрессирующего заболевания. Но Бхатия быстро обнаружила еще одно, менее очевидное его применение, которое первоначально не было в центре внимания. Благодаря своей способности делать неожиданные открытия исследовательница обнаружила, что ее новая технология наночастиц может обеспечить более быстрый и чувствительный метод диагностики рака и других заболеваний.

■ ■ ■

Врачи, которые обнаруживают единичную опухоль раковых клеток в одном месте, часто прибегают к хирургическому вмешательству или узконаправленной лучевой терапии, чтобы удалить опухоль или уничтожить ее. Но, когда злокачественное новообразование дает метастазы, работа осложняется, потому что многочисленные раковые клетки распространяются во множество мест, где их трудно найти и ликвидировать.

Метастазирование – одно из самых смертоносных свойств онкологических заболеваний. Чтобы распространиться на другие органы, раковым клеткам на своем пути нужно преодолеть естественный тканевый и молекулярный барьеры. Органы – это изолированные структуры с клетками, организованными с высокоточной архитектурой. Вторгаясь в нее, раковые клетки должны преодолеть молекулярные структуры органа, которые удерживают нормальные клетки в определенных местах. Чтобы расчистить в ткани место для вторжения, раковые клетки вводят в действие специальные ферменты, которые пробиваются через белки и другие молекулы.

Бхатия и ее команда поняли, что они, возможно, сумеют приспособить свой новый метод визуализации тканей так, чтобы “осветить” не только нормальные органы, для отслеживания их реакции на болезнь, но также и следить за болезнетворными клетками, в том числе и за развивающимся раком. Если щиты, которые они использовали для того, чтобы предотвратить группирование наночастиц во время пути по кровотоку, снабдить фрагментами белка, который обычно “разрезают” раковые ферменты, не будет ли это означать, что связки могут быть отрезаны тогда, и только тогда, когда встретятся с раковыми клетками? Если это так, то ранее защищенные щитами белки выделятся и смогут связаться, заставив сгруппироваться прикрепленные к ним наночастицы на месте опухоли. Это, в свою очередь, возможно, сделает рак видимым на МРТ гораздо раньше, чем с помощью уже известных методов.

Чтобы проверить эту теорию, Бхатия и ее команда провели опыты и добились успеха: они смогли увидеть экспериментальные опухоли на МРТ. Это был настоящий триумф. И тогда с помощью небольшой удачи и великолепного научного прозрения они сделали открытие, которое повело их работу по совершенно иному, возможно потенциально более важному, пути.

Открытие произошло, когда они оценивали результаты своих экспериментов и заметили одну вызывающую недоумение деталь. Вдобавок к тому, что они, как и надеялись, увидели особый МРТ-сигнал на местах опухолей у лабораторных мышей, исследователи также обнаружили неожиданный флуоресцентный сигнал в мочевом пузыре мышей.

Проще всего было посчитать этот сигнал побочным продуктом эксперимента, который ничего не значит. В мочевом пузыре, в конце концов, накапливается моча, а моча – это поток отходов, которые естественным образом могут содержать элементы белковых щитов и связок, отфильтрованные почками в ходе их обычной деятельности. Но могли быть другие объяснения, и неожиданная находка поставила в тупик учеников Бхатии, испугавшихся, что необычный сигнал в мочевом пузыре указывает на то, что эксперимент провалился. Но, когда результаты принесли Бхатии, она увидела, что происходит кое-что необычное и интересное. “Моя медицинская подготовка подводила к тому, что нет никакого способа, которым наши полностью собранные наночастицы могли попасть в мочу, – сказала Бхатия. – Они просто слишком велики для того, чтобы пройти через фильтр в почках”.

Исследовательница поняла, что должна разобраться с тем, что происходит, и после некоторого мудреного биологического расследования вычислила, в чем дело. Флуоресцентные метки, дающие сигнал в мочевом пузыре, не были связаны с неповрежденными наночастицами. Они состояли из прошедших через почки маленьких кусочков белковых связок, которые скрепляли щит ПЭГ с наночастицами. Команда Бхатии пометила связки, чтобы проследить за всеми сложными этапами эксперимента: вначале, чтобы удостовериться, что связки и щиты прикреплены к наночастицам, а потом – чтобы проследить за их путем по кровотоку к опухоли. Но ученые не сознавали, что, когда раковые ферменты расщепляют белковую связку, удерживающую щит ПЭГ, получившиеся в результате фрагменты достаточно малы, чтобы пройти через фильтр почек в мочу, где они, все еще флюоресцируя, собираются в достаточной концентрации, чтобы стать видимыми.

Как только Бхатия поняла, что происходит, она осознала, что команда ученых открыла биологический механизм, который потенциально может обеспечить простой и надежный способ очень ранней диагностики рака. Если дело действительно обстоит так, это будет революционным клиническим прорывом.

За годы после открытия Бхатия модернизировала свой диагностический тест, и теперь он работает, как те тесты на беременность, что лежат на аптечной кассе. Это неинвазивный и недорогой анализ с очень высокой чувствительностью, которая действительно производит впечатление. Напомню, что сегодняшние методы визуализации и анализы крови могут обнаружить опухоль только в том случае, если она имеет размер не меньше 1 см. Бхатия считает: ее метод может обнаруживать опухоли размером менее 5 мм. Поскольку для некоторых видов опухолей могут потребоваться годы, чтобы вырасти от 5 мм до 1 см, обнаружение и лечение таких маленьких новообразований даст врачам отличную фору в борьбе со злокачественными заболеваниями.

Диагностические наночастицы. (А) Наночастица, украшенная белками, которые содержат места расщепления специфического для заболевания фермента (шестиугольник). (В) Когда болезнь и ее фермент присутствуют в ткани, фермент расщепляет белок и высвобождает его отдаленные от центра фрагменты, которые проходят по кровотоку и фильтруются через почки в мочу. Именно эти маленькие фрагменты в ней и обнаруживаются

Чтобы ускорить клинические исследования этой новой значительной технологии, Бхатия основала компанию под названием Glympse Bio. Разработка готового к выходу на рынок теста мочи ожидается в 2020 г. Бхатия и ее коллеги планируют развить ряд новых диагностических технологий, способствующих раннему обнаружению не только рака, но и многих других видов заболеваний. “Мы тратили так много времени и средств, чтобы не дать нашим пациентам умереть на поздних стадиях болезни, – сказала мне исследовательница, – но многие заболевания мы могли бы вылечить, если бы обнаружили их раньше, пока они еще не стали неизлечимыми”.

Как становится ясно из работы Бхатии, нанотехнологии обещают революцию в медицине, значительно улучшив диагностику и терапию заболеваний, а также снизив их стоимость. В своих поисках исследовательница не одинока – у нее есть множество преданных делу коллег. Например, ученые исследуют наночастицы, которые будут медленно доставлять помещенное в них лекарство, обеспечив длительное лечение после одного укола против рака или других болезней, или наночастицы, несущие набор контрастных веществ, повышающих мощность аппарата для ультразвукового исследования или МРТ. В ближайшие десятилетия все ускоряющееся слияние наноинженерии и биологии даст нам новые технологии, которые сегодня мы даже не можем себе представить, нанотехнологии, полностью изменяющие то, как мы осуществляем лечение и профилактику заболеваний и боремся с болезнями. Бхатия нисколько не сомневается в этом. “Будущее, – говорит она, – начинается с малого”.