ДНК-аптамеры — короткие последовательности нуклеотидов — помогли ученым со стопроцентной точностью выявлять глиому — один из наиболее опасных типов опухолей головного мозга. Созданные авторами молекулы способны находить злокачественные клетки нервной ткани, после чего благодаря метке светящегося красителя опухоль можно легко обнаружить с помощью микроскопа во время операции. Такой подход поможет удалять новообразования с высокой точностью, не задевая функциональные зоны мозга. Эксперименты показали, что аптамеры абсолютно безопасны для животных, а потому потенциально могут использоваться для точной диагностики и адресной терапии опухолей головного мозга и у человека.
Схема отбора ДНК-аптамеров из множества нуклеотидных последовательностей / ©Анна Кичкайло
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), а также Минздравом и Минобрнауки. Результаты работы опубликованы в журнале Molecular Therapy — Nucleic Acid. В головном мозге кроме нервных клеток, передающих электрические импульсы, есть вспомогательные глиальные клетки, которые питают нейроны и создают благоприятную для их работы среду. Если эти клетки выходят из-под контроля организма и начинают бесконтрольно делиться, возникает глиальная опухоль, или глиома, — наиболее распространенный и агрессивный тип рака головного мозга. На сегодняшний день глиомы выявляют методами компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако при такой диагностике остается высоким риск не заметить на снимках небольшие новообразования, поэтому ученые разрабатывают новые подходы для точной диагностики глиомы.
Исследователи из Красноярского государственного медицинского университета (Красноярск), Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (Красноярск), Больницы скорой медицинской помощи и онкологического центра (Красноярск) много лет разрабатывали аптамеры — короткие последовательности ДНК, — которые можно использовать для выявления глиальных опухолей. Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) помогли коллегам разработать модель человеческой опухоли мозга для тестирования препаратов на мышах. Авторы провели отбор коротких ДНК в пробирке таким образом, чтобы молекулы связывались именно с человеческой глиальной опухолью. В результате исследователи получили более двадцати тысяч ДНК длиной в 100 нуклеотидов — своего рода «букв», из которых состоят эти молекулы. Затем с помощью машинного обучения ученые выбрали и методами молекулярного моделирования улучшили те ДНК, которые по своим последовательностям представлялись лучшими кандидатами.
Оптимизированные молекулы экспериментально проверили на способность связываться с клетками целевых новообразований. В результате ученые выявили два варианта последовательностей, строго специфичных к глиальным опухолям. Эти аптамеры, обозначенные как Gli-233 и Gli-55, связывались только с глиомой, позволяя отличить ее от здоровых участков мозга и других типов опухолей.
Молекулярными методами авторы определили: аптамеры специфически связываются только с глиомой, потому что они распознают особый трансформированный участок белка тубулина, характерный только для этого типа опухоли. Тубулин формирует внутренний «каркас» всех клеток нашего организма, тем самым придавая им определенную форму. Однако в клетках глиомы в белке происходят определенные изменения, которые и распознают аптамеры.
Чтобы доказать, что с помощью аптамеров можно выявлять глиому не только в культурах клеток и образцах ткани, взятых во время операции, но и внутри живого организма, ученые использовали лабораторных мышей, в мозге которых развивалась глиальная опухоль человека. Животным ввели препарат, содержащий молекулы Gli-233 с присоединенными к ним флуоресцентными, то есть светящимися, метками. Они позволили увидеть опухоль под операционным микроскопом. Оказалось, что аптамер со стопроцентной точностью связался с клетками опухоли и при этом не был токсичен для животных.
«Синтез аптамеров — довольно простая и дешевая технология. Однажды проведя отбор ДНК для интересующей нас мишени, мы можем сколько угодно копировать эту молекулу и присоединять к ней разные метки. Полученные в этом исследовании аптамеры связываются исключительно с клетками глиомы, позволяя распознать их абсолютно точно. Благодаря этому аптамеры помогут упростить и ускорить диагностику опухоли. Более того, короткие ДНК быстро распадаются в организме: их “съедают” специальные ферменты, поэтому с большой вероятностью предлагаемые нами молекулы безопасны не только для мышей, но и для человека», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Кичкайло, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующая лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» и лаборатории Биомолекулярных и медицинских технологий КрасГМУ имени В.Ф. Войно-Ясенецкого.
В исследовании принимали участие ученые из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (Красноярск), Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого (Красноярск), Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), Сибирского федерального университета (Красноярск), Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва), Томского государственного университета (Томск), Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН (Москва), Федерального Сибирского научно-клинического центра Федерального медико-биологического агентства (Красноярск) и их коллеги из Южной Кореи, Финляндии и Канады.
