Ученые модифицировали фермент L-аспарагиназу — известный препарат для лечения острого лимфобластного лейкоза, — «пришив» к ней специфические фрагменты, которые позволяют выборочно проникать лекарству в раковые клетки. Тем самым авторы на порядок повысили противоопухолевую эффективность препарата, а также его безопасность и переносимость. «Улучшенный» фермент сохранял терапевтическую активность в течение 20 дней, в то время как исходная L-аспарагиназа за это время полностью переставала работать. Методика может стать основой для разработки эффективной терапии распространенного онкологического заболевания. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
L-аспарагиназа — это фермент, расщепляющий аспарагин, — аминокислоту, которая служит «кирпичиками» для построения белков в организме человека. Аспарагин участвует в том числе в развитии раковых клеток, поэтому L-аспарагиназа считается ключевым препаратом для лечения острого лимфобластного лейкоза — злокачественного заболевания костного мозга и кровеносной системы. Это вещество лишает раковые клетки аминокислоты, поступающей из крови человека, тем самым приводя к их гибели. Такая терапия безопасна для здоровых клеток организма, так как они способны синтезировать аспарагин самостоятельно. Однако лечение существующими на фармацевтическом рынке препаратами на основе L-аспарагиназы недостаточно эффективно и приводит к появлению серьезных побочных эффектов, в первую очередь, со стороны иммунной системы. В отличие от аспарагина, человеческий организм не вырабатывает L-аспарагиназу, из-за чего чужеродный для человека белок в кровотоке вызывает иммунную реакцию (отек тканей, а в редких случаях анафилактический шок). Поэтому терапию часто приходится преждевременно прекращать.
При этом эффективность лечения зависит от активности фермента в организме пациента, то есть от того, насколько эффективно L-аспарагиназа расщепляет аспарагин. Активность этого препарата в крови традиционно оценивают с помощью спектрофотометрических методов (определяют поглощение света веществом на определенных длинах волн). Однако такие подходы часто дают неточные результаты из-за помех от компонентов крови или низкой чувствительности. Это усложняет анализ при разработке новых аспарагиназных препаратов и фармакокинетических исследований.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова разработали новый метод оценки активности фермента L-аспарагиназы в сложных биологических средах, таких как кровь и живые ткани. Для этого авторы использовали метод инфракрасной спектроскопии, который основан на взаимодействии вещества с инфракрасным светом, и флуориметрический анализ — метод определения концентрации вещества по тому, насколько оно интенсивно светится (флуоресцирует) при облучении светом в ультрафиолетовом или видимом диапазоне.
Для флуориметрического анализа используется L-аспарагиновая кислота с химически «пришитой» светящейся меткой. Фермент L-аспарагиназа вступает в реакцию с такой L-аспарагиновой кислотой и расщепляет ее, высвобождая флуоресцентный (светящийся) продукт. Яркость флуоресценции линейно зависит от активности фермента. В отличие от других методов, яркость свечения флуоресцентного продукта, как и поглощение света определенной частоты в инфракрасном диапазоне позволяет изучать активность фермента даже в сложных оптически непрозрачных биологических системах, в таких как кровь или образцы тканей (печени, почек, опухолей) без дополнительной пробоподготовки.
Оказалось, что метод обладает очень высокой чувствительностью: с его помощью авторам удалось обнаружить до 1% работающего фермента. Для сравнения, с помощью спектрофотометрии определить активность фермента в биологических образцах (в цельной крови) вовсе невозможно. Благодаря такой высокой точности исследователи успешно применили метод для изучения всасывания, распределения, усвоения и выведения лекарственного вещества из тканей организма.
Чтобы повысить действенность терапии острого лимфобластного лейкоза, ученые синтезировали и исследовали новые формы L-аспарагиназы. Фермент модифицировали полиаминами — полимерами, имеющими в составе азотсодержащие группы. В синтезе авторы использовали полиамины, которые встречаются во всех живых организмах и необходимы для роста и развития клеток. Ученые выбрали такие вещества для модификации не случайно. Дело в том, что раковые клетки, особенно при остром лимфобластном лейкозе, активно поглощают полиамины для поддержания быстрого роста и деления через специальные рецепторы. Таким образом фермент «маскируется», благодаря чему эффективнее проникает в раковые клетки.
В результате модифицированная L-аспарагиназа в разы эффективнее поглощалась опухолевыми клетками. Образец имел большую противоопухолевую активность для лейкозных клеток, по сравнению с немодифицированной молекулой, а также избирательность — фермент оказывал в 2–4 раза меньшее воздействие на здоровые, чем на раковые клетки.
Кроме того, модифицированный фермент будет дольше оставаться активным в организме по сравнению с обычной L-аспарагиназой. Он способен бороться с раковыми клетками в течение 20 дней, в то время как обычный фермент за это время полностью теряет свою активность. Это преимущество дает возможность увеличить интервалы между введением препарата до 7–14 дней (вместо 2–3 дней для существующих инъекций), что поможет снизить токсическое воздействие на организм больных.
«Мы нашли способ "заставить" аспарагиназу проникать внутрь раковых клеток с использованием специфических молекул, которые связываются с рецепторами на поверхности лейкозных клетках. Мы показали, что модификация L-аспарагиназы приводит к кратному повышению противораковой активности, и при этом она потенциально поможет повысить переносимость препарата организмом. Будущие исследования позволят найти лучшую форму препарата для наиболее эффективного поглощения раковыми клетками и их избирательного уничтожения. В дальнейшем мы планируем применить наш подход на различных типах клеток, в том числе на клетках пациентов с онкологическими заболеваниями. Это важный шаг для последующих исследований на людях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кудряшова, доктор химических наук, профессор химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
