Preview

Креативная хирургия и онкология

Расширенный поиск

Наночастицы: новый подход в диагностике и терапии глиальных опухолей головного мозга

https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-66-74

Полный текст:

Аннотация

Глиальные опухоли, в частности анапластические астроцитомы и мультиформная глиобластома (GBM), представляют собой агрессивные опухоли головного мозга, характеризующиеся плохим прогнозом и высокой частотой рецидивов. Современные стратегии лечения основаны на открытой хирургии, химиотерапии и лучевой терапии. Тем не менее ни один из этих методов лечения, отдельно или в комбинации, не считается эффективным в борьбе с данным заболеванием, в результате чего средняя продолжительность жизни после поставленного диагноза составляет менее 15 месяцев. Эффективность терапии в основном снижается из-за гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), где проникновение лекарств в опухолевую массу затруднено. С развитием нанотехнологий эффективность используемых препаратов растет и доступ к глиальным опухолям головного мозга расширяется. Наночастицы являются предпочтительными в качестве переносчика лекарственных агентов и красителей благодаря их размеру, возможности модификации поверхности и универсальности для интеграции нескольких функциональных компонентов в одну систему. Таким образом, наночастицы могут быть ориентированы на терапевтическое и диагностическое применение при глиальных опухолях. Этот двойной подход помогает понять местоположение опухолевой ткани, биораспределение наночастиц, прогресс и эффективность лечения. Для усовершенствования подходов в терапии и диагностике можно применять различные стратегии для модификации поверхности наночастиц, включая поверхностные маркеры или так называемые лиганды, и использовать характеристики микроокружения опухоли с определенными мишенями, реагирующими на определенные стимулы. В данной работе мы рассматриваем различные стратегии совершенствования терапии и диагностики глиальных опухолей, описываются некоторые поверхностные маркеры, а также возможности внедрения наночастиц в повседневную клиническую практику.

Для цитирования:


Гареев И.Ф., Бейлерли О.А., Павлов В.Н., Zhao S., Chen X., Zheng Z., Shen C., Sun J. Наночастицы: новый подход в диагностике и терапии глиальных опухолей головного мозга. Креативная хирургия и онкология. 2019;9(1):66-74. https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-66-74

For citation:


Gareev I.F., Beylerli O.A., Pavlov V.N., Zhao S., Chen X., Zheng Z., Shen C., Sun J. Nanoparticles: a New Approach to the Diagnosis and Treatment of Cerebral Glial Tumours. Creative surgery and oncology. 2019;9(1):66-74. (In Russ.) https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-66-74

Введение

Глиомы являются наиболее распространенными (~80 %) первичными опухолями центральной нервной системы (ЦНС) человека [1]. Согласно классификации Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) об опухолях ЦНС, глиомы были классифицированы по четырем основным гистологическим группам (I-IV классы) в соответствии с их микроскопическими характеристиками (такими как цитологическая атипия, анаплазия, митотическая активность, микрососудистая пролиферация и некроз) и клиническими проявлениями. Эти опухоли были так­же разделены на астроцитомы (ВОЗ Grade I-IV степени), олигодендроглиомы (ВОЗ Grade II-III) и смешанные олигоастроцитомы (ВОЗ Grade II-III) [2]. Особенности глиальных опухолей, особенно анапластические астро- цитомы (ВОЗ Grade III) и мультиформная глиобластома (ВОЗ Grade IV), имеют инвазивный характер роста в раз­личных участках ЦНС и частые рецидивы, вызывая от­четливые неврологические симптомы с крайне плохим прогнозом.

На сегодняшний день методами терапии глиальных опу­холей являются хирургия, лучевая терапия и химиотера­пия. На первоначальном этапе часто проводят устране­ние повышенного внутричерепного давления вследствие компрессии опухолью ликворных путей. Эта процедура, как правило, безопасна, отчасти благодаря использова­нию высокотехнологичных инструментов визуализа­ции, таких как интраоперационная магнитно-резонанс­ная томография (МРТ) [3]. Однако при хирургическом вмешательстве всегда есть вероятность повреждения функционально значимых структур ЦНС. Кроме того, способность миграции опухолевых клеток от видимых границ опухоли в сочетании с отсутствием методов ви­зуализации высокого разрешения, способных обнару­живать микроскопические клетки опухоли, приводит к снижению степени резекции и неизбежному рецидиву опухоли [4]. Следовательно, послеоперационная пал­лиативная лучевая терапия направлена на оставшиеся опухо левые клетки. При обычном облучении компью­терную томографию (КТ) и МРТ обычно используют для направления пучка излучения к ложу опухоли [5]. Несмотря на эти технологии трехмерного изображения высокого разрешения, радиационный некроз и рецидив опухоли были зарегистрированы в нескольких клини­ческих исследованиях [6, 7]. Что касается химиотера­пии, то химиопрепараты обладают рядом преимуществ перед хирургией и лучевой терапией, а именно простоту введения, малоинвазивность и независимую от возрас­та эффективность действия. Несмотря на эти преиму­щества, эффективность многих химиотерапевтических препаратов в их нативной форме ограничена их неспеци­фической токсичностью и плохой фармакокинетикой. Например, наблюдалось, что темозоломид (Tmz) вызы­вает гематологические побочные эффекты при лечении пациентов с GBM, тогда как бевацизумаб часто приво­дит к повышению артериального давления, нейтропении и тромбоэмболическим явлениям [8, 9].

Существуют несколько стратегий, которые могут обойти токсичность, связанную с химиотерапией, возможно­стью доставки лекарств в ЦНС и методами нацеливания на опухолевую ткань. Общим для предлагаемых решений по повышению эффективности и действию химиотера­пии являются многофункциональные системы достав­ки лекарств на основе наночастиц. Наночастицы могут быть структурно разделены на две части: внешний слой (оболочка), способный функционировать с помощью множества небольших молекул, белков, ионов металлов и/или полимеров, и внутренний слой (ядро), который по существу является центральной частью наночастиц и состоит из различных материалов или простого резер­вуара (содержащего лекарства и контрастные вещества), как в случае липосом. Эти наноразмерные коллоидные лекарственные носители могут снизить неспецифиче­скую токсичность лекарств, защитить терапевтические агенты от денатурации, способствовать растворению лекарств и проникать через гематоэнцефалический ба­рьер (ГЭБ) [10]. Кроме того, эти новые системы достав­ки лекарств могут использоваться для одновременной транспортировки нескольких противоглиомных тера­певтических агентов в ЦНС. Эта концепция вызвала ин­терес в научном сообществе и привела к исследованиям, направленным на разработку и воплощение этой инно­вационной стратегии на основе наночастиц для диагно­стики и лечения опухолей.

Наночастицы и гематоэнцефалический барьер

ГЭБ представляет собой физический барьер между кро­вью, ликвором и головным и спинным мозгом, который строго контролирует обмен молекулами / питательны­ми веществами между кровью, ликвором и нервной тканью, играя тем самым важную роль в гомеостазе ЦНС, поддерживая здоровую микросреду для сложной нейронной деятельности. Однако в некоторых случаях этот барьер кажется почти непроницаемым для раз­личных агентов, включая терапевтические агенты. ГЭБ позволяет транспортировать ограниченное количество малых гидрофильных молекул (молекулярная масса меньше 400 Da). Многие противоопухолевые препараты представляют собой крупные гидрофильные молеку­лы, что делает их неспособными проникать через ГЭБ. Потенциальная возможность пройти через ГЭБ — это конъюгация этих больших молекул с маленькими на­ноносителями (наночастицы), которые могут помочь распределить препарат в опухоли [11]. Существует не­сколько транспортных путей, по которым лекарствен­ные средства в сочетании с наночастицами могут пере­мещаться через ГЭБ, такие как пассивная диффузия (параклеточная водная и трансклеточная липофильная диффузия) и рецептор-опосредованный эндоцитоз (рецептор-опосредованный трансцитоз, транспорт- опосредованный транспорт и адсорбционный опос­редованный трансцитоз). Пассивная диффузия может быть облегчена путем увеличения концентрации лекар­ственного средства в плазме, что приводит к увеличе­нию осмотического градиента у ГЭБ и, таким образом, к увеличению количества молекул лекарственного сред­ства, поступающих в ЦНС. Рецептор-опосредованный эндоцитоз является общей стратегией проникновения наночастиц в ЦНС, которая основана на взаимодей­ствии поверхностного лиганда наночастиц со специфи­ческими рецепторами клеток ГЭБ. Рецептор-опосредо- ванный трансцитоз состоит из нескольких каскадных процессов, включающих взаимодействие сконструиро­ванных наночастиц с целевым рецептором, образова­ние эндоцитотических пузырьков, трансцитоз через эн­дотелиальные клетки ГЭБ и последующий экзоцитоз наночастиц [12]. Экзоцитоз зависит от степени родства между рецептором клетки и лигандом на поверхности наночастиц, поэтому в эндотелиальных клетках содер­жится больше наночастиц, чем в паренхиме мозга [13]. Белок трансферрин (TfR) активно исследовался в каче­стве доставки терапевтических средств в головной мозг, который мог взаимодействовать с рецепторами TfR на поверхности эндотелиоцитов и проникать через ГЭБ [14] (рис. 1).

 

Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая три возможных пути эндоцитарной сортировки, где биспецифи­ческие антитела anti-TfR взаимодействуют с рецепторами TfR на поверхности эндотелиальных кле­ток ГЭБ. При связывании рецептора: (1) биспецифические антитела anti-TfR могут быть возвращены в сторону просвета (кровь), (2) трансцитоз в паренхиму (мозг) или (3) отсортированы в лизосомы для деградации. Адаптировано из работы Bien-Ly и др. [14]

Figure 1. Schematic illustrating three potential endocytic sorting routes that anti-TfR bispecifics may take within endothelial cells at the BBB. Upon receptor binding: (1) anti-TfR bispecifics may be recycled to the luminal side (blood), (2) transcytosed to the parenchyma (brain), or (3) sorted to the lysosome for degra­dation. Adapted from Bien-Ly et al. [14]

 

Используя высокую экспрессию TfR на просветной сто­роне эндотелиальных клеток сосудов головного мозга, также тщательно исследовали транспортировку на­ночастиц через трансферрин-опосредованный транс- цитоз через ГЭБ. В своей работе Dixit и др. модифици­ровали пептидным ПЕГилированным покрытием TfR наночастицы золота, которые в последующем были вве­дены в/в in vivo, и в результате смогли показать, что мо­дифицированные наночастицы демонстрируют значи­тельно более высокое накопление в глиальной опухоли головного мозга в первые 6 часов [13]. Porru и др. также продемонстрировали лучшую противоопухолевую эф­фективность с липосомами, конъюгированными с TfR, как в гетеротопической, так и в ортотропных опухолях головного мозга in vivo [15].

При доставке противоопухолевых препаратов в опу­холевую ткань эффект «повышенной проницаемости и удержания» (EPR), впервые описанный Matsumura и Maeda в 1986 году, является очень важным фактором [16]. Большинство солидных опухолей имеют кровенос­ные сосуды с дефектным строением и обычно выраба­тывают большое количество разнообразных факторов проницаемости сосудов, и поэтому сосуды опухоли про­являют повышенную проницаемость. Благодаря EPR мо­лекулы размером более 40 kDa избирательно проникают из опухолевых сосудов и накапливаются в опухолевой ткани. Напротив, эта управляемая явлением EPR достав­ка лекарств не происходит в нормальных тканях.

Активное нацеливание

Для повышения селективности высвобождения лекар­ственного средства на выбранных участках действия и достижения повышенной терапевтической эффектив­ности необходим подход активного нацеливания. Эти стратегии состоят во включении аффинных молекул, экспрессируемых на поверхности наночастиц, принимая во внимание специфические характеристики аномаль­ной ткани, например дифференциальную экспрессию рецепторов или антигенов в опухолевых клетках. Они включают в себя широкий спектр пептидов, антител или фрагментов антител, аптамеров и других малых мо­лекул [17]. Глиальная опухоль проявляет свою химиоре­зистентность несколькими сигнальными механизмами, поэтому разработка наночастиц, активно нацеленных на поверхностные клеточные маркеры, сигнальные пути и микроокружение самой опухоли, представляет собой важную и сложную задачу. Эти подходы осуществляют­ся путем соединения специфических лигандов со струк­турой наночастиц, что позволяет избирательно распоз­навать различные рецепторы, сверхэкспрессируемые на поверхности опухолевых клеток. Функционализация поверхности наночастиц повышает терапевтическую эффективность цитотоксических лекарств и возмож­ность преодолеть лекарственную устойчивость или хи­миорезистентность глиом [18].

Пассивное нацеливание

Пассивное нацеливание является одним из наиболее широко используемых подходов доставки наночастиц в глиальную опухоль головного мозга для терапевтиче­ских и диагностических целей. Как известно, проница­емость ГЭБ при различных патологических процессах, включая опухоли, может быть в некоторой степени на­рушена, и, следовательно, это дает возможность для пас­сивного транспорта наночастиц с определенными свой­ствами. Подобно требованиям, предъявляемым к малым молекулам для проникновения через ГЭБ, липофиль- ность является одним из наиболее важных факторов, влияющих на способность наночастиц проникать через ГЭБ посредством пассивного транспорта. Нано­частицы размером 100-400 нм не показали хороших ре­зультатов разницы в преодолении ГЭБ. Однако эффект EPR не возникает с обычными химиотерапевтическими

молекулами из-за отсутствия специфичности между нормальными и опухолевыми тканями. Однако способ­ность к распространению лекарств является важным па­раметром, который препятствует стратегии пассивного нацеливания из-за сложности контроля высвобождения лекарств. Следовательно, для достижения эффективного EPR наночастицы должны быть меньше 100 нм и иметь биосовместимую поверхность (нейтральный заряд и ги­дрофильные свойства), чтобы избежать удаления с по­мощью ретикулоэндотелиальной системы (РЭС) [19, 20].

Наночастицы в терапии глиальных опухолей

Нанотехнология предоставляет бесконечные возмож­ности в области лечения онкологических заболеваний с использованием таргетных систем противоопухолевой доставки лекарств. Для этого необходимо надлежащим образом изучить наночастицы и спроектировать их для достижения наибольшего терапевтического и/или диагностического эффекта с уменьшенными побочными эффектами, особенно для химиопрепаратов. Наночасти­цы являются гибкими и универсальными по структу­ре, которая обеспечивает небольшой размер, соответ­ствующую форму и функционализацию поверхности для достижения мишени. Было показано, что наноча­стицы улучшают фармакокинетику доступных лекар­ственных средств путем уменьшения их биораспределе­ния в нецелевых компартментах, доставки адекватного количества лекарственного средства в нужное место, преодоления проблем растворимости и стабильности. В зависимости от природы и состава их можно клас­сифицировать как органические и неорганические на­ночастицы [21]. Органические наночастицы описы­ваются как состоящие из органических соединений, в том числе липидов, поверхностно-активных веществ или полимеров со статусом GRAS (обычно считающим­ся безопасным), которые обеспечивают простой способ инкапсуляции молекул. Липосомы, полимерные наноча­стицы, липидные наночастицы, мицеллы / полимерные мицеллы, наночастицы на основе белка являются при­мерами органических наночастиц. С другой стороны, неорганические наночастицы содержат плотное ядро с различными физико-химическими свойствами, кото­рые можно отнести к их неорганическим компонентам, таким как магнитные оксиды металлов или полупрово­дниковые материалы. В исследованиях были описаны и использованы различные типы неорганических на­ночастиц, включая наночастицы оксида железа, наноча­стицы мезопористого диоксида кремния, наночастицы золота и квантовые точки. Основными преимущества­ми неорганических наночастиц являются их прочность, устойчивость к ферментативному разложению и на­личие особенных свойств, таких как оптические, тер­мические, магнитные и электрические, которые можно использовать для визуализации наночастиц и в терапии. Учитывая их природный состав, неорганические нано­частицы могут быть синтезированы и модифицированы с помощью поверхностной функционализации путем включения лигандов или полимеров для улучшения их биологической функции [22]. Использование биосов- местимых покрытий снижает токсичность, связанную с присутствием тяжелого металла. Неорганические на­ночастицы также широко исследовались в применении для диагностики, поскольку у них есть отличные способ­ности реагировать на внешние раздражители и измене­ния в организме [22, 23]. Наночастицы представляют собой интересную систему доставки лекарств, имеющую высокий потенциал для улучшения результатов лече­ния пациентов с глиомами. Однако их перевод от дока­зательной концепции в доклинических исследованиях до демонстрации терапевтической ценности в клини­ческой практике остается сложным и дорогостоящим. Процедура масштабирования, модификации поверх­ности, биологическая устойчивость и токсичность, рас­познавание и количественная оценка наночастиц в ор­ганизме человека — вот некоторые моменты, которые затрудняют перевод в клиническую практику. Было про­ведено несколько видов исследований in vitro и in vivo, посвященных возможной терапии глиальных опухолей при помощи наночастиц, о которых и пойдет речь ниже. Паклитаксел (Ptx) может ингибировать деление клеток путем стимулирования сборки микротрубочек из ди­меров тубулина и стабилизации микротрубочек (важен для клеточных функций на этапе митоза и интерфазы клеточного цикла), поэтому он рассматривается в каче­стве химиотерапии [24]. Тем не менее он не может про­никать через ГЭБ из-за высоких гидрофобных свойств данного препарата. Чтобы преодолеть ГЭБ, Hu и др. разместили Ptx в липосомы с пептидом tLyp-1 в каче­стве лиганда и оценивали возможную терапевтическую и диагностическую роль [25]. Результаты показали по­вышенное клеточное поглощение данных наночастиц с Ptx как эндотелиальными клетками пупочной вены че­ловека (HUVECs), так и клетками глиом C6, демонстри­руя цитотоксичность и ингибирование роста клеток со стороны Ptx. Селективное накопление наночастиц в участках опухоли было подтверждено визуализаци­ей in vivo. Самая длинная медиана выживаемости была достигнута у мышей с глиомой С6, получавших данные наночастицы с Ptx. Полученные здесь данные убеди­тельно указывают на то, что функционализированные пептидом tLyp-1 липосомы могут значительно улуч­шить эффективность терапии глиальных опухолей Ptx. Система доставки наночастиц с двойным нацеливани­ем была разработана Xin и др. путем конъюгирования Angiopep с наночастицами из полиэтиленгликоль-поли-e-капролактона (ANG- PEG-PCL) для преодо­ления ГЭБ ЦНС и ГЭБ сосудов самой опухоли [26]. ANG- PEG-PCL может нацеливаться на белок, связан­ный с рецептором липопротеинов низкой плотности, который сверхэкспрессируется на поверхности эндо- телиоцитов ГЭБ и клеток глиом. Антипролифератив- ные свойства и индуцирование апоптоза с помощью наночастиц ANG- PEG-PCL, модифицированных Ptx, продемонстрировали на клеточной линии глиомы U87 MG. Коэффициенты транспорта через эксперименталь­ную модель ГЭБ in vitro были значительно увеличены, и жизнеспособность клеток глиомы U87 MG после преодоления ГЭБ, очевидно, была снижена с помощью ANG- PEG-PCL модифицированных Ptx. С помощью флуоресцентного изображения в реальном времени на­блюдалось усиленное накопление данных наночастиц в ложе глиомы in vivo. Таким образом, ANG-PEG-PCL наночастицы были перспективными в системе достав­ки лекарств с двойным нацеливанием для возможной терапии глиомы головного мозга.

Опухолевые клетки в целом (включая глиомы) демон­стрируют ускоренный метаболизм, который вызывает накопление излишнего количества молочной кисло­ты, генерируя повышенную кислотность опухолевого микроокружения [27]. Cheng и др. приняли во внима­ние этот характерный фенотип глиом и использовали чувствительные к низкому рН наночастицы из золота с ПЕГилированным фосфолипидным покрытием в ком­бинации с доксорубицином (Dox) через кислотолабиль­ный гидразоновый линкер [28]. Использование чувстви­тельности Dox к низкому pH обеспечивало стабильность и системную ее транспортировку, а именно быстрое высвобождение Dox в местах опухоли, где pH является низким. В микроокружении опухоли имеется воспа­лительный процесс, вызванный секрецией цитокинов/ хемокинов. Особая роль макрофагов в прогрессиро­вании опухоли была продемонстрирована в последние годы, и, основываясь на том, что макрофаги обладают свойством хоминга, позволяющим им мигрировать в опухолевые участки через ГЭБ в ответ на синтез ци- токинов/хемокинов в пораженных тканях, Pang и др. использовали макрофаги в качестве «троянских коней» для переноса наночастиц с Dox для преодоления ГЭБ и высвобождения лекарства в местах опухоли головно­го мозга [29]. Dox был заключен в наночастицы, чтобы избежать повреждения клеток. Наночастицы с Dox ин­кубировали с макрофаг-подобными клетками RAW 264 для получения комплекса макрофаг-наночастицы. Вы­свобождение наночастиц из комплекса макрофаг-нано­частицы было очень медленным в среде DMEM и 10 % FBS и значительно ускорялось, когда добавляли в микро­среду интерферон-ү (IFN-γ) и липосахариды, имитирую­щие микроокружение опухоли. Возможность проникать в опухолевые клетки комплекса макрофаг-наночастицы была подтверждена в исследованиях in vitro. Эффектив­ность нацеливания наночастиц на опухоль также значи­тельно повышалась в комплексе макрофаг-наночастицы у лабораторных мышей с глиомой головного мозга. Дан­ные результаты показали большой потенциал макро­фагов в качестве активного бионосителя для доставки наночастиц с противоопухолевыми препаратами в гли­альные опухоли. Это новое доказательство концепции предлагает уникальные идеи клеточной терапии в соче­тании с модифицированными наночастицами.

В дополнение, полиамидоаминовый (PAMAM) дендри- мер использовали в качестве носителя для доставки антисмыслового олигонуклеотида miR-21 (as-miR-21) и 5-фторурацил (5-FU) в клеточной линии GBM чело­века U251. As-miR-21 синергировала цитотоксичность 5-FU, увеличивая апоптоз клеток U251. Более того, ми­грационная способность опухолевых клеток U251 была снижена. Таким образом, представляется, что совмест­ное использование лекарственных средств и as-miR-21 может быть эффективным методом в лечении GBM по­средством снижения экспрессии про-онкогенной miR- 21, избыточно экспрессированной в клетках GBM [30].

Визуализация распределения наночастиц

Визуализация опухолей головного мозга является важ­ной задачей начиная от ранних стадий исследований, хирургического планирования и на протяжении всего хирургического процесса до наблюдения в постопераци- онном периоде. В настоящее время во время операции применяется все больше вспомогательных методов, та­ких как интраоперационная МРТ и хирургия с флуорес­центной визуализацией, для повышения безопасности этих операций и увеличения области резекции опухо­левой ткани. Многие из этих методов часто бывают не­достаточными из-за низкой чувствительности или пло­хого разрешения операции. Применение контрастных веществ также имеет свои недостатки, так как это тре­бует многократных инъекций контрастного вещества, что может привести к дополнительной травме и увеличе­нию метаболической нагрузки пациента. Кроме того, на­личие гематоэнцефалического барьера серьезно ограни­чивает доставку большинства терапевтических агентов, таких как Dox, в ткани головного мозга [31]. Химиоте­рапевтические препараты, которые способны транспор­тироваться через ГЭБ, обычно неспособны эффективно находить опухоль для достижения нужных концентра­ций, необходимых для уничтожения опухолевых клеток без повреждения нормальной мозговой ткани. С точки зрения традиционной визуализации анатомических структур наночастицы могут исследоваться в качестве потенциальных контрастных агентов для улучшения по­лучения изображений с помощью современных методов диагностики, таких как МРТ. Одним из специфических классов наночастиц, который вызвал большой интерес в этом отношении, являются суперпарамагнитные нано­частицы оксида железа (SPIO), которые демонстрируют превосходную биосовместимость и способность к ви­зуализации [32]. Поверхности SPIO наночастиц могут быть легко модифицированы с помощью поверхностно­активных веществ и биоактивных лигандов, что допол­нительно повышает их эффективность путем: 1) более продолжительного присутствия в кровотоке; 2) ориен­тировки наночастиц на определенные целевые участки, например, ткань опухоли и 3) возможности модифици­ровать наночастицы широким спектром диагностиче­ских и терапевтических средств для терапии опухолей. Хотя МРТ имеет превосходное пространственное раз­решение, оно ограничено низкой чувствительностью. Напротив, флуоресцентная визуализация ближней ин­фракрасной области (NIRF), которая имеет высокую чувствительность, показывает относительно низкое разрешение. Индоцианиновый зеленый (ICG) пред­ставляет собой амфифильный трикарбоцианиновый краситель, проявляющий максимальное поглощение и излучение в области NIR около 780 и 810 нм соответ­ственно [33]. Это единственный органический краситель NIR, одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (USFDA) для клинических применений, он представляет собой средство с одной из самых низких токсичностей для человека. В настоящее время ICG широко исполь­зуется в так называемой индоцианиновой ангиогра­фии сосудов сетчатки в офтальмологической практике и оценке функции печени [34, 35]. Он также широко используется в нейрохирургической практике при ис­следованиях цереброваскулярных заболеваний, таких как сложные аневризмы и артериовенозные мальфор- мации (АВМ) [36]. Shen и др. в своей работе продемон­стрировали использование меченных индоцианином зе­леного суперпарамагнитных наночастиц оксида железа с ПЕГилированным фосфолипидным покрытием в ком­бинации с Dox (SPIO@DSPE-PEG/Dox/ICG) для химио­терапии и визуализации методами магнитно-резонанс­ной и флуоресцентной томографии глиальных опухолей [37]. В данном исследовании in vivo ICG-флуоресцентная визуализация в ближней инфракрасной области спек­тра, как и МРТ, были использованы для исследования нацеливания на глиальную опухоль и эффективности визуализации SPIO@DSPE-PEG/Dox/ICG наночастиц. Как показано на рисунке 2, сигналы свободной ICG первоначально наблюдались по всему телу через 2 часа после в/в инъекции, что наиболее вероятно, представляя сигналы данного красителя, накопленного в коже, под­кожной клетчатке и внутренних органах, таких как пе­чень и кишечный тракт.

 

Рисунок 2. Флуоресцентная визуализация in vivo. Флуоресцентная визуализация глиомы у лаборатор­ных мышей в разное время после инъекции в хвостовую вену свободного ICG и наночастиц SPIO@ DSPE-PEG/DOX/ICG; стрелка указывает направление глиомы. Адаптировано из работ Shen и др. [37]

Figure 2. In vivo fluorescence imaging efficacy. Fluorescence images of glioma-bearing nude mice at dif­ferent times after tail vein injection of free ICG and SPIO@DSPE-PEG/DOX/ICG NPs; arrow indicates direc­tion of the glioma. Adapted from Shen et al. [37]

 

 

Рисунок 3. МРТ визуализация in vivo. МР-визуализация T2-взвешенных изображений глиомы у крыс Wistar в разное время после инъекции в хвостовую вену наночастиц SPIO@DSPE-PEG/Dox/ICG; стрелка указывает направление глиомы. Адаптировано из работ Shen и др. [37]

Figure 3. In vivo MRI efficacy. T2-weighted MR images of glioma-bearing Wistar rats at different times after tail vein injection of SPIO@DSPE-PEG/Dox/ICG NPs (A); arrow indicates direction of the glioma. Adapted from Shen et al. [37]

 

Затем сигналы, зависящие от времени, показали посте­пенное уменьшение интенсивности в области опухо­ли, что указывает на то, что свободные молекулы ICG не могут нацеливаться и накапливаться в тканях гли­альной опухоли. Напротив, сигналы комбинирован­ных наночастиц с ICG были в основном локализованы в опухоли через 24 часа, в соответствии с результатами, представленными на рисунке 3.

Эти результаты, представленные данными авторами, свидетельствуют о том, что большое количество SPIO@ DSPE-PEG/Dox/ICG наночастиц эффективно проника­ло через ГЭБ и специфически накапливалось в опухоле­вой ткани, но не в других областях головного мозга. Бо­лее того, введение ПЕГилированного фосфолипидного слоя на поверхность SPIO наночастиц позволяет избе­жать распознавания клетками иммунной системы, на­пример макрофагами, и, таким образом, удаления с по­мощью РЭС печени и селезенки. Данная способность модифицированных наночастиц является результатом их повышенной гидратации и способствует более про­должительному времени присутствия в организме.

Клинические испытания

Исследования, выполненные на экспериментальных моделях с использованием лабораторных животных, подтверждают безопасность и эффективность целевых наночастиц. Существует множество противоопухоле­вых химических агентов, включая бевацизумаб, темо- золомид, доксорубицин, паклитаксел и иринотекан, которые уже находятся в клиническом применении. Некоторые одобренные USFDA химиотерапевтические нанопрепараты в настоящее время имеются в продаже [38]. Тем не менее постоянное беспокойство по поводу использования этих лекарств в их естественной форме заключается в их вероятной кумулятивной токсично­сти для здоровых клеток.

Dox является химиотерапевтическим препаратом, одо­бренным для лечения различных типов рака и одним из наиболее ценных средств против злокачественных глиом in vitro, несмотря на то что Dox обладает пони­женной эффективностью in vivo из-за его низкого про­никновения через ГЭБ. Во II фазе клинических исследо­ваний в 2001 году использовался инкапсулированный в липосомах Dox, продемонстрировавший стабилиза­цию заболевания (54 %) и переносимость в небольшой когорте из 15 пациентов с рецидивирующей GBM, где медиана общей выживаемости после лечения состави­ла 40 недель [39]. В другом клиническом исследовании, также во II фазе, использовались ПЕГилированные липосомы с Dox (PEG-Dox) у пациентов с рецидиви­рующими глиомами high-grade III-1V, где медиана об­щей выживаемости после лечения составила 74 недели [40]. В более новом исследовании использовался Tmz (другой общепринятый химиотерапевтический пре­парат) отдельно или в комбинации с PEG-Dox липосо- мами, который хорошо переносится, но, по-видимому, не добавляет значительного клинического преимуще­ства в лечении недавно диагностированной GBM [41]. SGT-53 представляет собой наноноситель, состоящий из катионизированных липосом, имеющих в своем со­ставе опухолевый супрессор р53 и демонстрирующий нацеленность на TfR. Впервые на людях были проведены исследования с солидными опухолями, не связанными с ЦНС, и сообщалось о восстановлении функции р53 с отсутствием побочных эффектов [42]. Имеются данные о том, что идет набор пациентов для II фазы клиническо­го испытания с SGT-53 в сочетании с Tmz для пациентов с рецидивирующей GBM. Предполагаемыми результа­тами являются накопление SGT-53 в опухолевой ткани с активацией апоптоза опухолевых клеток, где выживае­мость без прогрессирования составит 6 месяцев [42].

В настоящее время эффективность активно нацелен­ных наночастиц при глиальных опухолях не была оце­нена в клинических исследованиях. Например, совре­менные липосомные наночастицы были разработаны для пассивного нацеливания на опухоль и основаны главным образом на эффекте EPR. Как обсуждалось выше, доступ к ЦНС сильно ограничен ГЭБ, и в резуль­тате проникновение системно введенных наночастиц через пассивную диффузию будет довольно низким. Более того, даже если эти наночастицы смогут уверенно проникать через эндотелиоциты ГЭБ, эффект EPR вряд ли будет из-за присутствия плотного скопления астро- цитов как второго барьера и высокого осмотического давления интерстициальной жидкости, что еще больше ограничивает диффузию в ЦНС.

Заключение

Доступная на данный момент информация из иссле­дований указывает на то, что наночастицы могут быть очень полезны для доставки терапевтических средств и красителей в глиальные клетки, что открывает новые возможности в терапии и диагностике глиальных опу­холей. Наночастицы, описанные в данной работе, пред­ставляют собой стабильные, биосовместимые, обычно биоразлагаемые соединения с низкой токсичностью, которые могут быть легко модифицированы на по­верхности для возможности целевой доставки хими­опрепаратов или нуклеиновых кислот, как as-miR-21. Важно отметить, что для потенциального применения в терапии и диагностике глиом наночастица должна быть в состоянии доставить свой «груз» непосредствен­но в паренхиму головного мозга, что означает, что она должна с легкостью преодолевать ГЭБ. По этой причине разработка по модификации наночастиц, которая по­зволит эффективно преодолевать ГЭБ, является ключе­вым моментом в подходе к терапии и диагностике гли­ом. Это подразумевает, что наночастицы должны быть проверены на эффективность в доклинических иссле­дованиях на моделях животных с ксенотрансплантатом глиальной опухоли головного мозга, где присутствуют все реальные компоненты ГЭБ. Другим же моментом, конечно, является то, что сами наночастицы и химио­препараты не должны вызывать токсические эффекты по отношению к здоровым клеткам.

Подводя итог, можно сказать, что в последние годы были достигнуты определенные успехи в использовании на­ночастиц для доставки терапевтических агентов и кра­сителей для визуализации глиальных опухолей, и, хотя предстоит еще много работы, было бы разумно предпо­ложить, что в скором времени нанотехнологии внесут свой вклад в повседневную клиническую практику.

Об авторах

И. Ф. Гареев
Башкирский государственный медицинский университет
Россия

Гареев Ильгиз Фанилевич — аспирант кафедры нейрохирургии и медицинской реабилитации с курсом ИДПО 

450008, Уфа, ул. Ленина, 3



О. А. Бейлерли
Башкирский государственный медицинский университет
Россия

Бейлерли Озал Арзуман оглы —аспирант кафедры урологии с курсом ИДПО 

450008, Уфа, ул. Ленина, 3



В. Н. Павлов
Башкирский государственный медицинский университет
Россия

Павлов Валентин Николаевич — доктор медицинских наук, член-корр. РАН, профессор, ректор, зав. кафедрой рологии с курсом ИДПО 

450008, Уфа, ул. Ленина, 3



Shiguang Zhao
Харбинский медицинский университет
Китай

Shiguang Zhao — профессор, зав. кафедрой нейрохирургии

150081, Хэйлунцзян, Харбин, Наньган, Баоцзянь-роуд, 157



Xin Chen
Харбинский медицинский университет
Китай

Xin Chen — ассистент кафедры нейрохирургии, врач-фармаколог

150081, Хэйлунцзян, Харбин, Наньган, Баоцзянь-роуд, 157



Zhixing Zheng
Харбинский медицинский университет
Китай

Zhixing Zheng — ассистент кафедры нейрохирургии, врач-нейрохирург

150081, Хэйлунцзян, Харбин, Наньган, Баоцзянь-роуд, 157



Chen Shen
Харбинский медицинский университет
Китай

Chen Shen — ассистент кафедры нейрохирургии, врач-нейрохирург

150081, Хэйлунцзян, Харбин, Наньган, Баоцзянь-роуд, 157



Jinxian Sun
Харбинский медицинский университет
Китай

Jingxian Sun — аспирант кафедры нейрохирургии 

150081, Хэйлунцзян, Харбин, Наньган, Баоцзянь-роуд, 157



Список литературы

1. Howell A.E., Zheng J., Haycock P.C., McAleenan A., Relton C., Martin R.M., et al. Use of mendelian randomization for identifying risk factors for brain tumors. Front Genet. 2018;9:525. DOI: 10.3389/fgene.2018.00525

2. Merve A., Millner T.O., Marino S. Integrated phenotype-genotype approach in diagnosis and classification of common CNS tumours. Histopathology. 2019, 01 March. DOI: 10.1111/his.13849

3. Wu D.F., He W., Lin S., Han B., Zee C.S. Using real-time fusion imaging constructed from contrast-enhanced ultrasonography and magnetic resonance imaging for high-grade glioma in neurosurgery. World Neurosurg. 2019, Jan 21. PII: S1878-8750(19)30098-1. DOI: 10.1016/j.wneu.2018.12.215

4. Bagley S.J., Schwab R.D., Nelson E., Viaene A.N., Binder Z.A., Lustig R.A., et al. Histopathologic quantification of viable tumor versus treatment effect in surgically resected recurrent glioblastoma. J Neurooncol. 2019;141(2):421–9. DOI: 10.1007/s11060-018-03050-6

5. Berberat J., McNamara J., Remonda L., Bodis S., Rogers S. Diffusion tensor imaging for target volume definition in glioblastoma multiforme. Strahlenther Onkol. 2014;190(10):939–43. DOI: 10.1007/s00066-014-0676-3

6. Metaweh N.A.K., Azab A.O., El Basmy A.A.H., Mashhour K.N., El Mahdy W.M. Contrast-enhanced perfusion MR imaging to differentiate between recurrent/residual brain neoplasms and radiation necrosis. Asian Pac J Cancer Prev. 2018;19(4):941–8. DOI: 10.22034/APJCP.2018.19.4.941

7. Martens K., Meyners T., Rades D., Tronnier V., Bonsanto M.M., Petersen D., et al. The prognostic value of tumor necrosis in patients undergoing stereotactic radiosurgery of brain metastases. Radiat Oncol. 2013;8:162. DOI: 10.1186/1748-717X-8-162

8. Newton S.L., Kalamaha K., Fernandes H.D. Temozolomideinduced aplastic anemia treated with eltrombopag and granulocyte colony stimulating factor: a report of a rare complication. Cureus. 2018;10(9):e3329. DOI: 10.7759/cureus.3329

9. Ladha H., Pawar T., Gilbert M.R., Mandel J., O-Brien B., Conrad C., et al. Wound healing complications in brain tumor patients on Bevacizumab. J Neurooncol. 2015;124(3):501–6. DOI: 10.1007/s11060015-1868-0

10. Han X., Xu K., Taratula O., Farsad K. Applications of nanoparticles in biomedical imaging. Nanoscale. 2019;11(3):799–819. DOI: 10.1039/c8nr07769j

11. Chen K.T., Wei K.C., Liu H.L. Theranostic strategy of focused ultrasound induced blood-brain barrier opening for CNS disease treatment. Front Pharmacol. 2019;10:86. DOI: 10.3389/fphar.2019.00086

12. Grabrucker A.M., Chhabra R., Belletti D., Forni F. Nanoparticles as blood–brain barrier permeable CNS targeted drug delivery systems. Top Med Chem. 2014;10:71–89. DOI: 10.1007/7355_2013_22

13. Dixit S., Novak T., Miller K., Zhu Y., Kenney M.E., Broome A.M. Transferrin receptor-targeted theranostic gold nanoparticles for photosensitizer delivery in brain tumors. Nanoscale. 2015;7:1782–90. DOI: 10.1039/c4nr04853a

14. Bien-Ly N., Yu Y.J., Bumbaca D., Elstrott J., Boswell C.A., Zhang Y., et al. Transferrin receptor (TfR) trafficking determines brain uptake of TfR antibody affinity variants. J Exp Med. 2014;211(2):233–44. DOI: 10.1084/jem.20131660

15. Porru M., Zappavigna S., Salzano G., Luce A., Stoppacciaro A., Balestrieri M.L., et al. Medical treatment of orthotopic glioblastoma with transferrin-conjugated nanoparticles encapsulating zoledronic acid. Oncotarget 2014;5:10446–59. DOI: 10.18632/oncotarget.2182

16. Matsumura Y., Maeda H. A new concept for macromolecular therapeutics in cancer chemotherapy: mechanism of tumoritropic accumulation of proteins and the antitumor agent SMANCS. Cancer Res. 1986; 46: 6387–92. PMID: 2946403

17. Rajora M., Ding L., Valic M., Jiang W., Overchuk M., Chen J., et al. Tailored theranostic apolipoprotein E3 porphyrin-lipid nanoparticles target glioblastoma tumours. Chem Sci. 2017;8(8):5371–84. DOI: 10.1039/c7sc00732a

18. Hayward S.L., Wilson C.L., Kidambi S. Hyaluronic acid-conjugated liposome nanoparticles for targeted delivery to CD44 overexpressing glioblastoma cells. Oncotarget. 2016;7(23): 34158–71. DOI: 10.18632/oncotarget.8926

19. Rosenblum D., Joshi N., Tao W., Karp J.M., Peer D. Progress and challenges towards targeted delivery of cancer therapeutics. Nat Commun. 2018;9(1):1410. DOI: 10.1038/s41467-018-03705-y

20. Parayath N.N., Amiji M.M. Therapeutic targeting strategies using endogenous cells and proteins. J Control Release. 2017;258:81–94. DOI: 10.1016/j.jconrel.2017.05.004

21. Kumar A., Lee J.-Y., Kim H.-S. Selective fluorescence sensing of 3, 5-dinitrosalicylic acid based on pyrenesulfonamide-functionalized inorganic/organic hybrid nanoparticles. J Ind Eng Chem. 2016;44:82–9. DOI: 10.1016/j.jiec.2016.08.010

22. Anselmo A.C., Mitragotri S. A review of clinical translation of inorganic nanoparticles. AAPS J. 2015;17(5):1041–54. DOI: 10.1208/s12248-015-9780-2

23. Sherwood J., Xu Y., Lovas K., Qin Y., Bao Y. Surface functionalization of dopamine coated iron oxide nanoparticles for various surface functionalities. J Magn Magn Mater. 2017;427:220–4. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.10.039

24. Sofias A.M., Dunne M., Storm G., Allen C. The battle of “nano” paclitaxel. Adv Drug Deliv Rev. 2017;122:20–30. DOI: 10.1016/j.addr.2017.02.003

25. Hu Q., Gao X., Gu G., Kang T., Tu Y., Liu Z., et al. Glioma therapy using tumor homing and penetrating peptide-functionalized PEG–PLA nanoparticles loaded with paclitaxel. Biomaterials. 2013;34(22):5640– 50. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.04.025

26. Xin H., Sha X., Jiang X., Zhang W., Chen L., Fang X. Anti-glioblastoma efficacy and safety of paclitaxel-loading Angiopep-conjugated dual targeting PEG-PCL nanoparticles. Biomaterials. 2012;33(32):8167–76. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2012.07.046

27. Colen C.B., Shen Y., Ghoddoussi F., Yu P., Francis T.B., Koch B.J., et al. Metabolic targeting of lactate efflux by malignant glioma inhibits invasiveness and induces necrosis: an in vivo study. Neoplasia. 2011;13(7):620–32. PMID: 21750656

28. Cheng Y., Dai Q., Morshed R.A., Fan X., Wegscheid M.L., Wainwright D.A., et al. Blood–brain barrier permeable gold nanoparticles: an efficient delivery platform for enhanced malignant glioma therapy and imaging. Small. 2014;10(24):5137–50. DOI: 10.1002/smll.201400654

29. Pang L., Qin J., Han L., Zhao W., Liang J., Xie Z., et al. Exploiting macrophages as targeted carrier to guide nanoparticles into glioma. Oncotarget. 2016;7(24):37081–91. DOI: 10.18632/oncotarget.9464

30. Ren Y., Kang C.S., Yuan X.B., Zhou X., Xu P., Han L., et al. Co-delivery of as-miR-21 and 5-FU by poly(amidoamine) dendrimer attenuates human glioma cell growth in vitro. J Biomater Sci Polym. 2010;21(3):303– 14. DOI: 10.1163/156856209X415828

31. Yang J., Li Y., Zhang T., Zhang X. Development of bioactive materials for glioblastoma therapy. Bioact Mater. 2016;1(1):29–38. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2016.03.003

32. Khalid M.K., Asad M., Henrich-Noack P., Sokolov M., Hintz W., Grigartzik L., et al. Evaluation of toxicity and neural uptake in vitro and in vivo of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Int J Mol Sci. 2018;19(9): E2613. DOI: 10.3390/ijms19092613

33. Pathak R.A., Hemal A.K. Intraoperative ICG-fluorescence imaging for robotic-assisted urologic surgery: current status and review of literature. Int Urol Nephrol. 2019, March 22. DOI: 10.1007/s11255-019-02126-0

34. Stanga P.E., Lim J.I., Hamilton P. Indocyanine green angiography in chorioretinal diseases: indications and interpretation: an evidencebased update. Ophthalmology. 2003;110(1):15–21. PMID: 12511340

35. Halle B.M., Poulsen T.D., Pedersen H.P. Indocyanine green plasma disappearance rate as dynamic liver function test in critically ill patients. Acta Anaesthesiol Scand. 2014;58(10):1214–9. DOI: 10.1111/aas.12406

36. Takagi Y., Kikuta K., Nozaki K., Sawamura K., Hashimoto N. Detection of a residual nidus by surgical microscope-integrated intraoperative near-infrared indocyanine green videoangiography in a child with a cerebral arteriovenous malformation. J Neurosurg. 2007;107(5):416–8. DOI: 10.3171/PED-07/11/416

37. Shen C., Wang X., Zheng Z., Gao C., Chen X., Zhao S., et al. Doxorubicin and indocyanine green loaded superparamagnetic iron oxide nanoparticles with PEGylated phospholipid coating for magnetic resonance with fluorescence imaging and chemotherapy of glioma. Int J Nanomedicine. 2018;14:101–17. DOI: 10.2147/IJN.S173954

38. Pillai G. Nanomedicines for cancer therapy: an update of FDA approved and those under various stages of development. SOJ Pharm Pharm Sci. 2014;1(2):13. DOI: 10.15226/2374-6866/1/2/00109.

39. Fabel K., Dietrich J., Hau P., Wismeth C., Winner B., Przywara S., et al. Long-term stabilization in patients with malignant glioma after treatment with liposomal doxorubicin. Cancer. 2001;92(7):1936–42. PMID: 11745268

40. Hau P., Fabel K., Baumgart U., Rümmele P., Grauer O., Bock A., et al. Pegylated liposomal doxorubicin-efficacy in patients with recurrent high-grade glioma. Cancer. 2004;100(6):1199–207. DOI: 10.1002/cncr.20073

41. Ananda S., Nowak A.K., Cher L., Dowling A., Brown C., Simes J., et al. Phase 2 trial of temozolomide and pegylated liposomal doxorubicin in the treatment of patients with glioblastoma multiforme following concurrent radiotherapy and chemotherapy. J Clin Neurosci. 2011;18(11):1444–8. DOI: 10.1016/j.jocn.2011.02.026

42. Papademetriou I.T., Porter T. Promising approaches to circumvent the blood-brain barrier: progress, pitfalls and clinical prospects in brain cancer. Ther Deliv. 2015;6(8):989–1016. DOI: 10.4155/tde.15.48


Для цитирования:


Гареев И.Ф., Бейлерли О.А., Павлов В.Н., Zhao S., Chen X., Zheng Z., Shen C., Sun J. Наночастицы: новый подход в диагностике и терапии глиальных опухолей головного мозга. Креативная хирургия и онкология. 2019;9(1):66-74. https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-66-74

For citation:


Gareev I.F., Beylerli O.A., Pavlov V.N., Zhao S., Chen X., Zheng Z., Shen C., Sun J. Nanoparticles: a New Approach to the Diagnosis and Treatment of Cerebral Glial Tumours. Creative surgery and oncology. 2019;9(1):66-74. (In Russ.) https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-66-74

Просмотров: 208


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2076-3093 (Print)
ISSN 2307-0501 (Online)