Около 60% всех больных раком в США получают лучевую терапию в рамках своего лечения. Однако это облучение может иметь серьезные побочные эффекты, которые часто оказываются слишком тяжелыми для переносимости пациентами.

Черпая вдохновение из крошечного организма, который может выдерживать огромное количество радиации, исследователи из Массачусетского технологического института, больницы Brigham and Women’s Hospital и Университета Айовы разработали новую стратегию, которая может защитить пациентов от такого рода повреждений. Их подход использует белок тихоходок, часто также называемых «водяными медведями», которые обычно имеют длину менее миллиметра.

Когда исследователи ввели РНК-мессенджер, кодирующий этот белок, мышам, они обнаружили, что он вырабатывал достаточно белка, чтобы защитить ДНК клеток от повреждения, вызванного радиацией. Если этот подход будет разработан для использования на людях, он может принести пользу многим больным раком, говорят исследователи.

«Облучение может быть очень полезным при лечении многих опухолей, но мы также понимаем, что побочные эффекты могут быть ограничивающими. Существует неудовлетворенная потребность в помощи пациентам в снижении риска повреждения прилегающих тканей», — говорит Джованни Траверсо, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте и гастроэнтеролог в больнице Brigham and Women’s Hospital.

Траверсо и Джеймс Бирн, доцент кафедры радиационной онкологии в Университете Айовы, являются старшими авторами исследования, опубликованного в Nature Biomedical Engineering. Ведущими авторами статьи являются Амейя Киртане, преподаватель медицины в Гарвардской медицинской школе и приглашенный ученый в Институте интегративных исследований рака им. Коха Массачусетского технологического института, и Цзяньлин Би, научный сотрудник в Университете Айовы.

Экстремальное выживание

Радиация часто используется для лечения рака головы и шеи, где она может повредить рот или горло, делая очень болезненным прием пищи или питья. Она также широко используется для лечения рака желудочно-кишечного тракта, что может привести к ректальному кровотечению. Многие пациенты в конечном итоге откладывают лечение или вообще прекращают его.

«Это касается огромного количества пациентов и может проявляться как что-то простое, например, язвы во рту, которые могут ограничить способность человека есть, потому что это очень болезненно, так и требующее госпитализации, потому что люди ужасно страдают от боли, потери веса или кровотечения. Это может быть довольно опасно, и это то, что мы действительно хотели попытаться решить», — говорит Берн.

В настоящее время существует очень мало способов предотвратить повреждение радиацией у онкологических больных. Существует несколько препаратов, которые можно использовать для попытки уменьшить повреждение, а для пациентов с раком простаты можно использовать гидрогель для создания физического барьера между простатой и прямой кишкой во время лучевой терапии.

Траверсо и Бирн уже несколько лет работают над разработкой новых способов предотвращения радиационного поражения. В новом исследовании их вдохновила необычайная способность тихоходок к выживанию.

Эти организмы, встречающиеся по всему миру, обычно в водной среде, хорошо известны своей устойчивостью к экстремальным условиям. Ученые даже отправляли их в космос, где они, как было показано, выдерживают экстремальное обезвоживание и космическую радиацию.

Одним из ключевых компонентов защитных систем тихоходок является уникальный белок-супрессор повреждений, называемый Dsup, который связывается с ДНК и помогает защитить ее от повреждений, вызванных радиацией. Этот белок играет важную роль в способности тихоходок выдерживать дозы радиации в 2000–3000 раз превышающие те, которые может выдержать человек.

При мозговом штурме идей новых способов защиты онкологических больных от радиации исследователи задались вопросом, смогут ли они доставить информационную РНК, кодирующую Dsup, в ткани пациента до лучевой терапии. Эта мРНК заставит клетки временно экспрессировать белок, защищая ДНК во время лечения. Через несколько часов мРНК и белок исчезнут.

Чтобы это сработало, исследователям нужен был способ доставки мРНК, который бы генерировал большие количества белка в целевых тканях. Они провели скрининг библиотек частиц доставки, содержащих как полимерные, так и липидные компоненты, которые использовались по отдельности для достижения эффективной доставки мРНК.

В результате этих скринингов они определили одну полимерно-липидную частицу, которая лучше всего подходит для доставки в толстую кишку, и другую, которая оптимизирована для доставки мРНК в ткани ротовой полости.

«Мы подумали, что, возможно, объединив эти две системы — полимеры и липиды — мы сможем получить лучшее из обоих миров и получить высокоэффективную доставку РНК. И это, по сути, то, что мы увидели», — говорит Киртане.

«Одной из сильных сторон нашего подхода является то, что мы используем информационную РНК, которая лишь временно экспрессирует белок, поэтому она считается гораздо более безопасной, чем что-то вроде ДНК, которая может быть включена в геном клеток».

Защита от радиации

Показав, что эти частицы могут успешно доставлять мРНК в клетки, выращенные в лабораторных условиях, исследователи проверили, может ли этот подход эффективно защитить ткани от радиации на мышиной модели.

Они вводили частицы либо в щеку, либо в прямую кишку за несколько часов до введения дозы радиации, аналогичной той, которую получают больные раком. У этих мышей исследователи увидели 50%-ное снижение количества двухцепочечных разрывов ДНК, вызванных радиацией.

Исследователи также показали, что защитный эффект белка Dsup не распространяется за пределы места инъекции, что важно, поскольку они не хотят защищать саму опухоль от воздействия радиации.

Чтобы сделать это лечение более осуществимым для потенциального использования на людях, исследователи теперь планируют заняться разработкой версии белка Dsup, которая не будет вызывать иммунный ответ, как, вероятно, это делал исходный белок тихоходок.

Если этот белок будет разработан для использования на людях, он также может потенциально использоваться для защиты от повреждений ДНК, вызванных химиотерапевтическими препаратами, говорят исследователи. Другим возможным применением может быть помощь в предотвращении радиационного поражения астронавтов в космосе.