Vaizdinimo žymenys padeda pamatyti nanodaleles

Optiniai mikroskopai yra pagrindinis tyrimų instrumentas, jau nebe pirmą šimtmetį naudojamas ląstelėms vaizdinti ir įvairiems jose vykstantiems procesams tyrinėti. Kažin ar būtų galima įsivaizduoti šiandieninį mokslą be optinės mikroskopijos prietaisų. Deja, besivystant mokslui ir plečiantis pažinimo laukui jau nebepakanka vien optinės mikroskopijos klasikos. Optinis mikroskopas nepajėgus parodyti biologinių objektų molekulių ar jų darinių, netinka ir nanodariniams, kaip ir laboratorijoje tiriamoms magnetinėms nanodalelėms, nepasižyminčioms specifinėmis optinėmis savybėmis, vaizdinti. Todėl norint išsiaiškinti, ką magnetinės nanodalelės veikia vėžinėse ląstelėse, tenka pasukti galvą ir paieškoti kitų metodų – didesnės erdvinės skyros mikroskopijos paslaugų arba pasitelkti pagalbines molekules – vadinamuosius vaizdinimo žymenis, kurie pasižymi tam tikromis optinėmis savybėmis, leidžiančiomis stebėti ir fiksuoti magnetinių nanodalelių pasiskirstymą ląstelėse.

1 pav. yra pelės embriono fibroblasto, 24 valandas inkubuoto su superparamagnetinėmis geležies oksido nanodalelėmis, nuotrauka. Mėlyna spalva – Berlyno mėlio pigmentas, susidarantis reagentams sureagavus su geležimi, kurios yra magnetinėse dalelėse. Taigi mėlyna spalva parodo, kurioje ląstelės vietoje yra geležies oksido nanodalelės. Iš šio, atrodo, paprasto ląstelės vaizdo buvo padaryta labai įdomi ir rimta išvada, kad 10 nanometrų dydžio magnetinės nanodalelės sėkmingai prasiskverbia pro ląstelės membraną ir kaupiasi ląstelėje. Dar daugiau, iš paveiksliuko matyti, kad magnetinės nanodalelės yra išsidėsčiusios citoplazmoje aplink ląstelių branduolius, tačiau pačiuose branduoliuose nesikaupia. Taigi šios nanodalelės gali sėkmingai susikaupti ląstelėse ir mes vienaip ar kitaip jas galime panaudoti vėžinėms ląstelėms vaizdinti ir navikinių susirgimų terapijai, tačiau tai, kad jos nesikaupia ląstelės branduolyje, rodo, kad ląstelės turi kelis apsauginius barjerus ir prie pagrindinių ląstelės duomenų – ląstelės genetinės informacijos ir ląstelės branduolyje vykstančių vyksmų magnetinės nanodalelės prisiartinti negali. Tai vienas iš pirminių įrodymų, kad tokio dydžio magnetinės dalelės, nors ir kaupiasi ląstelėse, tikėtina, pašalinio genetinių pažaidų efekto sukelti negali, tad gali būti sėkmingai panaudotos navikinių darinių diagnostikos tikslams kaip kontrastiniai agentai.

1 pav. Magnetinių dalelių susikaupimas ląstelėje po 24 val. inkubacijos. Geležies oksido nanodalelės reaguoja su Berlyno mėlio reagentu, todėl tikslų jų pasiskirstymą ląstelėje galima identifikuoti fazinio kontrasto mikroskopu pagal vaizdinimo žymeklio mėlynos s
Magnetinės nanodalelės – kas tai yra ir kaip jas galime panaudoti?

Šiuo metu, sparčiai plėtojantis technologijoms, atsiranda vis daugiau galimybių dirbti su itin mažais objektais, todėl vystosi naujos ir perspektyvios tyrimų sritys. Viena tokių sričių yra nanotechnologijos, nagrinėjančios medžiagas ir daleles nuo 1 iki 100 nm. Nanomedžiagomis vadinamos nanodalelės, nanolukštai, nanovamzdeliai. Kai kurios nanomedžiagos yra tokios mažos, kad elgiasi kaip molekulės ir patekusios į organizmą nesukelia imuninio atsako, todėl jas galima pritaikyti medicinoje diagnostikai ir terapijai. Viena tokių nanomedžiagų yra magnetinės nanodalelės. Šios nanodalelės ypatingos tuo, kad gali būti pritaikytos tiek vėžio diagnostikoje, tiek terapijoje (2 pav.).

2 pav. Magnetinių nanodalelių pritaikymas vėžio diagnostikai ir terapijai ("Spectrum" iliustr.)
Magnetinės nanodalelės – tai nanodalelių, kurios gali būti manipuliuojamos magnetiniu lauku, klasė. Pagrindinė jų sudedamoji dalis yra geležies oksidas, kartais prijungiami ir kiti metalai, tokie kaip kobaltas ir nikelis. Dalelės, kurios neturi liktinio įmagnetėjimo panaikinus išorinį magnetinį lauką, yra vadinamos superparamagnetikais. Jos yra lengvai įmagnetinamos, turi didelį soties įmagnetėjimą, be to, yra chemiškai stabilios. Keičiant magnetinių nanodalelių sintezę, galima lengvai gauti skirtingų dydžių ir formų nanodaleles, tai leidžia jas pritaikyti įvairiose srityse, taip pat ir medicinoje.

Magnetinio rezonanso tomografija (MRT) – vienas iš pažangiausių ir saugiausių vaizdinimo metodų, taikomų vėžio diagnostikoje. Šis tyrimas yra pagrįstas elektromagnetinio lauko sąveika su vandenilio branduoliais, gautas vaizdas yra vandenilio branduolių tankio vaizdas audiniuose. Kartais gaunamo ryškumo nepakanka tikslioms naviko riboms nustatyti, tuomet yra naudojamos kontrastinės medžiagos. Dažniausiai naudojami gadolinio, turinčio stiprias paramagnetines savybes, junginiai. Šie junginiai suteikia norimą kontrastą vaizdinimo metu, tačiau gali sukelti šalutinį poveikį, pavyzdžiui, alerginę reakciją. Tai paskatino mokslininkus ieškoti naujų kontrastinių medžiagų. Viena tokių medžiagų yra geležies oksido superparamagnetinės nanodalelės. Šios nanodalelės jau yra gaminamos kelių farmacijos kompanijų („Abdoscan“, „GastroMARK“, „Lumiren“, „Resovist“, „Cliavist“, „Feridex“, „Endorem“) ir komerciškai parduodamos kaip kontrastinės medžiagos. Šie preparatai pranašesni už tradicinius tuo, kad nėra toksiški organizmui. Šiuo metu ieškoma, kaip pagerinti magnetinių nanodalelių susikaupimą navikuose, prijungiant įvairius baltymus, randančius vėžines ląsteles. Kita tyrimų kryptis bando atsakyti į klausimą, kaip tas pačias nanodaleles panaudoti ne tik diagnostikai, bet ir terapijai.

Magnetinės dalelės gali būti panaudotos vėžiui gydyti dviem būdais: kaip medžiagos, sukeliančios temperatūros padidėjimą ląstelėje, ir kaip antivėžinio vaisto nešiklis. Pirmasis gydymo metodas yra vadinamas hipertermine terapija. Žodis hipertermija reiškia temperatūros padidėjimą. Jei organizmą užpuola bakterijos arba virusai, viso kūno temperatūra pakyla, žmogus karščiuoja, jam pasireiškia hipertermija. Tokiu būdu organizmas sunaikina mikroorganizmus, kurie nėra atsparūs temperatūros pokyčiams. Visai tai galima pritaikyti ir vėžio terapijai, nes vėžinės ląstelės nėra tokios atsparios temperatūros pokyčiams kaip sveikos organizmo ląstelės. Dar XIX a. buvo pastebėta, kad vėžiu sergantiems žmonėms, kurie dėl infekcinių ligų karščiuodavo, navikas sumažėdavo. 1970 m. buvo įrodyta, kad vėžinės ląstelės yra jautresnės hipertermijai nei sveikos ląstelės.

Hiperterminės terapijos metu vėžinė ląstelė yra įkaitinama iki 41–47ºC temperatūros ir taip sunaikinama. Tam, kad gydymas būtų efektyvus, reikia, kad būtų kaitinamas navikas, o aplink esantys sveiki audiniai liktų nepažeisti. Todėl vėžines ląsteles reikia kaitinti iš vidaus. Tai pasiekti galima naudojant magnetines nanodaleles. Jos yra suleidžiamos į paciento kraujotakos sistemą ir dėl porėtų naviko kraujagyslių ir neišvystytos limfinės sistemos susikaupia vėžiniame audinyje. Prijungus specifinius antikūnus, galima pagerinti nanodalelių susikaupimą tik vėžinėse ląstelėse. Naviko sritis yra veikiama kintančio magnetinio lauko, dėl kurio magnetinės nanodalelės ima virpėti ir skleisti šilumą. Šilumą sugeria aplink esančios vėžinės ląstelės, jų temperatūra pakyla, ima denatūruoti baltymai ir ląstelės žūsta (3 pav.).

3 pav. Hiperterminės terapijos principas: nanodalelės suleidžiamos į kraujotaką, jos pasyviai susikaupia navike. Vėliau magnetinės nanodalelės veikiamos kintančiu magnetiniu lauku. Vėžinės ląstelės įšyla nuo įkaitusių besisukančių magnetinių nanodalelių ir žūsta nuo hiperterminio poveikio ("Spectrum" iliustr.)
Taigi magnetinių nanodalelių panaudojimas hiperterminėje terapijoje leidžia turėti neinvazinį, selektyvų ir netoksišką vėžio gydymo būdą.

Kitas magnetinių nanodalelių panaudojimo būdas vėžio terapijoje – antivėžinio vaisto pernešimas į naviką. Didžiausias šiuo metu taikomos chemoterapijos trūkumas yra tai, kad vaistai veikia tiek vėžines, tiek sveikas ląsteles. Dėl to po gydymo chemoterapiniais vaistais nusilpsta visas žmogaus organizmas. Bandydami išspręsti šią problemą, mokslininkai pasitelkia įvairias nanodaleles, kurias panaudoja kaip chemoterapinio vaisto nešiklius. Magnetinės nanodalelės išsiskiria iš kitų nanodalelių tuo, kad gali būti valdomos magnetiniu lauku. Šios terapijos principas yra pavaizduotas 4 pav. Prie magnetinės nanodalelės prijungiamas antivėžinis vaistas, dalelė padengiama polimeriniu sluoksniu, apsaugančiu ją nuo suirimo. Polimerinis dangalas taip pat neleidžia antivėžiniam vaistui pažeisti sveikų ląstelių. Tokios modifikuotos nanodalelės yra suleidžiamos į kraujotaką. Naudojant magnetinį lauką jas galima nukreipti į naviką. Dalelėms susikaupus vėžiniame audinyje, jos yra suardomos pakeičiant aplinkos sąlygas, pavyzdžiui, padidinant naviko temperatūrą. Suirus magnetinei nanodalelei, pradeda veikti antivėžinis vaistas, kuris lokaliai ima naikinti vėžines ląsteles. Tad chemoterapinis vaistas naikina tik vėžines ląsteles, nepažeisdamas sveikų, taigi nealindamas viso organizmo.

4 pav. Antivėžinio vaisto pernešimas į naviką naudojant magnetines nanodaleles. Prie magnetinės nanodalelės prijungiamas antivėžinis vaistas. Naudojant magnetinį lauką nanodalelės nukreipiamos į vėžinį audinį ("Spectrum" iliustr.)
Dėl to, kad išleidžiami lengvai kontroliuojami vaistai, galima sukurti tokias magnetines nanodaleles, kurios atliktų tris funkcijas:

1) būtų naudojamos kaip kontrastinė medžiaga naviko dydžiui ir formai nustatyti magnetinio rezonanso vaizdinimo metu;
2) hiperterminės terapijos metu kintantį magnetinį lauką paverstų šiluma ir taip pakeltų naviko temperatūrą iki vėžinėms ląstelėms mirtinos ribos;
3) suardžius nanodaleles būtų išleistas antivėžinis vaistas, kuris lokaliai sunaikintų vėžines ląsteles, nepažeisdamas sveikų audinių.

Lietuvos mokslininkų indėlis kovoje su vėžiu

Apžvelgus pasaulio mokslininkų paskelbtas mokslines publikacijas, atrodo, kad jau viskas padaryta, tereikia tik pritaikyti gautas žinias navikinių darinių diagnostikoje ir terapijoje. Tačiau mokslinėse publikacijoje suformuluoti tik pagrindiniai principai, patikrintos pirminės hipotezės ir iki realių nanotechnologinių vaistų sukūrimo dar ilgas papildomų mokslinių tyrimų, technologinių sprendimų paieškos ir biosuderinamumo, bionanotoksiškumo ir pašalinių gydymo efektų išsiaiškinimo kelias.

Šie rezultatai yra gauti vykdant bendrą trijų šalių – Lietuvos, Latvijos ir Taivano mokslininkų projektą, skirtą onkologinių susirgimų naujų diagnostikos ir terapijos metodų ir metodikų paieškai.

Taivano universiteto laboratorija (vad. prof. Shan-hui Hsu) sintetina magnetines nanodaleles ir jas modifikuoja – dengia biologiškai suderinamais apvalkalais. Latvijos universiteto laboratorija (vad. dr. Una Rekstinia) tiria vėžinių ir kamieninių ląstelių specifiškumus, formuoja atitinkamų ląstelių linijas. Lietuvoje Nacionalinio vėžio instituto Biomedicininės fizikos laboratorijoje (projekto vadovas prof. R. Rotomskis) vykdomi magnetinių nanodalelių sąveikos su biologiniais objektais tyrimai.

Tikimės, kad tarptautinį mokslinį projektą vykdančių Lietuvos, Latvijos ir Taivano mokslinių laboratorijų tyrimų rezultatai bus reikšmingas indėlis į viso pasaulio mokslininkų darbą, siekiant sukurti magnetines nanodaleles, vaizdinančias navikinius darinius ar selektyviai naikinančias vėžį žmogaus organizme. Pirmieji Biomedicininės fizikos laboratorijoje partnerių iš Taivano susintetintų geležies oksido nanodalelių tyrimai teikia vilčių. Kolegų susintetintos nanodalelės gerai kaupiasi navikinėse ląstelėse (1 pav. pavaizduota ląstelė, kurioje per 24 val. susikaupė minėtos nanodalelės). Atlikus ląstelių gyvybingumo tyrimus nustatyta, kad šios nanodalelės nėra toksiškos, todėl neigiamas poveikis sveikoms ląstelėms gali būti tik minimalus. Tyrimų rezultatai parodė, kad ląstelių gyvybingumas po 3–24 val. inkubacijos su nanodalelėmis artimas nepaveiktų nanodalelėmis – kontrolinių – ląstelių gyvybingumui ir net po 48 val. inkubacijos tik šiek tiek sumažėja. Laboratorijoje atlikti pirminiai tyrimai su eksperimentiniais gyvūnais – žiurkėmis parodė, kad tirtos geležies oksido nanodalelės duoda stiprų neigiamą kontrastą magnetinio rezonanso vaizduose, o tai pagrindinė sąlyga, leidžianti prognozuoti, kad jos gali būti panaudotos navikiniam dariniui identifikuoti, taip pat naviko ir sveiko audinio ribai nustatyti, naudojant magnetinio rezonanso tomografą. Pirminiai tyrimai parodė, kad magnetinės nanodalelės pačios pasišalina iš organizmo per tris savaites, tad galima išvengti ilgalaikio nepageidaujamo poveikio paciento organizmui.

Nepaisant didžiulės mokslo pažangos, onkologiniai susirgimai vis dar išlieka viena dažniausių mirties priežasčių ne tik Lietuvoje, bet ir visame pasaulyje. 2014 m. Lietuvoje kas penkta mirtis buvo sukelta vėžio. Visame pasaulyje vėžys kasmet nusineša 7,4 milijono gyvybių, tai sudaro net 13 proc. visų mirčių.

Tai skatina mokslininkus ir medikus ieškoti naujų diagnostikos ir gydymo būdų, taip pat tobulinti metodus, šiuo metu naudojamus klinikoje.