Перcпективи діагностики та лікування онкологічних захворювань голови та шиї

Онкологічні захворювання є однією із головних причин смертності населення. У результаті дії патогенних хімічних та фізичних факторів будь-яка клітина організму може перетворитись на злоякісну. У місці скупчення таких клітин, які швидко розмножуються, виникає пухлина, що згодом дає метастази в усі органи та системи організму. Онкологічні захворювання часто спричиняють значний косметичний дефект, психологічний та соціальний дискомфорт для хворого. Пухлини і пухлиноподібні утворення, особливо голови та шиї, дуже складні в діагностиці, можуть рецидивувати та набувати надзвичайно злоякісного перебігу, часто мають схожу клінічну картину, однак вимагають різного хірургічного підходу та ступеня радикалізму видалення. Недостатні знання етіології виникнення пухлинних захворювань обмежує можливості лікування цих захворюваннь. Основним методом лікування хворих на онкологічні процеси є оперативне видалення пухлини в поєднанні з імуно-, променевою та хіміотерапією. Одночасно з впливом на чутливі до цих методів ракові клітини, відбувається негативна дія опромінення та хіміотерапії на здорові клітини організму. Саме тому вченими ведуться дослідження з вивчення адресної доставки лікарських препаратів безпосередньо до ракових клітин без впливу на здорові [1].

Важливим для клінічної онкології є метод візуалізації онкологічного процесу на молекулярному та клітинному рівнях, переміщення лікарських засобів по людському організму до ракової клітини. Спостереження за раковими клітинами та переміщенням медикаментів дозволяє визначити як розподіляються та засвоюються в організмі введені препарати. З цією метою використовують різні барвники - маркери, які змішуються з досліджуваними речовинами. Проте цей метод не досконалий у зв'язку із можливою токсичністю барвників та невисокою точністю дослідження. З використанням нанобіотехнологій розроблені більш точні методи діагностики за допомогою квантових міток, фулеренів, ліпосомів, нанотрубок, дендримерів та ін. Наномедицина вивчає ці можливості, молекулярні інструменти для вивчення архітектури клітин та біохімічних процесів, які в ній виникають [2, 26].

Біомолекулярні сенсори, які мають властивість одночасного виявлення великої кількості молекул різних рівнів, розроблені з метою діагностики злоякісних пухлин, прогнозу розвитку захворювання і моніторингу ефективності терапії. Найбільш перспективні засоби - наноструктурні сенсори: наноконсолі та наноконсольні матриці. Це веретеноподібні (або трампліноподібні) системи з фіксованими антитілами. Протеїни-біомаркери, зв'язуючись з цими антитілами, викликають конформацію наноконсолей. Відхилення реєструються з використанням лазерних технологій або електронного обладнання за зміною резонансних частот [5, 23].Наночастинки, які планують застосовувати в якості лікарських засобів та їх носіїв (полімерні, неорганічні наночастинки, ліпосоми та інші), будуть відігравати важливу роль своїми унікальними фізико-хімічними, біологічними, фармацевтичними та фізичними якостями, завдяки своїй розмірності. Лікарські препарати можуть бути інкапсульовані в наночастинки або виготовлені у вигляді наночастинок. Їх поверхня, можливо, буде модифікувати покриття для забезпечення покращення їх характеристик (біосумісність, направленість, здатність розпізнавання форми та участь у біологічному взаємозв'язку) [9, 14].

Корпорація Intel створила в Онкологічному центрі імені Фреда Хатчінсона в Сіетлі (США, Штат Вашингтон) установку Intel Raman Bioanalyzer System, що дозволяє отримувати зображення, які відображають хімічну структуру молекул, опромінюючи лазером найменші медичні біооб'єкти, наприклад, зразки сироватки крові. Під впливом променя лазеру молекули досліджуваної речовини випромінюють світло, спектр якого реєструють датчики спектрометра. Кожна речовина має свій конкретний спектр, що залежить від її хімічної структури, тому медики Онкологічного центру сподіваються, що ця установка буде найбільш чутливим пристроєм такого роду у свт і допоможе виявляти в крові людини білки, що відповідають за схильність до різних захворювань, в тому числі і злоякісних [18].

Перебуваючи в стані наночастинок, лікарські засоби мають переваги: ліки захищені від деструкції під час їх переносу до місця призначення, наночастинки активно або пасивно накопичуються в органі-мішені та вивільняють потрібну дозу препарату в потрібний час, можливе використання наночастинок в якості контрастних агентів діагностичних систем тощо. Збільшення співвідношення площі поверхні препаратів до об'єму при зменшенні їх розмірів призведе до збільшення їх терапевтичної активності, що відкриє більш широкий спектр терапевтичних методик та зменшить його токсичну дію на організм людини [9, 13, 25].

Відкриття нових мішеней для лікарських засобів всередині ракової клітини підвищить ефективність таких терапевтичних дій, як доставка ДНК для генної терапії та доставка терапевтичних препаратів до ракових клітин. Колективом дослідників на чолі з О. Соболевим (Росія) було встановлено, що якщо в клітинну тканину вести розчини протипухлинних речовин, то наночастинки цих речовин накопичуються та збераються у агрегати на клітинних структурах тканини. Самі наночастинки майже не мають негативного впливу на функціонування клітин, але роблять їх чутливими до дії зовнішнього акустичного поля - це, так звані, лабілізатори до ультразвуку (ультразвук). Це дозволило винайти речовини, наночастинки яких можуть накопичуватись у ракових клітинах набагато більше, ніж в здорових тканинах. Таким чином, при дії 10 хвилин ультразвуку на пухлинні тканини, об'єм пухлини зменшується на 80% протягом тижня [3].

Квантові мітки - це напівпровідникові нанорозмірні кристали, які мають унікальні фізичні та хімічні властивост, не притаманні для тих самих речовин більшої розмірності. Оскільки квантові мітки покриті біосумісними шарами, живі клітини не розпізнають їх як чужорідні або токсичні. Розроблені флюоресцентні квантові мітки різного кольору, які дають набагато більший відблиск світла, ніж інші барвники, та володіють особливим біоінертним покриттям. Квантові мітки можливо приєднати до біомолекул ДНК, білків (у тому числі імуноглобулінів) та пептидів, що дозволяє ефективно отримувати багатокольорові зображення біологічних об'єктів [7, 11, 13]. Фулерени - це одна з кількох алотропних модифікацій карбону. Враховуючи малий розмір фулеренів (1 нм) та можливість приєднання до них молекул медикаментозних засобів, їх застосування відкриває нові можливості для розробки протипухлинних засобів нового покоління [4, 24].

Дендримери - це макромолекули, що мають контрольовану тривимірну структуру, яка оточує центральне ядро. Їх можна синтезувати в розмірному діапазоні від 5 до 20 нм. Завдяки можливості серії полімерних реакцій, дендримери мають здатність до росту. Найбільш поширеною дендримерною сполукою є поліамідоамін (РАМАМ).До поверхні ракових клітин добре адгезують молекули фолієвої кислоти, які виконують роль своєрідних квантових міток, тому для адресного транспорту дендримерів до ракових клітин до їх зовнішньої оболонки доцільно включати фолі-єву кислоту. Таким чином, при комбінації дендримерів з квантовими мітками стане можливою не тільки діагностика, але й адресна доставка лікарського препарату до ракової клітини [10, 27, 28].

Дослідження властивостей ліпосом вказують на те, що вони є одними із найкращих носіїв лікарських засобів, у тому числі протипухлинних. Ліпосоми можуть збільшувати проникність мембран - викликати утворення додаткових каналів; можуть адсорбуватись та поглинатись клітинною мембраною, і, таким чином, речовина, яку переносить на собі ліпосома, легко потрапляє всередину клітини [6, 7, 15, 22].Наночастинки, які доставляються молекулою-транспортером, повинні бути захищені від деструкції під час їх переносу до місця призначення, активно або пасивно накопичуватися в органі-мішені та вивільняти потрібну дозу препарату в потрібний час, що відкриє більш широкий спектр терапевтичних методик та зменшить токсичну дію на організм людини [2, 21].Oyelere et al. кон'югували нанострижні золота з, так званим, NLS-пептидом (Nuclear Localization Signal Peptide), здатним специфічно зв'язуватися із ядерними структурами. В отриманих зображеннях ядер здорових та ракових клітин (плоскоклітинний рак) відмічені відмінності у раманівському спектрі наночастинок заліза у них. Автори вважають, що такі дослідження допоможуть у діа-гностиці ракових захворювань [19].

Guigas et al. вивчали еластичні властивості цитоплазми та нуклеоплазми за допомогою сферичних НЧ золота, мічених флюоресцентним декстрином і введених безпосоередньо в клітину. Як відомо, дифузія речовин у цито- та нуклеоплазмі утруднена через просторові перешкоди, спричинені наявністю розчинених у них високомолекулярних сполук. За допомогою флюоресцентної спектроскопії визначали рух наночастинок заліза та оксиду заліза і виявили, що просторові перешкоди у цитоплазмі сильніші, ніж у нуклеоплазмі, й у здорових клітин вони менші, ніж у ракових. Такі дослідження є важливими й для розуміння кінетики лікарських засобів на рівні клітини [16].

Фотодинамічна терапія (ФДТ) злоякісних пухлин основана на концепції того, що звичайні терапевтичні молекули - це світлочутливі лікарські засоби, так звані фотосенситезатори (ФС), які можуть локалізуватися у пухлинних тканинах і під впливом світла певного спектру генерувати реактивний кисень. Ефективне застосування ФС зумовлене їх селективним накопиченням у необхідному місці (наприклад, у пухлині), обмеженням фотоіррадіації та послідуючого фотодинамічного ефекту в специфічній ділянці, не спричинюючи при цьому токсичного ефекту на здорові клітини. Ці колоїдні переносники препаратів мають ряд переваг: стабільність у водному середовищі, можливість проникнення у більш глибокі шари тканин організму і перешкоджання безпосередньому контакту молекул лікарських засобів з нормальними тканинами, властивість біокон'югації, що збільшує біодоступність лікарських засобів, довго циркулюють у кровоносному руслі, так як не захоплюються клітинами ретикулоендотеліальної системи та макрофагами та ін. Для неінвазивної діагностики ракових захворювань використовують також оптичні технології візуалізації на основі розсіяння світла, наприклад оптична когерентна томографія (оptical coherence tomography). У міру прогресування раку оптичні властивості тканини змінюються, що дозволяє лікарям зафіксувати різницю між здоровими і злоякісними тканинами завдяки наноскоринам, які мають контрольовані оптичні властивості, їх можна підлаштовувати, щоб вони поглинали або розсіювали світло практично у всьому діапазоні видимої частини електромагнітного випромінювання. Ці методи візуалізації можна застосовувати поряд з іншими наноматеріалами, які володіють оптичними властивостями, флюоресценцією інфрачервоного діапазону [12, 17].

Подальші розробки в галузі нанотехнологій розширять діагностичні можливості квантових міток, фулеренів, дендримерів, ліпосом, дозволять їм здійснювати точну адресну доставку лікарських засобів, що покращить своєчасну діагностику та лікування онкологічних захворювань.

ЛІТЕРАТУРА

1. Маланчук В А. Доброкачественные опухоли и опухолоподобные поражения челюстно-лицевой области и шеи / Маланчук В.А., Копчак А.В. // Киев, 2008. - 271 с: ил.
2. Маланчук В.О. Естетична медицина в аспекті застосування високих технологій / Маланчук В.О., Чекман І.С., Степаненко В.І., Рибачук А.В. // Український медичний часопис - 2010. - №6 (80). - С. 115-123
3. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое - в малом / Рыбалкина М. // 2005. - 436 с.
4. Чекман И.С. Нанотехнологии и наноматериалы: приминение в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии / Чекман И.С, Маланчук В.А., Гордейчук М.А. // Український медичний часопис. - 2009. - №6. - С. 95-97.
5. Arias Jose L. Magnetoresponsive Squalenoyl Gemcitabine Composite Nanoparticles for Cancer Active Targeting / Arias Jose L., Harivardhan Reddy, Patrick Couvreur // Langmuir. - 2008. - Vol. 24. - P. 7512-7519.
6. Banciu M. Schiffelers Liposomal glucocorticoids as tumor-targeted anti-angiogenic nanomedicine in B16 melanoma-bearing mice / Banciu Manuela, Josbert M. Metselaara, Raymond M. Schiffelers // Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology. - 2008. - Vol.1. - Р. 24-34.
7. Castel D. Microarrays in drug discovery / Castel D., Pitaval A., Debily M. et al. // Drug discovery today. - 2006. - Vol.11, Iss.13/14. - P. 616-622.
8. Castor T.P. Methods and apparatus for making liposomes containing hydrophobic drugs / Castor T.P., Chu L. // US5776486. USA, 1998. - 145 p.
9. Cuenca A.G. Emerging implications of nanotechnology on cancer diagnosnics and therapeutics / Cuenca A.G. // Cancer. - 2006. - Vol.10, N 7. - P. 459-466.
10. D'Emanuele A. Dendrimer-drug interactions / D'Emanuele Antony, David Attwood // Advanced Drug Delivery Reviews. - 2005. - Vol.57. - P.2147-2162.
11. Derfus A.M. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots / Derfus A.M. // Nano lett. - 2004. - Vol.4. - P. 11-18.
12. Dougherty T.J. Photodynamic Therapy of Cancer / Dougherty T.J. // Photochem. Photobiol. - 1987. - Vol.45. - P. 879.
13. Ernest S. Nanotechnology, nanomedicine, and the development of new, effective therapies for cancer / Ernest S., Kawasaki A. // Nanomedicine: Nanotechnologe, Biology and Medicine. - 2005. - Vol. 1, N 2. - P. 101-109.
14. Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenge / Ferrari M. // Nature Publishing Group. - 2005. - Vol.5, N 3. - P. 160-168.
15. Gabizon А. Stealth liposomes and tumor targeting: one step further in the quest for the magic bullet / Gabizon А. // Clin. Cancer Res. - 2001. Vol.7, Iss.2. - P.223-225.
16. Guigas G. Probing the nanoscale viscoelasticity of intracellular fluids in living cells / Guigas G., Kalla C, Weiss M. // Biophys J. - 2007. - Vol.9, Iss.1. - P. 316-323.
17. Hasan T. Photodynamic Therapy of cancer / Hasan T., Moor A. // In Cancer Medicine. - 2000. - Vol.57, N 4. - P. 500-506.
18. Kobayashi H. Lymphatic drainage imagine of breast cancer in mice using a nano-size contrast agent / Kobayashi H. // J Natl. Cancer. Institute. - 2004. - Vol. 96. - P. 703-708.
19. Oyelere A.K. Peptide-conjugated gold nanorods for nuclear targeting / Oyelere A.K., Chen P.C., Huang X. et al. // Bioconjug Chem. - 2007. - Vol.18, Iss.5. -P. 1490-1497.
20. Pasquali I. Are pharmaceutics really going supercritical? / Pasquali Irene, Ruggero Bettini // International Journal of Pharmaceutics. - 2008. - Vol. 364. - P. 176-187.
21. Pavon MA. Ku70 predicts response and primary tumor recurrence after therapy in locally advanced head and neck cancer / Pavon Miguel Angel, Matilde Parreno, Xavier Leon et al. // Int. J. Cancer. - 2008. - Vol. 123. - P. 1068-1079.
22. Relini A. The two-fold aspect of the interplay of amyloidogenic proteins with lipid membranes / Rebora A., Drago F. // Chemistry and Physics of Lipids. - 2009. -Vol.158. - P. 1-9.
23. Rosi N.L. Nanostructures in biodiagnostics / Rosi N.L., Mircin C.A. // Chem. Rev. - 2005. - Vol.10, N 5. - P. 1547-1562.
24. Santos S.G. Adsorption of Ascorbic Acid on the C60 Fullerene / Santos S. G., Santana J. V., Maia F. F. et al. // J. Phys. Chem. B. - 2008. - Vol.112. - P. 14267-14272.
25. Sinha R. Nanotechnology in cancer therapeutics: bioconjugated nanoparticles for drug delivery / Sinha Rajni // Mol. Cancer. Ther. - 2006. - Vol.5, N 8. - P. 1909-1916.
26. Sotiriou C. Gene-expression signatures in breast cancer / Sotiriou C, Pusztai L. // The new England journal of medicine. - 2009. - Vol.360 - P.790-800.
27. Umesh Gupta. Dendrimers: Novel Polymeric Nanoarchitectures for Solubility Enhancement / Umesh Gupta, Hrushikesh Bharat Agashe, Abhay Asthana et al. // Biomacromolecules. - 2006. - Vol.7. - P. 649-658.
28. Yiyun Cheng. New Insights into the Interactions between Dendrimers and Surfactants: 2. Design of New Drug Formulations Based on Dendrimer-Surfactant Aggregates / Yiyun Cheng, Qinglin Wu, Yiwen Li et al. // J. Phys. Chem. B. -2009. - Vol.113. - P. 8339-8346.