Магнитоуправляемые биологические препараты для диагностики и терапии онкологических заболеваний

МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЕ  БИОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРЕПАРАТЫ  ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ  И  ТЕРАПИИ  ОНКОЛОГИЧЕСКИХ  ЗАБОЛЕВАНИЙ

 

Брусенцов Н. А.,  Комиссарова Л. Х., Байбуртский Ф. С.

 

Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН,

Москва, 119991, ул. Косыгина, д. 4, телефон:936 – 17 – 45, Email: Bayburt@mail.ru

 

За последние десятилетия стал быстро развиваться метод иммуномагнитной сепарации субкле­точных структур и клеток, основанный на использовании моно­клональных антител, фиксирован­ных на поверхности магнитоуправляемых мик­росфер. Для определения способов получения маг­нитоуправляемых материалов, используемых в диагностике, при транспланта­ции костного мозга и стволовых кроветворных клеток, авторами был проведен обзор науч­ных публикаций [1 – 4].

Поверхность микросфер, которая была сформирована из полистирола, поли­глутарового альде­гида, полиакролеина, обеспечивала возможность адсорбции и химического связывания монокло­нальных антител. Образующиеся при этом конъюгаты специфично связывались с объектами-ми­шенями, и направленно пе­ремещались в магнитном поле, увлекая мишени за собой в соответствие с увели­чением градиента постоянного магнитного поля. Этим способом из биологиче­ских жидко­стей были выделены протеины, нуклеиновые кислоты, хромосомы, клетки и микроорганизмы. Методы получения магнитных микросфер и иммуно­магнитных сорбентов были  разработаны фирмой Dynal (Oslo, Norway). Магнит­ные сорбенты Dynabeads M-270, покрытые специфическими антителами к опухо­левым клеткам крови и костного мозга, были успешно использованы при диаг­но­стике и лечении онкологических заболеваний. Чувствительность метода состав­ляла 1 опухоле­вую клетку на 1 мл крови. Магнитные микро­сферы, полученные на основе поливинилового спирта, были применены при разделении нук­леиновых кислот [1].

При сепарации клеток были использованы высокоградиентные магнитные поля. Были рассмот­рены различные типы магнитных материалов для изготовле­ния постоянных магни­тов, используе­мых в устройствах при магнитной сепарации клеток. Были приведены методы их испытаний и фи­зические характеристики. Примером успешного использования магнит­ных систем при выделении стволо­вых клеток может служить квадрупольный магнитный вы­сокопроизводительный (10 7 кле­ток/сек) проточный сепаратор. Прилипание иммуномагнит­ных частиц, специфичных к антиген­ным и цитокиновым рецепторам на опухолевых клетках определяли магнитофорезом. Не менее 200 молекул рецептора, фактора некроза опухолей на опухолевую клетку, определяли с помощью частиц, покрытых стреп­тавидином, которые конъюгировали с предварительно биотинилирован­ными фак­торами некроза опухолей в каче­стве лигандов.

В зависимости от уровня токсичности магнитные микросферы и магнитные сорбенты приме­няли следующим образом:

1.      оставляли на клетках декстранферрит и конъюгаты декстранферрита с лиган­дами, магне­тито-декстран и конъюгаты магнетито-декстрана с антителами; магнитные микросферы они обла­дали низкой токсичностью и  полностью ме­таболизировались в организме мле­копитающих.

2.      отщепляли от клеток ферментами или релизинг пептидом; магнитные микро­сферы (поли­сти­роловые магнитные сорбенты) не метаболизировались в орга­низме, они обладают вы­сокой токсичностью.

Все магнитные сорбенты, полученные на основе синтетических полимерных магнитных микро­сфер (диаметр от 0,1 до 6 мкм) с инкапсулированными в них ферро- или ферримагне­тиками, были токсичны, поскольку они не метаболизиро­вались в организме больного и вы­зывали тромбоз. По­этому после выделения ком­плекса «клетка – магнитный  сорбент» необ­ходимо было отщеплять магнитные сорбенты от клетки действием ферментов, но при этой манипуляции могли изме­няться поверхности клеточных мембран. Значительно избиратель­нее и мягче дей­ствуют релизинг пеп­тиды, но при вытеснении клеток из комплексов «клетка – магнитный сорбент» релизинг пепти­дами, для каждого нового комплекса было необходи­мым использовать специфичный релизинг пептид.

Созданию нетоксичных магнитоуправляемых микросфер, нетоксичных имму­номагнитных сор­бентов, разработке и применению методов иммуномагнитной сепарации антигенов, ис­пользуемых при трансплантации стволовых кроветвор­ных клеток, были посвящены перечис­ленные научные публикации [2, 3].

Не было необходимости отщеплять нетоксичный иммуномагнитный сорбент в комплексе «не­токсичный магнитный сорбент – клетка», поскольку он, как пра­вило, не нарушал её функциональ­ных свойств. Это открытие позволило заменить токсичные магнитные сор­бенты, которые необхо­димо отщеплять от клеток, на не­токсичные магнитные сорбенты, не требующие этого отщепления.

Учитывая важность нетоксичных магнитных сорбентов в сепарации клеток ко­стного мозга, мы привели один из способов их синтеза и методы получения ис­ходных веществ, не­обходимых для этого. Нетоксичные магнитные сорбенты по­лучали на основе магнетита, дек­страна и специфич­ных антител:

1.      Поверхность кристаллов магнетита, активированную ионами Cl -, покрывают декстра­ном, по­лучают магнитные микросферы декстранферрита;

2.      Магнитные микросферы декстранферрита обрабатывают по общей схеме: по­верхность маг­нитных микросфер декстранферрита окисляли действием перио­дата калия (КIO4) или перио­дата натрия (NaIO4); таким образом получали маг­нитные микросферы полиальде­гиддекстран­феррита; их инкубировали с моно­клональными антителами и получали конъюгаты, представ­ляющие собой не­токсичные иммуномагнитные сорбенты.

 

 Химическая схема синтеза нетоксичных магнитных сорбентов

 на основе декстранферрита и моноклональных антител:

 

                                                                                                         + KIO4

(g-Fe2O3) r-m (Fe2O3FeO) m (C6H9O5) f (C6H10O5) q-f    -----®

 

                                                                                                    + H2N-R

(g-Fe2O3) r-m (Fe2O3FeO) m (C6H9O5) f (C6H10O5) q-f-j (C4H4O4) j    -----®  

 

 

(g-Fe2O3) r-m (Fe2O3FeO) m (C6H9O5) f (C6H10O5) q-f-j (C4H6O4N-R) j

 

                    r   – число молекул оксида железа в кристаллическом ядре феррита;

                    m – число остатков молекул оксида железа, связанных с ионами хлора

                           или остатками глюкозы;

                    q  – число остатков глюкозы в молекулах декстрана;

                    f  – число остатков глюкозы, связанных c оксидом железа;

                    j   – число остатков глюкозы, связанных c иммуноглобулином;

                    R  – иммуноглобулин.

 

Окисление декстранферрита периодатом натрия проводили при +20oС 30 ми­нут. Иммуно­маг­нитный сорбент, который был получен на основе магнитных мик­росфер полиальдегид­декстран­феррита и моноклональных антител, являлся конъ­югатом, который имеет диаметр кристалличе­ского ядра 10 нм, диаметр мицеллы до 300 нм, число частиц до 1,5 . 109 / г, удельную намагничен­ность насыщения 3 – 12  А×м2/кг; в применяемых дозах он был неток­сичен, поскольку полностью мета­болизировался в организме млекопитающих. После выде­ления в неоднород­ном постоянном магнитном поле комплекса «полиальдегиддекстранфер­рита – моно­клональные антитела – клетка» не было  необходимости отщеплять от клетки конъюгат «полиальдегиддекстранферрит – моно­клональные тела», поскольку он был неток­сичен в применяемых дозах. Электрокинетический по­тенциал декст­ранферрита составил  +15 мВ при рН 6,6; ЛД50 декстранферрита 5 г/кг при внутри­венном введении мышам. При внут­ривенном и внутрибрюшинном введении мы­шам в естествен­ных условиях декстранферрит накапливался в печени и в селе­зенке. При внутриартериальном  ре­гионаром введении соба­кам в неоднородном постоянном магнитном поле декстранферрит концен­трировался в мес­тах с макси­мальным градиентом постоянного магнитного поля и индукционно нагревался от +43 до 46oС в переменном магнитном поле на частотах от 50 до 1000 кГц.

Для получения иммуномагнитных сорбентов были необходимы магнитные микросферы и мо­ноклональные антитела. Разработанная в 70-х годах гибридом­ная технология и сегодня была ис­пользована в качестве основного способа полу­чения моноклональных антител. Про­цесс получения чистых линий «антитело – продуцирующих клеток» помимо генно-инженер­ных манипуляций включал: се­парацию клеток, скрининг и клонирование образовавшихся гибридом. Перечис­ленные процедуры были трудоемки. Один из возможных вариантов мо­дерниза­ции, позволяющий значи­тельно сократить время и повысить количество получае­мых гибридомных клеток, состоял в ис­пользовании иммуномагнитной сепарации желаемых кло­нов. Супернатанты всех образующихся колоний тестировали мето­дом твердофазного имму­ноферментного анализа (ELISA) для выявления проду­центов анти-hCG-антител. Химически связывая полученный hCG-антиген с маг­нитными микросферами Dynabeads M450 (Dynal, Norway) получали иммуномаг­нитный сорбент – анти-hCG-M450 и с помощью иммуномаг­нитной сепарации вы­деляли позитивные колонии. Антигено-спе­цифические гибридомы от­деляли от несекретирующих клеток с помощью SmCo магнита. Клетки положительной фракции, связанные с частицами сорбента,  повторно растворяли в среде и рассе­вали по 96-луночным планшетам. Стадия получения культур клеток-продуцентов следовала непо­сред­ственно за иммуномагнитной сепарацией, минуя стадию от­щепления сорбента, которая обычно представляла затруднение при положитель­ной иммуномагнитной сепарации. Гибри­домы, изолированные этим способом, секретировали высоко аффинные (много больше 1 . 10 9 моль – 1 ) моноклональные анти­тела одного изотипа [4].

В настоящее время биомагнитные сорбенты успешно применяются для иммуно­магнитной се­парции клеток. В ГУ РОН им. Н. Н. Блохина РАМН и ИБХФ им. Н. М. Эмануэля РАН про­водятся работы по созданию магнитных микроносителей на ос­нове кремнесодержащих по­листироловых и декстранферритовых матриц. Разра­ботаны методы синтеза микросфер раз­личной дисперсности, испытаны разные способы активации поверхности частиц, позволяю­щие конъюгировать их с мо­но­клональными телами. Применение клеточной сортировки для восстановительной транспланто­логии после курсов массированной  химио- и лучевой тера­пии позво­ляет значительно снизить ге­матотоксические осложнения консервативного лече­ния онкологических больных и сократить сроки их реабилитации. Сочетание по­зитивной и нега­тивной сортировки позволяет получать го­могенные препараты минорных субпопуляций кле­ток для биотерапии (дендритные клетки для создания вакцин). Актуальной задачей позитив­ной сортировки остаётся проблема обеспе­чения контролируемой деструкции комплекса «микрочастица – клетка», по­скольку после извлечения клетка, предназначенная для ауто­трансплантации, должна оставаться функционально репродук­тивно-активной и не содержать на поверхности биологически активных или инертных частиц. Выходом в данной ситуации может быть использование в качестве матрицы иммуносорбента био­де­структируемых декст­ранферритовых наночастиц. Возможно и  применение в ка­честве лигандов (связывателей) между активным лигандом и матрицей молекул, которые не повреждают жизнен­ную способ­ность клетки.

Работа проводилась при финансировании грантов РФФИ № 02 – 01 – 00694 и Мо­сковского пра­вительства № 113 / 03 – ГП – М.

 

 

Список литературы:

 

1.      Брусенцов Н. А., Бурова О. С., Барышников А. Ю., Брусенцова Т. Н., Мошечков Н. Г., Махлин Р. С.: Применение биомагнитных носителей в медицине. Сборник докладов. 2002, Мо­сква, ИБХФ им. Н. М. Эмануэля РАН, С. 60 – 67.

2.      Филиппов В. И., Иванов П. К., Блохин Д. Ю., Курбатова Е. С., Ершов О. Л., Жигалин Г. Я., Богословская Е. В., Шипулин Г. А.: X Международ­ная Плёсская конференция по магнитным жидкостям. Сборник научных тру­дов. 2002, Иваново – Плёс, С. 305 – 307.

3.      Хрусталёва И. П., Московцев А. А., Иванов П. К., Блохин Д. Ю., Ешов О. Л., Филиппов В. И.,  Жигалин Г. Я., Мошечков Н. Г., Махлин Р. С.: X Международная Плёсская конфе­ренция по магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. 2002, Иваново – Плёс, С. 313 – 317.

4.        Голенкина Е. А., Московцев А. А., Иванов П. К., Блохин Д. Ю., Ершов О. Л., Филиппов В. И., Барышников А. Ю., Мошечков Н. Г., Махлин Р. С.: X Международная Плёсская конферен­ция по магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. 2002, Иваново – Плёс, С. 343 – 346.