CC BY
24
© ЗАМАЙ С. С., ПРОКОПЕНКО В. С., ЛУКЬЯНЕНКО К. А., СОКОЛОВ А. Э. УДК 537.624.9
DOI: 10.20333/2500136-2021-2-79-82
Наноскальпель на основе магнитных дисков и аптамеров эффективно и адресно разрушает опухолевые ткани
С. С. Замай1, В. С. Прокопенко2, К. А. Лукьяненко1, А. Э. Соколов1
Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр» СО РАН, Красноярск 660036, Российская Федерация 2Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева, Красноярск 660049, Российская Федерация
Цель исследования. Исследовать противоопухолевую эффективность трехслойных магнитных нанодисков (Au/Ni/Au) с квазидипольной структурой, функционализированных биораспознающими опухоль молекулами.
Материал и методы. Трехслойные магнитные нанодиски (Au/Ni/Au) размером 500 нм были получены по технологиям микро- и наноэлектро-ники. Для функционализации магнитных нанодисков были использованы аптамеры к асцитным клеткам карциномы Эрлиха. Для связывания дисков с аптамерами использовали тиоловые группы. В качестве модели опухолевых клеток использовали асцитные клетки карциномы Эрлиха. Магнитомеханическое воздействие на клетки оказывали с помощью переменного магнитного поля (50 Гц, 100 Э).
Результаты. Магнитные нанодиски обладают магнитной анизотропией, что доказывает их высокую чувствительность к магнитным раздражителям. Магнитные нанодиски запускают в течение двух часов в культуре асцитных клеток процессы клеточной гибели. Предположительно магнитные нанодиски с помощью аптамеров связываются с белком клеточной мембраны филамином А - структурным компонентом цитоскелета, играющим важнуюроль в клеточной сигнализации, и при воздействии переменного магнитного поля вызывают разрушение клеточной мембраны и гибель клеток. Заключение. Микрохирургия злокачественных опухолей с помощью наноскальпеля на основе функционализированных распознающими опухолевые сайты лигандов может быть использована для удаления одиночных опухолевых клеток во время оперативного вмешательства. Ключевые слова: аптамеры, магнитные нанодиски, переменное магнитное поле, опухолевые клетки.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Для цитирования: Замай СС, Прокопенко ВС, Лукьяненко КА, Соколов А Э. Наноскальпель на основе магнитных дисков и аптамеров эффективно и адресно разрушает опухолевые ткани. Сибирское медицинское обозрение. 2021;(2):79-82. DOI: 10.20333/2500136-2021-2-79-82
Nanoscalpel based on magnetic discs and aptamers effectively and targeted destroy tumor cell
S. S. Zamay1, V. S. Prokopenko2, K. A. Lukyanenko ', A. E. Sokolov2
federal Research Center "Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", Krasnoyarsk 660036, Russian Federation
2V. P. Astafiev Krasnoyarsk State Pedagogical University, Krasnoyarsk 660049, Russian Federation
The aim of the research. To investigate the antitumor efficacy of three-layer magnetic nanodiscs (Au / Ni / Au) with a quasi-dipole structure, functionalized with biorecognizing molecules of a tumor.
Material and methods. Three-layer magnetic nanodiscs (Au / Ni / Au) 500 nm in size (were obtained by micro- and nanoelectronic technologies. Aptamers to ascites cells of Ehrlich carcinoma were used to functionalize magnetic nanodiscs. Thiol groups were used to bind disks to aptamers. As a model of tumor cells Ehrlich's ascites carcinoma cells were used, and the cells were magnetically influenced by an alternating magnetic field (50 Hz, 100 Oe). Results. Magnetic nanodiscs have magnetic anisotropy, which proves their high sensitivity to magnetic stimuli. Magnetic nanodiscs start the processes of cell death in the culture of ascites cells for two hours. Presumably, magnetic nanodiscs use aptamers to bind to the cell membrane protein filamin A, a structural component of the cytoskeleton that plays an important role in cell signaling and, when exposed to a variable magnetic, cause destruction of the cell membrane and cell death.
Conclusion. Microsurgery of malignant tumors using a nanoscalpel based on functionalized ligands that recognize tumor sites can be used to remove single tumor cells during surgery.
Key words: aptamers, magnetic nanodiscs, alternating magnetic field, tumor cells.
Conflict of interest. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest associated with the publication of this article. Citation: Zamay SS, Prokopenko VS, Lukyanenko KA, Sokolov AE. Nanoscalpel based on magnetic discs and aptamers effectively and targeted destroy tumor cell. Siberian Medical Review. 2021; (2):79-82. DOI: 10.20333/2500136-2021-2-79-82
Введение
Злокачественные новообразования до настоящего времени остаются одной из лидирующих причин смертности трудоспособного населения. Ведущими методами терапии злокачественных новообразований остаются хирургия и лучевая терапия. Основным
недостатком этих методов является их высокая инва-зивность, поскольку использование этих методов повреждает окружающие опухоль здоровые ткани, что особенно опасно при терапии глиальных опухолей головного мозга. Другим недостатком этих методов является невозможность радикального удаления всех
Замай С. С., Прокопенко В. С., Лукьяненко К. А. и др. Zamay S. S., Prokopenko V. S., Lukyanenko K. A. et al
Наноскальпель на основе магнитных дисков и аптамеров эффективно и адресно разрушает опухолевые ткани Nanoscalpel based on magnetic discs and aptamers effectively and targeted destroy tumor cell
опухолевых клеток, поскольку одиночные опухолевые клетки незаметны и впоследствии могут стать очагом формирования новой опухоли. Следовательно, для максимально радикального удаления опухоли с минимальным повреждением здоровой ткани должен быть предложен инструмент, способный находить и адресно удалять только опухолевые клетки, не повреждая при этом здоровые ткани.
Создание такого инструмента возможно только с помощью нанотехнологий, использующих нанома-териалы с уникальными электронными, оптическими и магнитными свойствами. Наноразмерный хирургический инструмент для удаления/разрушения опухоли (наноскальпель) должен включать в себя, как минимум, два компонента. Первый компонент (собственно сам наноскальпель) должен обладать способностью под влиянием внешних сил повреждать опухолевую клетку, индуцируя процессы ее гибели. Второй компонент должен выполнять функцию распознающего элемента и взаимодействовать только с опухолью, осуществляя, таким образом, контакт на-носкальпеля с опухолевой клеткой.
В последнее время наибольшей популярностью пользуются суперпарамагнитные наночастицы, которые проявляют магнитные свойства только при наложении магнитного поля. Однако эффективность таких наночастиц осуществлять деструкцию опухолевых клеток достигла своего предела [1]. Это связано, прежде всего, с тем, что величина магнитного отклика суперпарамагнитных наночастиц, необходимая для биомедицинских применений, ограничена их размерами, так как выше суперпарамагнитного предела наночастицы агрегируют. Поэтому сейчас все активнее стали применять магнитные частицы с магнитной анизотропией.
Для деструкции опухолевых клеток к настоящему времени было использовано 4 типа магнитных анти-зотропных дисков - синтетические антиферромагнитные $АБ и Р^АБ [2], вихревые Ру [3] и трехслойные системы немагнетик/ферромагнетик/немагнетик, где в качестве ферромагнитной начинки использован никель по причине его ярко выраженных магнито-стрикционных свойств в сочетании с небольшой константой кристалло-графической анизотропии [4].
Целью работы стало исследование противоопухолевой эффективности трехслойных магнитных дисков (Аи/№/Аи) с квазидипольной структурой, функ-ционализированных биораспознающими опухоль молекулами.
Материал и методы
Трехслойные магнитные нанодиски (Аи/№/Аи) размером 500 нм (рис.1) были получены по технологиям микро- и наноэлектроники, развиваемым на АО «НПП «Радиосвязь». Для получения наноскальпеля
магнитные нанодиски, отделенные от подложки ацетоном, трижды промывали фосфатным буфером путем центрифугирования в течение 15 мин при 12 тыс. об/мин и модифицировали аптамерами. Для этого праймеры с тиоловыми группами инкубировали с ДНК-аптамерами в эквимолярных концентрациях (300 нМ) в течение 18 часов при 4 °С для получения гибридов. Затем к раствору добавляли 30 мМ раствор ТрисС104-буфера (рН 8,6) в соотношении 1:3 (ТрисС104-буфер:ДНК-гибрид), смешивали с магнитными нанодисками из расчёта 106 молекул гибрида на один диск и инкубировали в течение 24 часов при температуре 4°С. После инкубации нанодиски с иммобилизованными на их поверхности аптамерами промывали в фосфатном буфере. В качестве модели опухолевых клеток использовали асцитные клетки карциномы Эрлиха.
Рисунок 1. Трехслойные магнитные нанодиски (Лы/М/Лы) с квазидипольной структурой, изготовленные методом электронной фотолитографии на АО «НПП «Радиосвязь». Сверху - магнитные нанодиски на подложке. Снизу - намагниченность дисков во внешнем магнитном поле.
Результаты и обсуждение
В работе исследовалась способность наноскаль-пеля, состоящего из магнитных нанодисков и био-распознающих молекул, осуществлять деструкцию опухолевых клеток в условиях переменного магнитного поля. Использованные для этого нанодиски обладали магнитной анизотропией (Рис. 1) и были высоко чувствительны к магнитным раздражителям, поскольку, обладая нулевой суммарной намагниченностью в отсутствие поля, в условиях слабых внешних магнитных полей приобретали высокую намагниченность [5]. Адресность наноскальпеля достигалась путем функционализации магнитных дисков биораспознающими молекулами, в качестве которых были использованы ДНК-аптамеры, представляющие собой фрагменты однонитевой РНК или ДНК, образующие трехмерные структуры при взаимодействии комплементарных участков цепи, связывающиеся,
80
Siberian Medical Review. 2021;(2):79-82
благодаря уникальной конформации, со специфическими мишенями. В качестве таких биораспознающих молекул использовали ДНК-аптамеры к асцитным клеткам карциномы Эрлиха AS9 [6], предполагаемой мишенью которых является белок филамина А - структурный компонент цитоскелета, играющий важную роль в клеточной сигнализации [7].
Результаты исследования магнитомеханической деструкции асцитных клеток с помощью трехслойных магнитных нанодисков (Au/Ni/Au), функциона-лизированных аптамерами, показали, что магнитные нанодиски запускают в культуре асцитных клеток процессы клеточной гибели очень быстро - в течение двух часов, при этом в контрольных пробах гибели асцитных клеток не наблюдается (рис. 2).
© ©
Рисунок 2. Противоопухолевый эффект магнитных дисков с квазидипольной магнитной структурой. Параметры переменного магнитного поля - 50 Гц, 150 Э. Слева - асцитные клетки, проинкубированные с магнитными дисками и помещенные на 20 мин в переменное магнитное поле. Справа - асцитные клетки без дисков в отсутствие магнитного поля (контроль).
В целом разрушение опухолевых клеток с помощью нанодисков может происходить в результате некроза или апоптоза. Некроз возникает в результате механического разрушения клеточной мембраны (магнитопорации) или разрушения всей клетки (маг-нитолиза). Для организма некроз представляет собой неблагоприятный способ деструкции опухолевых клеток, поскольку вызывает воспалительный процесс вследствие попадания лизосомальных ферментов в межклеточное пространство. Поэтому наиболее благоприятным для организма способом гибели опухолевых клеток является апоптоз, который в раковых клетках подавлен из-за онкогенных мутаций. Апоп-тоз не сопровождается воспалительным процессом, поэтому необходимо подбирать такие характеристики магнитного поля, которые стимулируют апоптоз опухолевых клеток [8]. В наших исследованиях эффект наноскальпеля был настолько велик, что приводил к разрушению клеточной мембраны, чем вызывал некротическую гибель клеток (рис. 2), что в целом
приемлемо для интраоперационного вмешательства, после которого ткань отмывается от разрушенных клеток и магнитных нанодисков.
Таким образом, можно заключить, что микрохирургия злокачественных опухолей с помощью наноскальпеля на основе функционализированных распознающими опухолевые сайты лигандов может быть использована для удаления одиночных опухолевых клеток во время оперативного вмешательства.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-0200696 «Ферромагнитные наноструктуры (плёночные нанопятна, нанолинии, нанотрубки) и их ансамбли».
Литература / References
1. Vergés M, Costo R, Roca AG, Marco JP, Goya GF, Serna CJ, Morales MP. Uniform and water stable magnetite nanoparticles with diameters around the monodomain-multidomain limit. Journal of Physics D: Applied Physics. 2008;(41):134003.
2. Goiriena-Goikoetxea M, Munoz D, Orue I, Fernan-dez-Gubieda ML, Bokor J, Muela A, Garcia-Arribas A. Disk-shape magnetic particles for cancer therapy. Applied Physics Reviews. 2020;(7):011306.
3. Kim D-H, Rozhkova EA, Ulasov I, Novosad V. Biofunctionalized magnetic-vortex microdiscs for targeted cancer-cell destruction. Nature Materials. 2010;(9): 165-171.
4. Kim PD, Zamay SS, Zamay TN, Prokopenko VS, Kolovskaya OS, Zamay GS, Princ VY, Seleznev VA, Komov AI, Spivak EA, Rudenko RY, Dybinina AV, Koma-rov AV, Denisenko VV, Komarova MA, Sokolov AE, Nar-odov AA, Zjivaev VP, Zamay AS. The antitumor effect of magnetic nanodiscs and DNA aptamer conjugates. Dokla-dy Biochemistry and Biophysics. 2015;466(5):616-619.
5. Stolberg S, McCloskey KE. Can shear stress direct stem cell fate? Biotechnology Progress. 2009;25(1):10-19.
6. Kolovskaya OS, Zamay TN, Zamay AS, Glazyrin YE, Spivak EA, Zubkova OA, Kadkina AV, Erkaev EN, Zamay GS, Savitskaya AG, Trufanova LV, Petrova LL, Berezovski MV. DNA-aptamer/protein interaction as a cause of apop-tosis and arrest of proliferation in Ehrlich ascites adeno-carcinoma cells. Biochemistry (Moscow) Supplement Series A: Membrane and Cell Biology. 2014;8(1):60-72.
7. Xi J, Yue J, Lu H, Campbell N, Yang Q, Lan S, Haffty BG, Yuan C, Shen Z. Inhibition of filamin A reduces cancer metastatic potential. International Journal of Biological Sciences. 2013; 9(1):67-77.
8. Leulmi S, Chauchet X, Morcrette M, Ortiz G, Joisten H, Sabon P, Livache T, Hou Y, Carrière M, Lequie-na S, Dieny B. Triggering the apoptosis of targeted human renal cancer cells by the vibration of anisotropic magnetic particles attached to the cell membrane. Nanoscale. 2015;(7):15904-15914.
Замай С. С., Прокопенко В. С., Лукьяненко К. А. и др. Zamay S. S., Prokopenko V. S., Lukyanenko K. A. et al.
Наноскальпель на основе магнитных дисков и аптамеров эффективно и адресно разрушает опухолевые ткани Nanoscalpel based on magnetic discs and aptamers effectively and targeted destroy tumor cell
Сведения об авторах
Замай Сергей Сергеевич, старший научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр» СО РАН; адрес: Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, стр. 50; тел.: +7(391)2201893; e-mail: [email protected]
Прокопенко Владимир Семёнович, доцент, Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева; адрес: Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, ул. Ады Лебедевой, 89; тел.: +7(391)2171777; e-mail: [email protected]
Лукьяненко Кирилл Андреевич, научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр» СО РАН; адрес: Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, стр.50; тел.: +7(391)2201893; e-mail: [email protected]
Соколов Алексей Эдуардович, старший научный сотрудник, адрес: Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр» СО РАН; адрес: Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, стр.50; тел.: +7(391)2201893; e-mail: [email protected]
Author information
Sergey S. Zamay, Senior Researcher, Federal Research Center "Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences"; Address: 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, Russian Federation 660036; Phone: +7(391)2201893; e-mail: [email protected]
Vladimir S. Prokopenko, professor, V.P. Astafiev Krasnoyarsk State Pedagogical University; Address: 89, A. Lebedeva Str., Krasnoyarsk Russian Federation 660049; Phone. +7(391)2171777; e-mail [email protected]
Kirill A. Lukyanenko, Researcher, Federal Research Center "Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences"; Address: 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, Russian Federation 660036; Phone: +7(391)2201893; e-mail: k.a.lukyanenko@ yandex.ru
Aleksey E. Sokolov, Senior Researcher, Federal Research Center "Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences"; Address: 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, Russian Federation 660036; Phone: +7(391)2201893; e-mail: [email protected]
Дата поступления: 17.02.2021 Дата рецензирования: 18.03.2021 Принята к печати: 31.03.2021 Received 17 February 2021 Revision Received 18 March 2021 Accepted 31 March 2021
82
Siberian Medical Review. 2O21;(2):79-82
