CC BY
53
Оценка цитотоксичности и накопления в опухоли золотосодержащих соединений на основе гиалуроновой кислоты
Корякин С.Н.1, Ульяненко С.Е.1, Исаева Е.В.1, Бекетов Е.Е.1,2, Ядровская В.А.1, Успенский С.А.3,4, Селянин М.А.3
1 МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России, Обнинск;
2 ФГБУ ГНЦ ИФВЭ, Протвино;
3 Международный научно-исследовательский центр инновационных технологий «МАРТИНЕКС», Москва;
4 ФГБУН Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН, Москва
Одним из приёмов повышения эффективности лучевой терапии является использование бинарных методов лучевого воздействия, в том числе фотон-захватной терапии (ФЗТ). При всех её преимуществах (эффективное подавление радиорезистентных опухолей, щадящее воздействие на окружающие ткани) развитие метода во многом определяется наличием препаратов, отвечающих требованиям ФЗТ (высокая туморотропность и отсутствие цитотоксичности). К перспективным соединениям для ФЗТ относят препараты на основе золота и гиалуроновой кислоты. Целью настоящего исследования явилось определение возможности использования в задачах ФЗТ двух золотосодержащих соединений на основе гиалуроновой кислоты и меланина, содержащих разные концентрации элемента. Исследования проведены in vivo на мышах-самцах линии F1 (CBAxC57Bl/6) с меланомой В-16 и in vitro на культуре клеток меланомы В-16. Золотосодержащее соединение заданной концентрации (1,5 или 2,2 мг золота в 0,1 мл раствора) однократно вводили в опухоль через 12 сут после перевивки. В модельных опытах на животных-опухоленосителях определяли накопление и выведение золота из опухоли в течение 3 ч после введения. Установлено, что через 0,5 ч после введения накопление золота в опухоли составляло около 17% от введенного количества, что дает основание считать этот период наиболее благоприятным для реализации фотон-захватной терапии. В опытах in vitro на клетках меланомы В-16 было определено, что концентрации золота 62,5 и 125 мкг на 1 мл питательной среды не вызывают существенного торможения пролиферации клеток, что должно приниматься во внимание при выборе концентрации золотосодержащего соединения для введения в опухоль. Сделано заключение о перспективности дальнейшего изучения этих соединений золота с гиалуроновой кислотой и меланином в целях повышения эффективности фотон-захватной терапии.
Ключевые слова: лучевая терапия, таргетная терапия, фотон-захватная терапия, ме-ланома В-16, гиалуроновая кислота, меланин, золотосодержащие комплексы, нанокомпо-зиты, наночастицы, фармакокинетика.
Введение
Одним из приёмов повышения эффективности лучевой терапии злокачественных новообразований является использование бинарных методов лучевого воздействия [1-3], к которым относится фотон-захватная терапия (ФЗТ) [4, 5]. За счёт введения в опухоль специальных препаратов, содержащих металлы с порядковым номером (2) по таблице Менделеева >53 (I, С^ Аи, Р1 и др.), увеличивается локальное энерговыделение, обусловленное электронами фотопоглощения и сопутствующего Оже-каскада на атомах этих элементов. Селективное накопление металла в опухолевой ткани и его взаимодействие с рентгеновским излучением сопровождается выбросом вторичного ионизирующего излучения с коротким пробегом частиц и способствует прецизионной эскалации поглощённой дозы, создающей тумороцидный эффект.
Корякин С.Н.* - вед. научн. сотр., к.б.н.; Ульяненко С.Е. - зав. отделом, д.б.н.; Исаева Е.В. - ст. научн. сотр., к.б.н.; Бекетов Е.Е. - ст. научн. сотр., к.б.н.; Ядровская В.А. - вед. научн. сотр., к.х.н.; Успенский С.А. - вед. научн. сотр., к.х.н.; Селянин М.А. - ген. дир. •Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, д. 4. Тел.: 8(484) 399-72-10; e-mail: [email protected].
Метод ФЗТ может быть реализован на типовых медицинских рентгеновских аппаратах (напряжение на трубке ~150 кВ при токе электронов 1-2 мА), обеспечивающих поток фотонов, необходимый для создания канцероцидности, усиливающейся за счёт фотоэффекта.
Основные требования к противоопухолевым препаратам для ФЗТ учитывают такие характеристики как концентрация элемента (как утверждается в некоторых работах [6, 7] не менее 10 мг на 1 г ткани), выраженная туморотропность и отсутствие или низкая цитотоксичность. Кроме того, большое значение имеет вязкость препарата, величина которой должна быть сопоставима с вязкостью крови здорового человека (~3-5 мПа*с), а также технологичность препаративной формы. Потенциальный интерес представляют препараты на основе элементов с большим Z и полисахаридов, в частности комплексы золота (Au) и гиалуроновой кислоты (ГК) [8, 9], что обусловлено высокой биосовместимостью и ускоренной биодеградацией компонентов, исключающих существенное токсическое действие на организм. При этом по энергии ионизации К-оболочки в результате фотоэффекта в технологии ФЗТ золото занимает промежуточное положение - 80,7 кэВ (для Yb - 61,3 кэВ, At - 95,7 кэВ).
В целом бинарная ФЗТ не требует специальной защиты и может осуществляться в обычных поликлинических условиях, что обеспечивает её привлекательность. Однако массовое внедрение метода в онкологическую практику лимитируется, прежде всего, отсутствием препаратов, в полной мере отвечающих требованиям ФЗТ.
Цель исследования - изучить in vivo динамику накопления в опухоли золотосодержащих соединений на основе гиалуроновой кислоты с различным содержанием золота и в различной препаративной форме, а также определение их цитотоксичности в опытах in vitro.
Материалы и методы
В экспериментах in vivo использовали мышей-самцов линии F1 (CBAxC57Bl/6) с массой тела 20-22 г. Суспензию клеток мышиной меланомы В-16 (0,2 мл суспензии, ~ 106 клеток) вводили животным подкожно в бедро правой задней лапки. Исследования проводили через 12 суток после перевивки, при этом объём опухоли составлял 0,8-1,2 см3.
В качестве перспективного соединения для ФЗТ в первой серии опытов in vivo был выбран водорастворимый биоактивный нанокомпозит на основе химически модифицированной соединениями из ряда меланинов соли гиалуроновой кислоты и наночастиц золота. Способ получения биоактивных нанокомпозитов заключается в восстановлении золота из его соли в вязком растворе гиалуроновой кислоты меланином при кипячении и последующей стадией лиофи-лизации. Метод синтеза представленных для исследования Международным научно-исследовательским центром инновационных технологий «МАРТИНЕКС» (Россия, Москва) двух водорастворимых коллоидных комплексов - классический растворный; содержание золота ~ 15-20 мг в 1 мл (или 1,5-2% раствор Au). Содержание меланина в изучаемых соединениях варьировалось от 40 мг в комплексе I до 80 мг в комплексе II. Введение меланина позволяет восстановить и стабилизировать золото путём образования между функциональными группами меланина с золотом координационной связи - хелатов или слабых комплексов [10]. Можно предположить, что для комплекса I свободных, не связанных с золотом, групп на меланине практически нет. Для комплекса II свободных групп на меланине должно остаться ~ 50%, в то же время именно они могут обеспечивать транспорт связанных и свободных частиц золота. При этом с большой степенью вероятности можно допустить, что всё золото связано с меланином, но не всё с гиалуроновой кислотой.
Для уточнения содержания золота в комплексах I и II их водные растворы анализировали с использованием оптического эмиссионного метода с индуктивно связанной плазмой в качестве атомизатора на приборе ICP-OES (Varian, Австралия) и сравнивали со стандартным раствором золотохлористоводородной кислоты с известным содержанием золота. В результате проведённых исследований установлены значения концентрации золота: в комплексе I - 15,0±0,2 мг в 1 мл, в комплексе II - 22,0±0,3 мг в 1 мл. Концентрация золота после озоления проб биологического материала с добавлением 0,1 мл каждого из комплексов показала практически те же значения: 14,0±0,2 и 21,0±0,3 мг в 1 мл соответственно для комплексов I и II.
Золотосодержащие соединения вводили в опухоль через 12 суток после перевивки (I и II группы животных, по 6 животных на каждую точку исследования) однократно снизу ложа опухоли в центр в объёме 0,1 мл. Содержание золота на момент введения в расчёте на всю опухоль у животных I группы составило 1,5 мг (1500 мкг) на опухоль, II - 2,2 мг (2200 мкг) на опухоль.
Через 0,5, 1 и 3 ч после введения соединений животных под наркозом декапитировали и отбирали опухоль для последующего анализа на содержание золота.
Пробоподготовку проводили на основе общепринятых подходов в собственной модификации [11].
Содержание золота в образцах опухоли также определяли с использованием оптического эмиссионного метода на приборе ICP-OES.
Во второй серии опытов in vitro для определения цитотоксичности использовали сухой комплекс (К III) - нанокомпозит с содержанием золота 2,5±0,3 мг. Эта препаративная форма более технологична с точки зрения приготовления водных растворов с заданной концентрацией и их введения в опухоль. В день эксперимента навеску порошка массой 40 мг взвешивали на лабораторных электронных весах Adventurer (RV) (Ohaus, Швейцария) и растворяли в 2 мл стерильной подготовленной воды (квалификация «для культур клеток»). Содержание золота в растворе 5 мг/мл. Часть раствора использовали в неразбавленном виде, а из другой части готовили двукратные разведения с концентрацией золота 2500, 1250, 625 и 312,5 мкг/мл раствора.
Цитотоксичность золотосодержащего соединения оценивали по торможению пролиферации клеток мышиной меланомы В-16, которую культивировали в монослое по стандартной методике. За сутки до эксперимента клетки высевали в чашки Петри (Corning) диаметром 35 мм по 200 тысяч клеток на чашку в 2 мл среды RPMI-1640 с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки и помещали в СО2-инкубатор (SANYO MCO-15AC) (5% СО2, +37 оС). Через 24 ч инкубации, когда клетки находились в начале фазы экспоненциального роста, в чашки добавляли по 0,5 мл водных растворов комплекса III с разным содержанием золота так, чтобы конечная концентрация элемента в чашке составляла 62,5, 125, 250, 500 и 1000 мкг на 1 мл питательной среды (соответствующие варианты опыта). В этой среде клетки инкубировали в течение 24 ч, после чего среду удаляли, монослой дважды отмывали от комплекса фосфатно-буферным солевым раствором (рН 7,2-7,4), добавляли новую питательную среду с сывороткой, но без комплекса III, и инкубировали еще 24 ч. Затем клетки снимали с пластика смесью 0,25% трипсина - 0,02% версена (соотношение 1:1), собирали в 1 мл фосфатного буфера и подсчитывали их количество в этом объёме в камере Горяева. Количество клеток, выросших в среде, содержащей золото, в каждом варианте опыта сравнивали с контролем (инкубация клеток в тех же условиях, но без добавления золотосодержащего комплекса III). Общее время инкубации клеток от посева до снятия составило 72 ч.
Статистические методы анализа учитывали несмещённую оценку среднего значения (X) и стандартного отклонения среднего значения (Эх) [12]. Ошибку среднего количества клеток по нескольким чашкам рассчитывали по формуле:
Б
X
Э2. + Э!
При расчёте ошибки значений активности пролиферации относительно контроля использовали аналогичную формулу:
Э
X
+
Преп. Л Контр.
Результаты и обсуждение
Динамика содержания золота в опухоли мышей в первой серии опытов в течение 3 ч после введения соединения свидетельствует о различной скорости выведения металла в зависимости от первоначальной его концентрации (рис. 1). Кривые выведения Аи в пределах исследованных сроков описываются логарифмической зависимостью как в случае расчётов на всю опухоль (рис. 1А), так и при нормировании содержания золота на 1 г опухоли (рис. 1Б).
Содержание золота в случае комплекса I в расчёте на всю опухоль варьировалось в пределах от 175 до 250 мкг (рис. 1Б). Различия на каждый срок исследования были несущественны, т.е. в течение 3 ч после введения золотосодержащего соединения в опухоль содержание элемента в новообразовании сохранялось на уровне 11,7-16,7% от введённого количества, что свидетельствует о наличии слабовыраженных туморотропных свойствах нанокомплекса.
Рис. 1. Динамика накопления (выведения) золота в опухоли после однократного внутриопухолевого введения комплексов I и II: А - в расчёте на 1 г опухолевой ткани, Б - в расчёте на всю опухоль. Уравнения рис. А: 165,1-79,64*1п(х), 199,0-20,94*х; уравнения рис. Б: 195,1-91,42*1п(х), 255,2-27,06*х.
п
Несмотря на иную закономерность накопления золота в опухоли при введении соединения с большим содержанием элемента (комплекс II, 2200 мкг на всю опухоль), через 0,5 ч после введения содержание этого элемента в опухоли составило 385 мкг (17,5%), т.е. независимо от концентрации золота во введённом соединении (в диапазоне концентраций 1500 и 2200 мкг на опухоль), накопление элемента в опухоли составляло около 17%. Однако, если через 3 ч после введения нанобиокомпозита в опухоль кратность снижения содержание золота при введении комплекса I составила 1,4 раза, то при введении комплекса II - 3,4 раза.
Данные по соотношению концентрации золота в опухоли при введении комплексов I и II (1/11) и соотношению абсолютных значений содержания этого элемента представлены на рис. 2. Значения этих показателей во все сроки наблюдения (0,5; 1 и 3 ч после введения) были практи-
Рис. 2. Отношение выведения золота из опухоли (в расчёте на 1 г опухолевой ткани и на весь опухолевый объём) при введении комплексов I и II. Уравнение: 1,15+0,64*1п(х).
Пунктирной линией отмечено начальное различие в концентрации золота в комплексах I и II (1500 и 2200 мкг на опухоль соответственно) - 0,68 ед.
Несмотря на более низкую концентрацию золота в опухоли через 0,5 ч после введения комплекса I (различия между нормированными на 1 г ткани данными в первой и второй группах значимы при р<0,5 и составили 70%), в этой группе животных наблюдалась высокая удержи-ваемость золота в опухоли в течение трёх часов наблюдения. Скорость биологической деградации комплекса II оказалась существенно выше, чем комплекса I, и через 3 ч после введения отношение концентрации золота в опухоли животных первой и второй групп составило 1,7 раза.
Учитывая, что условия проведения опыта были одинаковыми (близкий объём опухоли, одинаковая техника приготовления растворов соединений и их введения в опухоль), можно предположить, что в комплексе I золото практически всё было связано с меланином и гиалуро-новой кислотой, а в комплексе II часть меланина могла находиться в свободном состоянии и при введении в опухоль обеспечивать первичное большее продвижение нанокомплексов и столь же быстрое их выведение. В пользу этого предположения свидетельствуют и данные накопления золота в опухоли через 1 и 3 ч после введения: независимо от первоначальной концентрации золота при введении в опухоль (1500 и 2200 мкг) значимых различий содержания металла в опухоли у животных I и II групп не наблюдалось. Таким образом, можно предположить, что в 1,5% коллоидном растворе золота содержание меланина 40 мг/мл может быть достаточным или даже избыточным для связывания металла в слабые комплексы.
При меньшем (40 мг/мл) содержании меланина в коллоидном растворе золотосодержащего соединения обеспечивается лучшее удержание Аи в опухоли и отмечается более высокий градиент накопления элемента в системе опухоли/кровь и опухоль/кожа через 1 ч после введения [11]. Повышенное содержание золота в первые полчаса после внутриопухолевого введения комплекса (независимо от его концентрации) дает основание считать этот период наиболее благоприятным для реализации фотон-захватной терапии.
Вместе с тем отмечается неравномерность распределения Au по объёму опухоли при однократном введении золотосодержащих соединений [11], что может быть обусловлено как характеристиками самого комплекса (коллоидный раствор), так и тем, что клетки меланомы В-16 формируют под кожей in vivo у мышей опухолевые узлы, отличающиеся подавленной неоваску-ляризацией [13]. В свою очередь, градиент концентрации золота в различных сегментах опухоли способен отрицательно сказаться на эффективном создании равномерно поглощённой дозы при проведении фотон-захватной терапии.
В опытах in vitro с использованием комплекса III торможение деления клеток меланомы В-16 зависело от содержания золота в питательной среде (рис. 3). Выраженная цитотоксич-ность наблюдалась для концентрации элемента в среде культивирования 1000 мкг/мл: в этом варианте опыта клетки не только не пролиферировали, но большей частью погибли. При концентрации золота 250 мкг/мл питательной среды пролиферация клеток меланомы В-16 снизилась на 50% относительно контроля. Минимальное торможение пролиферации клеток (85,4% от контроля) отмечено при их культивировании в среде, содержащей 62,5 мкг золота на 1 мл.
100
0 200 400 600 800 1000
Концентрация золота, мкг/мл питательной среды
Рис. 3. Пролиферация клеток меланомы В-16 в зависимости от концентрации золота
в питательной среде
Численные значения количества клеток меланомы В-16, выросших через 72 ч культивирования, приведены в таблице.
Таблица
Количество клеток меланомы В-16 после инкубации с раствором золотосодержащего комплекса
Содержание золота, мкг/мл среды Количество клеток на чашку, тыс. Количество делений клеток 1
Контроль (0) 2728+226 3,8+0,4
62,5 2331+161 3,5+0,3
125 2043+139 3,4+0,3
250 1363+95 2,8+0,2
500 523+47 -
1000 7+3 -
1 Рассчитано для контрольной и опытных групп, в которых пролиферация клеток относительно контроля составляла не менее 50%.
Подсчёт клеток в контрольной группе показал, что без добавления раствора золотосодержащего комплекса III в питательную среду в стандартных условиях культивирования в течение 72 ч каждая клетка могла претерпеть ~ 4 деления, в результате чего количество клеток в чашке возросло более чем в 13 раз (с 200 тыс. до ~ 3 млн). Оценить численно пролиферацию клеток, как и выяснить, являются ли оставшиеся клетки частью первоначальной популяции или вновь образованными, в варианте с максимальной концентрацией золота (1000 мкг/мл среды) не представляется возможным, так как большая часть клеток погибла и была смыта при отмывании монослоя от комплекса. Численность клеток в других вариантах опыта возросла от 2,6 до 12 раз пропорционально содержанию золота в среде культивирования. Для концентраций 62,5 и 125 мкг/мл среды их количество мало отличается от численности в контрольной группе.
Таким образом, при концентрациях золота в среде культивирования клеток меланомы В-16 250 и 500 мкг/мл проявлялись цитостатические свойства комплекса III, тогда как при концентрации 1000 мкг/мл - уже цитотоксические. Это необходимо принимать во внимание при определении дозы введения золотосодержащего нанокомпозита в опухоль, поскольку как цитостатик он может иметь побочные эффекты, характерные для этого класса соединений. Известно, что цито-статики, являясь веществами с высокой биологической активностью, не обладают избирательным действием на опухоль. Это приводит к тому, что при их применении страдают многие нормальные органы и ткани, в первую очередь те, для которых характерен высокий пул быстро обновляющихся клеток (костный мозг, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, волосяные фолликулы и др.) [14]. Так как развитие цитостатических эффектов может существенно меняться в зависимости от пролиферативной активности клеток, это также может иметь значение при разработке и скрининге препаратов, отвечающих требованиям фотон-захватной терапии.
Заключение
Одной из задач современной радиобиологии является поиск способов повышения эффективности лучевого и комбинированного лечения злокачественных новообразований для максимального поражения опухоли при минимальном повреждении нормальных тканей. Перспективным направлением в решении проблемы избирательного поражения опухолей является развитие метода фотон-захватной терапии. Замедленное внедрение этого сегмента лучевой терапии в клиническую практику во многом связано с несовершенством предлагаемых препаратов для ФЗТ: неравномерностью их распределения в опухоли и невозможностью достижения нужной концентрации для реализации фотоэффекта.
Результаты проведённого исследования in vivo и in vitro с введением золотосодержащих соединений различных препаративных форм с разным содержанием золота в опухоль или культивирование клеток меланомы В-16 в питательной среде с указанными соединениями свидетельствуют о перспективности использования соединений Au на основе гиалуроновой кислоты и меланина в целях ФЗТ. Вместе с тем полученные данные служат основанием для планирования экспериментальных работ по скринингу препаратов, их апробации в реализации фотон-захватных эффектов, а также разработки схем применения ФЗТ в зависимости от локализации опухоли и пролиферативной активности её клеток.
Исследования проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области (проект № 14-44-03084).
Литература
1. Геворков А.Р., Бойко А.В., Завалишина Л.Э., Черниченко А.В., Плавник Р.Н., Хмелевский Е.В., Носова Е.А., Дрошнева И.В., Смирнов А.К., Решетов И.В., Рубцова Н.А., Малышева О.А., Соколов В.В., Гладышев А.А., Степанов С.О., Соловьев В.А. Самостоятельное консервативное и комбинированное лечение рака языка //Онкология. Журнал им. П.А. Герцена. 2014. Т. 2, № 4. С. 25-29.
2. Каприн А.Д., Хмелевский Е.В., Семин А.В. Сочетанная лучевая терапия, как альтернатива хирургическому лечению при местнорасположенном раке предстательной железы //Вестник Российского научного центра рентгенорадиологии Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи. 2008. № 6. С. 22.
3. Хмелевский Е.В., Харченко В.П., Паньшин Г.А., Мельник Ю.Д., Иванов С.А., Альбицкий И.А., Канчели И.Н., Кленок Г.И., Ломанов М.Ф., Люлевич В.И., Похвата В.П., Рязанцев О.Б., Хорошков
В.С. Метод протонно-фотонной лучевой терапии локализованного рака предстательной железы //Российский онкологический журнал. 2008. № 6. С. 13-16.
4. Choi G.-H., Seo S.-J., Kim K.-H., Kim H.-T., Park S.-H., Lim J.-H., Kim J.-K. Photon activated therapy (PAT) using monochromatic synchrotron X-rays and iron oxide nanoparticles in a mouse tumor model: feasibility study of PAT for the treatment of superficial malignancy //Radiation Oncology. 2012. V. 184, N 7. P. 1-10.
5. Kobayashi K., Usami N., Porcel E., Lacombe S., Sech C.L. Enhancement of radiation effect by heavy elements //Mutation Research. 2010. V. 704. P. 123-131.
6. Хохлов В.Ф., Ижевский П.В., Кулаков В.Н., Липенгольц А.А., Слободяник И.И., Федотов Ю.А.
Фармакокинетическая оценка препаратов для бинарной лучевой терапии в рамках скринингового исследования //Российский биотерапевтический журнал. 2009. Т. 8, № 1. C. 25.
7. Черепанов А.А., Липенгольц А.А., Насонова Т.А., Добрынина О.А., Кулаков В.Н., Шейно И.Н., Хохлов В.Ф., Климанов В.А., Григорьева Е.Ю. Увеличение противоопухолевого эффекта рентгеновского облучения при помощи гадолиний содержащего препарата на примере мышей с трансплантируемой меланомой B16F10 //Медицинская биофизика. 2014. № 3. С. 66-69.
8. Hainfeld J.J., Slatkin D.N., Smilowitz H.M. The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice //Physics in Medicine and Biology. 2004. V. 49, N 18. P. N309-315.
9. Rahman W.N., Ackerly T., He C.F., Jackson P., Wong C., Davidson R., Geso M. Enhancement of radiation effects by gold nanoparticles for superficial radiation therapy //Nanomedicine. 2009. V. 5. P. 136-142.
10. Apte M., Girme G., Bankar A., RaviKumar A., Zinjarde S. 3, 4-dihydroxy-L-phenylalanine-derived melanin from Yarrowia lipolytica mediates the synthesis of silver and gold nanostructures //Journal of Nanobiotech-nology. 2013. V. 11, N 2. P. 1-9.
11. Koryakin S.N., Yadrovskaya V.A., Beketov E.E., Isaeva E.V., Ulyanenko S.E., Uspenskiy S.A., Khaba-rov V.N., Selyanin M.A. The study of hyaluronic acid compounds for neutron capture and photon activation therapies //Central European Journal of Biology. 2014. V. 9, issue 10. Р. 922-930.
12. Урбах Ю.В. Статистический анализ в биологических и медицинских исследованиях. М.: Медицина, 1975. 297 c.
13. Юрлова Е.И. Механизмы влияния Т-кадгерина на рост, метастазирование и васкуляризацию меланомы: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2011. 23 с.
14. Корман Д.Б. Основы противоопухолевой химиотерапии. М.: «Практическая медицина», 2006. 503 с.
Assessment of cytotoxicity and tumor uptake of composites of hyaluronic acid
and gold particles
Koryakin S.N.1, Ulianenko S.E.1, Isaeva E.V.1, Beketov E.E.U, Yadrovskaya V.A.1, Uspenskiy S.A.3,4, Selyanin M.A.3
1 A. Tsyb MRRC, Obninsk;
2 Institute for High Energy Physics (IHEP) of the National Research Centre of the Kurchatov Institute, Protvino;
3 Martinex Research Centre, Moscow;
4 Enikolopov Institute of Synthetic Polymeric Materials, a foundation of the Russian Academy of Sciences, Moscow
One of the ways to improve efficiency of radiation therapy is to use binary radiation therapy modalities, including photon capture therapy (PCT). Though PCT has a number of advantages: it is effective for treatment of radioresistant tumors, produces sparing effect on surrounding normal tissues, its further development depends to a large extent on availability of agents exhibiting high tumor uptake and low cytotoxicity. Composites of hyaluronic acid and gold particles are promising compounds for PCT. The article presents results of research into feasibility of using composites of melanin-modified hyaluronic acid salt and gold particles containing different amount of gold for photon-capture therapy. The in vivo study was carried out in B-16 melanoma - bearing male mice of F1 (CBAxC57Bl/6) strain, the in vitro study was carried out using B-16 melanoma cells culture. The composites with the gold content 1.5 or 2.2 mg in 0.1ml of solution were injected into the tumor in 12 days after the tumor cells inoculation. Gold uptake and excretion was measured during 3 hours following the injection. In 30 minutes gold uptake in the tumor was 17% of the total amount of the injected composite. We think that this is the most suitable time to deliver photon capture therapy. In in vitro studies minor effect of gold in concentration of 62.5 and 125 mcg in 1 ml of culture medium on inhibition of proliferation of B-16 melanoma cells was observed. Further study of the composites of melanin-modified hyaluronic acid salt and gold particles for improving efficiency of photon-capture therapy is needed.
Keywords: radiotherapy, target therapy, photon capture therapy, melanoma B-16, hyaluronic acid, melanin, gold containing complexes, nanocomposites, nanoparticles, ADME.
References
1. Gevorkov A.R., Bojko A.V., Zavalishina L.Je., Chernichenko A.V., Plavnik R.N., Hmelevskij E.V., Nosova E.A., Droshneva I.V., Smirnov A.K., Reshetov I.V., Rubcova N.A., Malysheva O.A., Sokolov V.V., Gladyshev A.A., Stepanov S.O., Solov'ev V.A. Samostojatel'noe konservativnoe i kombinirovannoe lechenie raka jazyka [Separate conservative and combined treatment of tongue cancer]. Onkologija. Zhurnal im. P.A. Gercena - Oncology. Journal of P.A. Gerzen, 2014, vol. 2, no. 4, pp. 25-29.
2. Kaprin A.D., Hmelevskij E.V., Semin A.V. Sochetannaja luchevaja terapija, kak al'ternativa hirurgicheskomu lecheniju pri mestnoraspolozhennom rake predstatel'noj zhelezy [Combined radiotherapy, as an alternative to surgical treatment of the local prostate cancer]. Vestnik Rossijskogo nauchnogo centra rentgenoradiologii Fed-eral'nogo agentstva po vysokotehnologichnoj medicinskoj pomoshhi - Bulletin of the Russian Scientific Center of Radiology and the Federal Agency for High-tech Health Care, 2008, no. 6, pp. 22.
3. Hmelevskij E.V., Harchenko V.P., Pan'shin G.A., Mel'nik Ju.D., Ivanov S.A., Al'bickij I.A., Kancheli I.N., Klenok G.I., Lomanov M.F., Ljulevich V.I., Pohvata V.P., Rjazancev O.B., Horoshkov V.S. Metod pro-tonno-fotonnoj luchevoj terapii lokalizovannogo raka predstatel'noj zhelezy [The method of proton-photon radiation therapy for localized prostate cancer]. Rossijskij onkologicheskij zhurnal - Russian Journal of Oncology, 2008, no. 6, pp. 13-16.
Koryakin S.N.* - Lead. Researcher, C. Sc., Biol.; Ulianenko S.E. - Chief of Depart., D.Sc., Biol.; Isaeva E.V. - Senior Researcher, C. Sc., Biol.;
Beketov E.E. - Senior Researcher, C. Sc., Biol.; Yadrovskaya V.A. - Lead. Researcher, C. Sc., Chem.; Uspenskiy S.A. - Lead. Researcher,
C. Sc., Chem.; Selyanin M.A. - Gen. Director.
•Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel.: (484) 399-72-10; e-mail: [email protected].
4. Choi G.-H., Seo S.-J., Kim K.-H., Kim H.-T., Park S.-H., Lim J.-H., Kim J.-K. Photon activated therapy (PAT) using monochromatic synchrotron X-rays and iron oxide nanoparticles in a mouse tumor model: feasibility study of PAT for the treatment of superficial malignancy. Radiation Oncology, 2012, vol. 184, no. 7, pp. 1-10.
5. Kobayashi K., Usami N., Porcel E., Lacombe S., Le Sech C. Enhancement of radiation effect by heavy elements. Mutation Research, 2010, vol. 704, pp. 123-131.
6. Hohlov V.F., Izhevskij P.V., Kulakov V.N., Lipengolc A.A., Slobodjanik I.I., Fedotov Ju.A. Farmakokine-ticheskaja ocenka preparatov dlja binarnoj luchevoj terapii v ramkah skriningovogo issledovanija [Pharmacokinetic evaluation of drugs for binary radiation therapy as part of a screening study]. Rossijskij bioterapev-ticheskij zhurnal - Russian Biotherapeutic Journal, 2009. vol. 8, no. 1, pp. 25.
7. Cherepanov A.A., Lipengol'c A.A., Nasonova T.A., Dobrynina O.A., Kulakov V.N., Shejno I.N., Hohlov V.F., Klimanov V.A., Grigor'eva E.Ju. Uvelichenie protivoopuholevogo jeffekta rentgenovskogo obluchenija pri pomoshhi gadolinij soderzhashhego preparata na primere myshej s transplantiruemoj melanomoj B16F10 [The increase in the antitumor effect of X-ray irradiation using gadolinium-containing drug on mice with transplanted example melanoma B16F10]. Medicinskaja biofizika - Medical Biophysics, 2014, no. 3, pp. 66-69.
8. Hainfeld J.J., Slatkin D.N., Smilowitz H.M. The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice. Physics in Medicine and Biology, 2004. vol. 49, no. 18, pp. 309-315.
9. Rahman W.N., Ackerly T., He C.F., Jackson P., Wong C., Davidson R., Geso M. Enhancement of radiation effects by gold nanoparticles for superficial radiation therapy. Nanomedicine, 2009, vol. 5, pp. 136-142.
10. Apte M., Girme G., Bankar A., RaviKumar A., Zinjarde S. 3, 4-dihydroxy-L-phenylalanine-derived melanin from Yarrowia lipolytica mediates the synthesis of silver and gold nanostructures. Journal of Nanobiotech-nology, 2013, vol. 11, no. 2, pp. 1-9.
11. Koryakin S.N., Yadrovskaya V.A., Beketov E.E., Isaeva E.V., Ulyanenko S.E., Uspenskiy S.A., Khaba-rov V.N., Selyanin M.A. The study of hyaluronic acid compounds for neutron capture and photon activation therapies. Central European Journal of Biology, 2014, vol. 9, issue 10, pp. 922-930.
12. Urbah Ju.V. Statisticheskij analiz v biologicheskih i medicinskih issledovanijah [Statistical analysis in biological and medical research]. Moscow, Medicina, 1975. 297 p.
13. Jurlova E.I. Mehanizmy vlijanija T-kadgerina na rost, metastazirovanie i vaskuljarizaciju melanomy. Avtoref. diss. ... kand. dis. biol. nauk [Mechanisms of influence of T-cadherin on the growth, metastasis and vascularization of melanoma. Kand. biology sci. diss.]. Moscow, 2011. 23 p.
14. Korman D.B. Osnovy protivoopuholevoj himioterapii [Fundamentals of anticancer chemotherapy]. Moscow, Prakticheskaja medicina, 2006. 503 p.
