Вченим хімічного факультету вдалося досягти суттєвих успіхів на шляху до вирішення низки актуальних проблем клінічної онкології. Нові досягнення науковців хімічного факультету в цій галузі, а саме – створення міцелярних наноконтейнерів для доставки протипухлинних препаратів та синтез нового нанокомпозитного фотосенсибілізатора для фотодинамічної терапії, стали важливими кроками до удосконалення вже відомих та розробки нових, більш сучасних та менш агресивних з точки зору наявності побічних ефектів методів лікування хворих з онкологічною патологією.

1. Міцелярні наноконтейнери для доставки протипухлинних препаратів

Створення нанорозмірних носіїв лікарських субстанцій та біополімерів тривалий час залишається топовою темою і водночас викликом для дослідників з окремих галузей сучасної науки – хімії, фізики, медицини, біології, фармакології тощо. Перспективність цього міждисциплінарного напряму зумовлена тим, що лише третина лікарських препаратів, які застосовуються сьогодні при тривалому медикаментозному лікуванні, розчиняється у воді і може бути безпосередньо введена в живий організм. Для інших двох третин необхідно створювати спеціальні розчинні форми, щоб забезпечити їх циркуляцію у кровоносній системі організму. Разом з тим, більшість лікарських субстанцій є низькомолекулярними речовинами, які досить швидко виводяться з організму, а тому для забезпечення певної концентрації ліків у крові та отримання бажаного терапевтичного ефекту необхідно постійно поповнювати їх запас. А, зважаючи на те, що переважна більшість лікарських препаратів містять токсичні субстанції, їх постійне введення неминуче викликає отруєння організму та призводить до інших небажаних побічних ефектів, як це, зокрема, відбувається при хіміотерапії злоякісних пухлин.

Розробники хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка під керівництвом провідного наукового співробітника, д.х.н., професора Т.Е. Желтоножської, у співпраці з Інститутом біології клітини НАН України, запропонували свій варіант вирішення цієї проблеми в клінічній онкології, створивши міцелярні наноконтейнери для доставки лікарських препаратів. Дослідження засвідчили, що застосування таких міцелярних носіїв дозволяє суттєво знизити активні дози протиракових препаратів при хіміотерапії, зменшити їх надмірно шкідливий вплив на організм та створити розчинні форми погано розчинних у воді лікарських субстанцій. Так, композиції розроблених міцелярних носіїв з протипухлинним препаратом доксорубіцином пройшли успішне випробування in vitro на трьох видах ракових клітин. З’ясувалось, що дозу доксорубіцину можна знизити у 3-5 разів, якщо транспортувати його до клітин саме у такий спосіб.

Серед інших переваг розробки варто відзначити також нескладне виробництво запропонованих міцелярних наноконтейнерів, яке відбувається в умовах так званої «зеленої» хімії. При цьому процес синтезу у водному середовищі виключає наявність навіть залишків шкідливих органічних розчинників, що вкрай важливо для біомедичного використання носія. Розроблений полімерний носій біосумісний з живим організмом і частково біодеградабельний – під впливом ферментів з часом він розпадається на кілька малих фрагментів, які виводяться з організму.

Розробка науковців хімічного факультету підтверджена патентом України на винахід та відзначена дипломом переможця Всеукраїнського конкурсу «Винахід року – 2015» за III місце у номінації «Кращий винахід року».

2. Інша важлива розробка дослідників хімічного факультету – новий нанокомпозитний фотосенсибілізатор для фотодинамічної терапії – стала результатом пошуку альтернативних методів лікування з використанням лазеру та покликана забезпечити більш стійкий клінічний ефект медикаментозної терапії при лікування різних видів пухлин та зменшити кількість лікарських та імунологічних ускладнень.

На сьогодні терапія з використанням лазеру вважається одним із найбільш перспективних методів лікування, оскільки лазерне випромінювання можна дозувати, змінювати його параметри, воно не спричиняє больових ефектів та не викликає алергії.

Метод фотодинамічної терапії (ФДТ) базується на поєднанні лазера та барвника для лікування низки онкологічних захворювань.

Цей напрямок в Україні розвивав відомий вчений, доктор біологічних наук, професор, завідувач лабораторії Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р. Кавецкого НАНУ М.Ф. Гамалія. Він співпрацював з багатьма вітчизняними фахівцями в галузі хімії та фізики, проте найкращі результати було отримано саме у співробітництві з представниками хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (наукова група д.х.н. Н.В. Куцевол), які з використанням нанотехнологій приготували найефективнішу наносистему для ФДТ.

Суть методу ФДТ полягає у тому, що при потраплянні світла на забарвлену клітину барвник переходить у стан енергетичного збудження і запускається механізм передачі енергії наявному у середовищі кисню. Активований (синглетний) кисень починає окислювати і руйнувати тканини навколо. Справжній прорив у ФДТ відбувся з початком використання порфіринових барвників, які активно поглинають червоне світло, глибоко проникають всередину тканин, є малотоксичними і накопичуються переважно у вражених пухлиною клітинах.

Основними перевагами ФДТ у порівнянні з іншими методами вважаються:

1) вибіркова дія на пухлину, на відміну від хіміо- чи радіотерапії; 2) мала травматичність (з пухлиною невеликих розмірів можна повністю справитися за допомогою лише цього метода); 3) практична відсутність побічних ефектів.

Проте, і у ФДТ є один серйозний недолік – світлове випромінення, на відміну від рентгенівського, не здатне проникати глибоко в тканини, що значно обмежує можливості застосування методу на пізніх стадіях розвитку захворювання, оскільки радикальному лікуванню піддаються лише пухлини невеликого розміру і щільності.

Нові можливості в медицині, зокрема у ФДТ, відкривають біонанотехнології. Зокрема, одним зі способів просування в цьому напрямку є посилення накопичувальної здатності фотосенсибілізатора в тканинах пухлини, що зробить його більш світлочутливим навіть за ослабленого опромінення в глибині пухлини. Інший спосіб покращення світлочутливості фотосенсибілізатора пов'язаний з можливістю плазмонного підсилення фотофізичних процесів, які забезпечують ФДТ, а саме поглинання світла барвником-фотосенсибілізатором. У цьому разі існують дві можливості підвищення ефективності ФДТ – це використання як матриць-наноносіїв (1) полімерних макромолекул та (2) наночастинок золота. Властивості останніх і стали предметом дослідження науковців університету.

Відомо, що полімери покращують доставку ліків у специфічні клітини та тканини. Вже на стадії попередніх досліджень вченим університету вдалося продемонструвати високу ефективність розгалужених біосумісних полімерів декстран-поліакриламід як векторів-паноносіїв у медикаментозній терапії та основи для приготування наносистем, які містять одночасно металеві наночастинки і фотосенсибілізатор хлорин е6. Було успішно продемонстровано, що зв'язування з розгалуженими полімерами зменшує агрерацію фотосенсибілізатора, а розгалужена полімерна матриця дає змогу синтезувати стабільну в часі наносистему, яка містить також наночастинки золота. Вибір на користь використання саме нанорозмірного (колоїдного) золота зумовлений тим, що останнє практично нетоксичне та має спорідненість з біологічними факторами, які забезпечують ріст судин. На першій стадії пухлина збільшується, поглинаючи поживні речовини з тканин, які її оточують. Після того, як її розмір досягне 1,5—2 мм, спрацьовує механізм судиноутворення. Здатність золотих наночастинок проникати крізь ендотелій пухлинних судин забезпечує вищу селективність накопичення протиракових засобів в пухлині. Явище локалізованого поверхневого плазмонного резонансу в наночастинках золота призводить до появи інтенсивної плазмонної смуги у спектрі поглинання, що дозволяє використовувати золоті наночастинки у плазмонній фототермічній терапії, при якій опромінення наночастинок на довжині хвилі поглинання плазмонів спричиняє сильне локальне нагрівання, яке руйнує навколишні злоякісні клітини і тканини. Крім цього, полімерна матриця перешкоджає процесу агрегації фотосенсибілізатора. Усі ці фактори сприяють більш глибокому проникненню до клітин пухлини при ФДТ.

На сьогодні вже створено нанокомпозитний фотосенсибілізатор, який складається з наночастинок золота в полімерній матриці декстран-поліакриламід з інкорпорованим фотосенсибілізатором хлорин е6. В експериментах in vitro зі злоякісними клітинами лінії МТ-4 нанокомпозитний фотосенсибілізатор виявив фотодинамічну протипухлинну активність, удвічі вищу в порівнянні з вільним фотосенсибілізатором. Висока фотодинамічна ефективність нанокомпозиту підтвердждена також в експериментах in vivo при ФДТ карциноми легень Льюїс, яка була прищеплена лабораторним мишам.

Вже зараз отримані результати дозволяють пропонувати цей нанокомпозитний фотосенсібілізатор для проведення доклінічних досліджень.

Сьогодні дослідження нанокомпозиту продовжуються за участю команди фізичного факультету, яку очолює д. фіз.-мат. наук, завідувач кафедри експериментальної фізики, проф. В.М. Ящук. Мета цих міждисциплінарних досліджень полягає у вивченні особливостей складних наносистем: розгалужений полімер-наночастинки-золота-фотосенсибілізатор, можливості плазмонного підсилення електронних процесів в молекулі фотосенсибілізатора, а також дослідженні локального нагрівання наносистем за рахунок безвипромінювальних плазмонних переходів. Науковими групами хіміків та фізиків Київського національного університету імені Тараса Шевченка разом з групою біологів з Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р. Кавецкого НАНУ під керівництвом академіка В.Ф. Чехуна подано проект УНТС, який успішно пройшов перший тур конкурсного відбору.

Основні результати дослідження відображено у публікаціях:

• Штонь И.А., Чумаченко В.А., Шишко Е.Д., Куцевол Н.В., Арсентьева К.Г., Гамалея Н.Ф. Синтез и экспериментальная апробация нового нанокомпозитного фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии. – Фотобіологія та експериментальна фотомедицина. – 2015.1,2. – С. 54-60.

• V. A. Chumachenko, 1. О. Shton, Е. D. Shishko, N. V. Kutsevol, A. I. Marinin and N. F. Gamaleia. Branched Copolymers Dextran-Graft-Polyacrylamide as Nanocarriers for Delivery of Gold Nanoparticles and Photosensitizers to Tumor Cells. Chapter in the Book: Nanophysics, Nanophotonics, Surface Studies, and Applications, 2016. Volume 183 of the series Springer Proceedings in Physics/ pp 379-390. Editors:Qlena Fesenko. Leonid Yalsenko DOI 10.1007/978-3-319-30737-4_32

У цій статті, присвяченій світлій пам’яті проф. М.Ф. Гамалії, також використано матеріали публікації, яку можна знайти за посиланням: http://gazeta.zn.ua/HEALTH/kislorodnyy_pitbulterier_boretsya_s_rakom.html

Інформаційне повідомлення підготовлене НДЧ Київського національного університету імені Тараса Шевченка за матеріалами, наданими представниками хімічного факультету (наукові групи д.х.н. Н.В. Куцевол і д.х.н. Т.Е. Желтоножської).