Магнитные частицы с дубильной кислотой упростят диагностику рака на ранних стадиях

Ученые синтезировали магнитные микрочастицы, покрытые дубильной кислотой и способные с эффективностью 60% «вылавливать» из биологических жидкостей экзосомы. Экзосомы — это мембранные пузырьки, по химическому составу которых можно на ранних стадиях выявлять онкологические заболевания. Разработка поможет упростить и ускорить процедуру выделения этих пузырьков из лабораторных образцов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry B.

Рисунок 1. Схема формирования оболочки магнитных микрочастиц и принцип их взаимодействия с экзосомами. Источник: Grishaev et al. / Journal of Materials Chemistry B, 2024.

Клетки нашего организма «общаются» между собой с помощью экзосом — маленьких мембранных пузырьков, которые выделяются в межклеточное пространство и несут в себе белки, жиры, нуклеиновые кислоты и другие молекулы. Поскольку содержимое экзосом повторяет химический состав той клетки, от которой они «отщепились», эти пузырьки можно использовать в качестве молекулярного маркера для отслеживания разных заболеваний. Так, например, если в экзосомах появляются белки и РНК, характерные для раковых клеток, это с высокой вероятностью указывает на развитие онкологического заболевания.

Однако диагностика с помощью экзосом пока недостаточно широко используется в клинической практике из-за того, что выделить эти пузырьки, размер которых сопоставим с величиной вирусов, оказывается сложно. Недавно был предложен подход, в рамках которого экзосомы «вылавливают» из биологических образцов (например, крови) с помощью магнитных микрочастиц. На поверхность таких частиц наносят молекулы — например, антитела, которые специфически связываются с экзосомами и удерживают их. Затем с помощью магнита образовавшиеся комплексы — магнитные частицы с экзосомами — выделяют из биологического образца. Но до сих пор эффективность такого подхода была относительно невысока, поэтому ученые стремятся улучшить способность магнитных частиц связывать экзосомы.

Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Национального медицинского исследовательского центра акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова Министерства здравоохранения РФ (Москва) усовершенствовали магнитные микрочастицы, нанеся на их поверхность слой из дубильной кислоты. Сначала авторы синтезировали частицы на основе оксида железа и карбоната кальция (из него состоит мел и мрамор). Затем на их поверхность нанесли одно из веществ, специфически связывающихся с экзосомами, — полимеры поливинилпирролидон и полиаллиламиногидрохлорид или белок альбумин. В завершение все полученные комплексы выдержали в растворе дубильной кислоты, которая совместно с предыдущими молекулами осела на поверхности микрочастиц.

Исследователи поместили магнитные частицы в раствор с заранее известным количеством экзосом, чтобы оценить, насколько эффективно происходит связывание. После извлечения частиц из раствора с помощью магнита авторы повторно измерили число мембранных пузырьков в растворе.

Оказалось, что частицы, покрытые дубильной кислотой, «выловили» из раствора 50%–60% экзосом в зависимости от типа второй молекулы в оболочке (один из полимеров или белок альбумин). При этом образцы, покрытые только полимерами или альбумином и не содержащие дубильной кислоты, показали эффективность 34%.

Рисунок 2. Наночастицы оксида железа (А), карбоната кальция (В) и синтезированные из них магнитные микрочастицы (С, D, E). Источник: Grishaev et al. / Journal of Materials Chemistry B, 2024.

Улучшенные свойства частиц с дубильной кислотой можно объяснить тем, что эта молекула служит дополнительным «якорем» для экзосом, образуя водородные связи с жирами и белками на их поверхности. Более того, она стимулирует образование целых комплексов — мембранные пузырьки прилипают к ней и друг к другу, благодаря чему из раствора удается извлечь их большее количество.

Достигнутая авторами эффективность извлечения экзосом из раствора сопоставима с качеством широко используемого, но крайне трудоемкого метода эксклюзионной хроматографии, при котором экзосомы пропускают, как через сито, сквозь гелевый слой и тем самым отделяют от других компонентов жидкости. При этом новый подход требует гораздо меньше времени — 2,5 часа против 4 часов, — что позволит ускорить процедуру и расширить ее применение в медицинской практике.

«Широкое использование анализа химического состава экзосом в перспективе позволит упростить диагностику различных типов рака на ранних стадиях. В дальнейшем мы планируем улучшать поверхностную структуру полученных магнитных микрочастиц, чтобы еще больше повысить их эффективность», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Ященок, доктор физико-математических наук, доцент лаборатории биофотоники Сколковского института науки и технологий.