Прогресс в биомедицинских нанотехнологиях открыл возможность использовать в биологии и медицине сконструированные в лаборатории одноцепочечные молекулы ДНК — аптамеры. Аптамеры действуют как синтетические аналоги антител и связываются с клетками-мишенями, позволяя распознать и обнаружить, например, раковые клетки. Однако из-за длины этих молекул, их бывает сложно синтезировать, а точность их связывания страдает из-за того, что не вся молекула участвует в связывании. Определить какую часть аптамера оставить, а какую обрезать для улучшения его свойств достаточно сложно.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Московского государственного университета им М.В. Ломоносова, Финляндии, Германии, Канады, Японии и США решили сложную задачу по оптимизации аптамера для диагностики раковых клеток. В отличие от своего предшественника, новая последовательность состоит не из 80, а из 35 нуклеотидов. Такая длина оказалась оптимальной и позволила улучшить связывающие свойства молекулы с раковыми клетками за счет его большей специфичности к белковой мишени.
Характеристики аптамера полностью зависят от его структуры. Поэтому успешная модификация таких ДНК-структур в более эффективные формы, в том числе уменьшение его длины, требует информации о пространственной структуре молекулы. Перед тем как обрезать молекулу, специалисты создали ее трехмерную модель. Для программирования и расчета были использованы ресурсы нескольких мировых научных лабораторий, включая суперкомпьютерный центр РАН. Зная, как выглядит и располагается в пространстве аптамер, ученые смогли изменить его, не повредив структуру и не повлияв на основные свойства и характеристики, необходимые для применения и связывания с клетками.
Чтобы продемонстрировать, что усеченный аптамер связывается с раковыми клетками, ученые проверили его действие на окрашенных тканях опухоли легкого, полученных от людей с данным заболеванием. Подобно антителам, аптамеры связываются со специальными клетками-мишенями и позволяют «увидеть» раковые опухоли и границы их распространения. Новая модификация аптамера с более высокой точностью связывался с опухолевыми клетками легких, но не соединялся со здоровыми тканями. Причиной этому стало усиление энергии связывания молекулы и сокращение вариантов для процесса молекулярного узнавания из-за уменьшения длины.
«Аптамеры используются в качестве клинических реагентов для направленной терапии и доставки лекарств, диагностики и биосенсоров. Мы научились делать их более специфичными и короткими. Мы убрали ненужный «хвост», который увеличивал возможности аптамера связываться с другими клетками. К тому же длинная молекула имеет большую степень свободы: может свернуться, реагируя на внешние условия, и уже не будет выполнять своей роли. Небольшое количество нуклеотидов дает меньше вариантов для связывания с чем-то другим и изменения формы. В эксперименте с раковыми клетками легких короткие аптамеры хорошо связывались и окрашивали ткани рака, и при этом переставали помечать другие, находящиеся вокруг здоровых клеток или ткани других типов рака, например, молочной железы. «Удаление хвоста» сделало аптамер более специфичным, а также позволило значительно удешевить и облегчить его синтез из-за меньшего количества нуклеотидов», — рассказала руководитель проекта Анна Кичкайло, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ СО РАН, руководитель лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий Красноярского государственного медицинского университета им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого Минздрава России
Основная часть исследования выполнена в рамках проекта №21-73-20240 Российского научного фонда; работы, выполненные иностранными и московскими соавторами, поддержаны зарубежными грантами и Российским фондом фундаментальных исследований.
