Пути избирательного мечения злокачественных опухолей

иодированными радиофармпрепаратами

Одной из важных задач в разработке методов диагностики и терапии рака является получение агентов, способных избирательно накапливаться в опухолевых клетках и тканях. В частности, в ядерной медицине используется изотопное мечение радиофармпрепаратов для диагностики опухолей методами позитронно-эмиссионной томографии и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии. В последнее время начали интенсивно разрабатываться подходы, основанные на применении D-аминокислот, фолиевой кислоты и её производных (фолатов) для обнаружения опухолей и доставки в них лекарственных препаратов.

В злокачественных новообразованиях резко возрастает транспорт в клетки аминокислот через мембрану, связанный с интенсификацией в них белкового синтеза. D-аминокислоты в отличие от L-аминокислот, из которых построены наши белки, попадая внутрь клеток, не метаболизируют, не участвуют в синтезе белков, а накапливаются в них, причём, в раковых они накапливаются намного более охотно, чем в нормальных клетках. В связи с этим было предложено использовать D- аминокислоты в качестве специфических агентов для определения злокачественных новообразований, и последущие исследования на мышах подтвердили, что, используя 2-иод-D-фенилаланин, меченый изотопом I¹²³, можно добиться преимущественного накопления препарата в опухолевой ткани вплоть до 350%. Однако позднее появились данные, что реальная ситуация не столь проста и может зависеть от видовой принадлежности клеток и от типа опухоли.

Другим агентом, имеющим избирательное сродство к злокачественным клеткам, является фолиевая кислота. Клетки транспортируют фолаты через два типа связанных с мембраной белков - переносчик восстановленных фолатов и фолатный рецептор. Первый присутствует практически на всех клетках и представляет собой основной путь физиологического включения фолатов. Второй отвечает за связывание с клеткой окисленных форм фолатов. Хотя низкий уровень концентраций переносчиков восстановленных фолатов достаточен для снабжения фолатами большинства нормальных клеток, фолатный рецептор избыточно экспрессируется на злокачественных клетках, давая им преимущества в конкуренции при ограниченном доступе этого витамина. Существуют многочисленные указания на то, что рецептор фолиевой кислоты часто гиперэкспрессируется на поверхности раковых клеток. Фолиевая кислота имеет очень высокое сродство к своим рецепторам, при этом рецептор эффективно поглощается клеткой при связывании им агента, содержащего фолиевую кислоту. Именно эти особенности транспорта фолатов в клетки широко используются для разработки способов доставки различных агентов, в том числе лекарственных препаратов в опухолевые клетки. Сегодня для этих целей синтезируется немало препаратов на основе фолиевой кислоты.

Несколько лет назад отделением молекулярной и радиационной биофизики ПИЯФ была предложена стратегия поиска избирательного мечения злокачественных образований: путем синтеза производных аминокислот, предшественников нуклеиновых кислот и фолиевой кислоты, меченых радиоизотопами иода, исследования особенностей их связывания с раковыми клетками. Далее, по результатам этих исследований предполагается разработать на их основе диагностикумы и терапевтические радиофармпрепараты для лечения злокачественных образований. Отделение располагает высококвалифицированными химиками с продолжительным опытом работы по синтезу радиоактивно-меченых соединений, а также специалистами по клеточной биологии, работающими на протяжении многих лет над проблемами перерождения нормальных клеток в раковые.

В предварительных исследованиях были установлены граничные условия для синтеза иодфолиевой кислоты I¹²⁵, исходя из взаимодействия фолиевой кислоты с мягким окислителем - иодистым хлором (ICL), чрезвычайно трудно протекающего по известной схеме введения в молекулы ароматических соединений атомов йода с чрезвычайно низкими выходами целевого соединения (порядка 1%) и требующего продолжительностью в 18 часов синтеза в жестких условиях. Нами были разработаны условия для быстрого синтеза в мягких условиях иодфолиевой кислоты I¹²⁵ с высокими выходами продукта (30-40%), что очень важно для успешного синтеза препаратов, меченых короткоживущими изотопами I¹²¹ и I¹²³. Препараты далее исследовались в биологических экспериментах in vitro по связыванию иодфолиевой кислоты с различными линиями клеток злокачественных образований по сравнению с нормальными клетками. Первые же эксперименты, в которых не проводилось оптимизации условий для максимального связывания препарата с клетками, показали, что иодфолиевая кислота намного предпочтительней связывается с клетками некоторых опухолей. В частности, раковые клетки He La в сотни раз более предпочтительно связывали иодфолиевую кислоту I¹²⁵ по сравнению с фибробластами легких эмбрионов человека. Уже из этих результатов следует, что препараты иодфолиевой кислоты, меченые радиоизотопами, являются перспективными для целей диагностики злокачественных образований in vivo. Далее были развёрнуты эксперименты по изучению сравнительной сорбции фолатов раковыми и нормальными клетками с целью установления условий максимального уровня связывания иодфолиевой кислоты с различными линиями клеток, что определит реальные перспективы использования её для диагностики и терапии опухолей и спектр приложений этой методики к различным злокачественным образованиям. Такие исследования проводятся и в настоящее время, для чего понадобилось разрабатывать оригинальные способы синтеза иод-содержащих восстановленных форм фолиевой кислоты, метилированных и формилированных производных этих фолатов. В опытах по сорбции восстановленных фолатов клетками He La было установлено наличие двух механизмов сорбции – медленной и быстрой компонетов процесса сорбции. Далее, впервые нами была синтезирована дииодфолиевая кислота, которая по предположениям должна проявлять более сильное сродство к раковым клеткам, чем моноиодфолиевая кислота. Эксперименты показали, что дииодфолиевая кислота в 4 раза более прочно связывается с белком внутри клетки, чем моноиодфолиевая кислота.

По завершении этого этапа планируется перейти к исследованию возможности использования бромфолиевой кислоты (Br⁸²) для вышеупомянутых целей диагностики и терапии. Дело в том, что некоторые характеристики изотопа I¹²⁵являются далеко не идеальными для препаратов, вводимых в организм пациента. К ним относятся большой период полураспада этого гамма-излучателя – 60 суток, а также опасность скапливания в щитовидной железе радиоактивного йода, высвобождаемого в процессе метаболизма иодофолиевой кислоты в организме пациента, что может приводить к высоким уровням локального переоблучения. Этих недостатков лишён изотоп Br⁸²: период полураспада его составляет 35 часов, и, кроме того, разные формы неорганического брома не обладают свойством преимущественного накапливания в каких либо органах животных. Поэтому в дальнейших исследованиях планируется осуществить разработку синтеза бромфолиевой кислоты (Br⁸²) и провести детальное исследование возможного применения её для диагностики и терапии раковых опухолей.

В то же время, общим недостаткам изотопов I¹²⁵и Br⁸² является то, что они являются гамма-излучателями, дающими при лучевой терапии из-за большого пробега в тканях диффузные и довольно крупные пятна, поражающие не только опухоли, но и здоровые ткани. Заманчиво использовать радиофармпрепараты на основе альфа-излучателей, имеющих пробег в тканях порядка нескольких микрон, что соизмеримо с размером клеток. Возможным претендентом на роль наиболее эффективного терапевтического агента является астат²¹¹, который, однако, невозможно производить на имеющихся сегодня в стране маломощных циклотронах, так как циклотронные установки в ИАЭ им. Курчатова и в Твери рассчитаны на достижение максимальных энергий частиц до 30 МэВ, что недостаточно для получения таких изотопов. Галоген астат²¹¹ – аналог йода, для которого представляется естественным в форме астатфолиевой кислоты прошествовать до той или иной опухоли и наиболее эффективно и избирательно разрушить клетки злокачественного образования. Принимая во внимание планы сооружения в ПИЯФ в ближайшем будущем циклотрона в основном для медицинских целей на энергии в 80 и 200 МэВ, перспективы создания этих препаратов не кажутся столь уж фантастическими.

В перспективе планируется также поисковая работа по синтезу фторированных ароматических аминокислот, сахаров с прицелом на разработку меченых короткоживущим изотопом фтор -18 биологических соединений для использования их в позитронно-эмиссионной томографии. Для этих же целей кажется заманчивым осуществить наработку изотопов I¹²¹, I¹²³, а также Br⁷⁶, являющихся короткоживущими позитроно-распадчиками, далее необходимо будет провести синтез фолиевой кислоты, меченой этими изотопами, и использовать их в ПЭТ для выявления опухолевых образований. Важным преимуществом разработанной в ПИЯФ методики синтеза фолиевой кислоты, меченой изотопами галогенов, является малое время, требуемое для получения конечных продуктов – время синтеза исчисляется минутами в отличие от многочасовых процедур в существующих методиках синтеза менее эффективных препаратов производных фолиевой кислоты.

Перечисленные выше работы проводились и планируются в будущем к реализации в тесном сотрудничестве с подразделениями Радиевого института им. Хлопина и ЦНИРРИ, которые расположены на территории ПИЯФ. Эти совместные усилия крупных отраслевых институтов в рамках программы «Ядерная медицина» могут привести с пуском реактора ПИК и вводом в эксплуатацию указанной циклотронной установки к постановке вопроса о создании в Гатчине областного онкологического центра, обладающего широким арсеналом самых современных диагностических и терапевтических средств для успешной борьбы со злокачественными образованиями.

Вед.науч.сотр. ПИЯФ

Г.А. Багиян