Одно из основных направлений повышения эффективности лекарственной терапии рака связано с поиском новых противоопухолевых агентов, обладающих большей антибластической активностью (в том числе, по отношению к химиорезистентным опухолям), специфичностью и не оказывающих повреждающего действия на организм [14]. Большое внимание в области разработки новых противоопухолевых средств уделяется исследованию агентов на основе переходных d-металлов. Интерес к d-металлам определяется не только их способностью подавлять рост клеток, но и участием в разнообразных физиологических функциях, поскольку многие представители этой группы являются эссенциальными микроэлементами [11].
Развитие нанотехнологий и внедрение их в медицину приобрело большое значение для онкологии. Так, для таргетной терапии опухолей используются функционализированные различными лигандами наночастицы металлов, показана эффективность лечения рака печени с помощью нацеливания магнитных наночастиц, содержащих 5-фторурацил [15, 13]. Металлические наночастицы также используются в качестве контейнеров для доставки лекарственных средств к тканям-мишеням, проведения гипертермии, фотодинамической и радиотерапии [10]. В качестве самостоятельных лекарственных средств наночастицы переходных металлов пока не нашли применения, имеются лишь отдельные исследования по использованию наночастиц металлов в ветеринарии и экспериментальной онкологии [6]. На наш взгляд, использование различных наноконструкций d-металлов в качестве самостоятельных противоопухолевых средств может быть перспективным, поскольку в ультрадисперсной форме они обладают пролонгированным действием и меньшей токсичностью по сравнению с солями [2].
Поскольку к проявлениям биологической активности наночастиц относят их способность вызывать развитие окисидативного стресса, что может привести к гибели клеток [12], мы сочли интересным изучить изменение ряда показателей, характеризующих активность и регуляцию свободнорадикального окисления в крови животных-опухоленосителей, в зависимости от выраженности антибластомного эффекта наночастиц металлического железа.
В опытах in vivo нами изучено влияние наночастиц железа на рост перевиваемой фибросаркомы крыс (экспериментальная опухоль – саркома 45, получена из банка опухолевых штаммов Российского Онкологического Центра РАМН) и ряд показателей, отражающих состояние свободнорадикальных процессов в крови животных-опухоленосителей. Всего в исследовании было использовано 76 нелинейных крыс-самцов: 39 животных с саркомой 45 и 37 крыс без опухоли.
Использовали нанопорошки железа, полученные из крупнодисперсных порошков с помощью плазменной технологии, основанной на испарении сырья (крупнодисперсного порошка или прутка) в плазменном потоке с температурой 5000–6000 К и конденсации пара до ультрадисперсных частиц требуемого размера (дисперсность частиц 30–50 нм). Форма наночастиц была близка к сферической. Исследование структуры наночастиц и их растворов в 0,9 % NaCl методом рентгеновской спектроскопии на основе анализа тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в области края поглощения (XANES – X-ray absorption near edge spectroscopy) показало, что наночастицы представляли собой металлическое железо в оксидной оболочке и что в 0,9 % NaCl наночастицы не окислялись [8].
Наночастицы (НЧ) железа суспендировали в физиологическом растворе непосредственно перед использованием и вводили животным 8-кратно по 4 введения в неделю с 5-дневным перерывом после 4-го введения. Разовая доза НЧ составила 1,25 мг/кг массы, курсовая – 10 мг/кг. Использовали два способа введения наночастиц: локально в опухоль и внутрибрюшинно. В контрольной группе животным-опухоленосителям внутрибрюшинно вводили 0,9 %-й раствор хлорида натрия (по 0,3 мл). Введение наночастиц начинали при достижении размеров опухоли в среднем 1,24 ± 0,17 см3 (от 0,16 до 2,64 см3). Забой животных осуществляли на 23–26-е сутки после перевивки опухоли. Критериями оценки влияния НЧ железа на рост экспериментальных опухолей служили индекс эффективности и процент торможения роста опухоли – ТРО (по объему опухоли – Тv %, по массе опухоли – Тm %).
Для оценки влияния введения животным наночастиц железа на состояние окислительного метаболизма был исследован ряд показателей, характеризующих интенсивность перекисного окисления липидов и функционирование антиоксидантной системы крови. Интенсивность липопероксидации оценивали по накоплению в эритроцитах и плазме крови продуктов реакции с тиобарбитуровой кислотой в пересчете на концентрацию малонового диальдегида (МДА), как наиболее изученного продукта перекисного окисления липидов [1]. Для оценки состояния антиоксидантной системы в 1 % гемолизатах эритроцитов определяли активность супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы, в плазме крови определяли каталазную активность, а также оценивали оксидазную активность церулоплазмина [1]. Значения биохимических показаний, полученные у экспериментальных животных, как с введением, так и без введения (контрольная группа) наночастиц железа, сопоставлялись со значениями этих показателей у интактных крыс. Для оценки воздействия наночастиц на процессы окисления в организме здоровых животных в исследование была включена группа крыс без опухоли (группа сравнения), которая получала внутрибрюшинные инъекции взвеси наночастиц в указанных выше дозах по аналогичной схеме.
Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием пакета статистических программ «Statistica 6.0». Различия считали статистически значимыми при p < 0,05 и более.
У животных с саркомой 45 регрессия или торможение роста опухоли при введении НЧ железа наблюдались в 66,6 % случаев (у 12 животных из 18): при интратуморальном введении НЧ – у всех животных, при внутрибрюшинном введении НЧ – у половины животных. Процент ТРО составил: по объёму опухоли (Тv %) – 49,3 % (р < 0,05), по массе опухолевого узла (Тm %) – 53,4 % (р < 0,05). Индекс эффективности воздействия наночастиц железа составил 2,15. Введение наноразмерного железа локально в опухоль оказалось более эффективным по сравнению с внутрибрюшинным введением. Так торможение роста опухоли при интратуморальном введении железа было почти втрое выше, чем при внутрибрюшинном введении, при этом у двух третей животных рост опухоли был снижен в 4–7 раз по сравнению с контрольной группой, а у остальных животных наблюдалась полная резорбция опухолевого очага.
Анализ полученных данных показал, что введение взвеси наночастиц металлического железа животным без опухоли в указанных дозах не приводило к существенному изменению изученных показателей антирадикальной защиты. Отмечалось лишь незначительное повышение каталазной активности в эритроцитах (на 22,0 %), которое, вероятнее всего, носило компенсаторный характер в ответ на стимуляцию окислительных процессов наночастицами [9]. В то же время мы не наблюдали развития выраженных проявлений оксидативного стресса, так как содержание МДА, промежуточного продукта ПОЛ, сохранялось на уровне нормативных величин (таблица).
Некоторые показатели состояния свободнорадикальных процессов в крови крыс с саркомой 45 при различной эффективности противоопухолевого действия НЧ железа (M ± m)
|
Показатели |
Интактная группа, n = 27 |
Группа сравнения, n = 10 |
Контрольная группа, n = 21 |
Введение наночастиц железа |
|
|
без эффекта, n = 6 |
с эффектом, n = 12 |
||||
|
СОД Усл.ед.актив./мг, Hb |
478,9 ± 27,2 |
451,1 ± 29,7 |
486,2 ± 27,5 |
452,0 ± 40,1 р2 < 0,05 |
384,8 ± 11,6 р < 0,05 р1 < 0,05 рк < 0,05 |
|
Каталаза эритр., МЕ/мг Hb |
129,2 ± 5,1 |
157,6 ± 6,87 р < 0,05 |
115,25 ± 7,54 р1 < 0,05 |
82,84 ± 4,58 р < 0,001 р1 < 0,05 рк < 0,05 |
86,6 ± 2,54 р < 0,001 р1 < 0,05 рк < 0,001 |
|
МДА эритр.,нмоль/мг Hb |
4,75 ± 0,43 |
4,21 ± 0,30 |
7,89 ± 0,74 р < 0,001 р1 < 0,05 |
6,54 ± 0,70 р < 0,05 р1 < 0,05 р2 < 0,05 |
5,05 ± 0,31 рк < 0,05 |
|
Каталаза плазма, МЕ/л |
45,04 ± 3,33 |
47,9 ± 6,55 |
59,46 ± 3,50 р < 0,01 |
51,32 ± 8,22 р2 < 0,05 |
73,75 ± 5,38 р < 0,001 р1 < 0,05 рк < 0,05 |
|
ЦП плазмы, мкМ/л |
1,973 ± 0,134 |
1,995 ± 0,070 |
2,203 ± 0,220 |
1,109 ± 0,077 р < 0,01 р1 < 0,05 рк < 0,01 |
1,770 ± 0,239 |
|
МДА плазмы, нмоль/мл |
3,59 ± 0,61 |
3,88 ± 0,81 |
8,65 ± 0,96 р < 0,001 р1 < 0,05 |
9,44 ± 1,71 р < 0,01 р1 < 0,05 |
8,82 ± 0,89 р < 0,001 р1 < 0,05 |
Примечание. р – статистическая значимость различий по сравнению с группой интактных животных; рк – статистическая значимость различий по сравнению с контрольной группой; р1 – статистическая значимость различий по сравнению с группой сравнения; р2 – статистическая значимость различий между группами без эффекта и с эффектом.
У животных с саркомой 45 отмечался рост активности каталазы в плазме на 32,0 % (таблицы). Несмотря на то, что мы не выявили существенных изменений показателей, отражающих напряжённость антиоксидантных процессов, увеличение концентрации МДА как в эритроцитах – на 66,1 %, так и в плазме крови – на 140,9 %, указывало на усиление оксидантных процессов. Таким образом, при опухолевом росте наблюдалась системная интенсификация процессов перекисного окисления липидов, свидетельствовавшая о несостоятельности регуляции процессов свободнорадикального окисления. Дисбаланс в системе антиоксидантной защиты характерен для злокачественных новообразований различной локализации [3, 4].
После введения наночастиц железа у животных-опухоленосителей наблюдались разнонаправленные изменения изучаемых процессов, которые были взаимосвязаны с полученным антибластомным эффектом. У крыс без эффекта (рост опухоли) наблюдалось уменьшение активности каталазы в эритроцитах, как по отношению к интактным животным, так и значениям в контрольной группе – на 35,9 % и 28,1 % соответственно (таблица). В плазме крови имело место снижение оксидазной активности церулоплазмина по отношению к интактной группе – на 43,8 %, по отношению к контрольной группе – на 49,7 %. Снижение защитных антирадикальных механизмов привело к накоплению МДА по отношению к нормативным значениям: в эритроцитах – на 37,7 %, в плазме более чем в 2,6 раза. Отметим, что у животных данной группы показатели МДА не отличались от значений в контроле. Следовательно, несмотря на дисбаланс в системе «оксидантные-антиоксидантные процессы», введение наночастиц металлического железа не вызывало дополнительного усиления процессов липопероксидации при опухолевом росте.
При развитии терапевтического эффекта (регрессия или торможение роста опухоли) в эритроцитах наблюдалось уменьшение активности СОД (на 19,6 %) и каталазы (на 33,0 %) по отношению к норме. Поскольку изучаемые ферменты являются индуцибельными [7], снижение напряженности в работе ферментативного каскада «СОД-каталаза» скорее всего, было связано с нормализацией оксидативных процессов, на что указывало уменьшение содержания продуктов ПОЛ в эритроцитах на 36,0 % относительно контрольной группы (таблица). Выявленное изменение окислительного метаболизма в эритроцитах отражает процесс снижения тканевой гипоксии и процессы восстановления дисбаланса окислительных процессов в организме [5], что может способствовать поддержанию неспецифической противоопухолевой резистентности. В плазме крови у животных данной группы интенсивность накопления продуктов липопероксидации не отличалась от таковой в группе животных без эффекта, однако повышение активности каталазы свидетельствовало об активации компенсаторных механизмов. Данный показатель превышал не только норму на 63,7 %, но и уровень у животных контрольной группы на 24,0 %.
Полученные результаты позволяют прийти к заключению о том, что применение наночастиц железа в указанных дозах не вызывает развития выраженного оксидативного стресса в организме животных. Введение наночастиц крысам с ростом саркомы 45 не приводит к дальнейшему повышению интенсивности ПОЛ, характерному для опухолевого роста, а регрессия опухоли под действием наночастиц сопровождается выраженным снижением оксидативных процессов в эритроцитах. Это может играть важную роль в реализации их противоопухолевого эффекта.
«Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-04-32046 мол_а».
Рецензенты:
Шихлярова А.И., д.б.н., профессор, руководитель лаборатории изыскания новых противоопухолевых средств и изучения механизмов их действия, ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» Минздрава России, г. Ростов-на-Дону;
Чистяков В.А., д.б.н., г.н.с. Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» Минобрнауки России, г. Ростов-на-Дону.