Жидкокристаллические дисперсии комплексов днк с гадолинием - потенциальная платформа для нейтронозахватывающей терапии

     Нейтронозахватывающая терапия (НЗТ) — метод лечения злокачественных опухолей, в основе которого лежит реакция захвата нейтронов нерадиоактивными элементами, происходящая при действии на них тепловых нейтронов [1]. Одним из таких нерадиоактивных элементов является гадолиний (Gd). В случае Gd-H3T используют реакцию захвата нейтронов с участием введенного in vivo препарата ¹⁵⁷Gd. Ядерная реакция захвата нейтронов — ¹⁵⁷Gd(n,γ)¹⁵⁸Gd сопровождается появлением у-квантов и оже-электронов, разрушающих ткань опухоли [1] и повреждающих ДНК неопластических клеток [2]. Ключ к успеху в Gd-НЗТ — создание нетоксичных [3, 4] молекулярных конструкций [5-8], способных удержать высокую концентрацию Gd³⁺ после внутриопухолевой инъекции препарата. Особое внимание уделяется различного рода наночастицам, содержащим в своем составе Gd³⁺ [4, 9, 10].

     Впервые получены частицы холестерических жидкокристаллических дисперсий двухцепочечной ДНК, имеющие микроскопический размер и содержащие в своем составе ионы редкоземельных элементов. Свойства частиц заметно отличаются от свойств классических холестериков ДНК. Локальная концентрация редкоземельных элементов в частице достигает 200 мг/мл. Частицы дисперсии комплекса (ДНК-гадолиний) сохраняют свои свойства в течение длительного времени. Сочетание микроскопического размера частиц, высокой концентрации гадолиния в частицах и стабильности открывает возможность для их практического применения. В настоящей работе в качестве системы, позволяющей достичь высокой концентрации гадолиния, использовали частицы холестерической жидкокристаллической дисперсии (хЖКД) двухцепочечной (дц) ДНК.

     На рис. 1 в качестве примера приведен спектр кругового дихроизма (КД) линейной дцДНК, обработанной GdCl₃. По мере взаимодействия ионов Gd³⁺ с ДНК амплитуда положительной полосы в спектре КД при λ 280 нм уменьшается, и при концентрации GdCl₃ ~ 2.5 • 10^-5 М полоса меняет свой знак. Аналогичное изменение формы спектра КД наблюдается при добавлении ионов La³⁺, Nd³⁺ или Sm³⁺. Такое искажение формы спектра КД наблюдалось ранее при взаимодействии ионов двух- и трехвалентных металлов с ДНК [11, 12]. Оно объясняется в рамках образования хелатных комплексов ионов с парами оснований, сопровождаемого нарушением параметров вторичной структуры диДНК (вплоть до разделения цепей) [13, 14]. Очевидно, что, несмотря на взаимодействие ионов редкоземельных металлов с линейными молекулами диДНК, создать их высокую концентрацию в этой системе невозможно.

     Иная ситуация имеет место в случае хЖКД дцДНК. При фазовом исключении двухцепочечных молекул ДНК из водно-полимерных растворов, эти молекулы образуют ЖКД, свойствами которых легко управлять, меняя осмотическое давление раствора или свойства молекул ДНК [15]. В частице хЖКД соседние молекулы дцДНК не только упорядочены, но их локальная концентрация достигает 400 мг/мл [15]. На рис. 2 в качестве примера спектр КД исходной ЖКД дцДНК сопоставлен со спектрами КД этой дисперсии после ее обработки GdCl₃. Амплитуда отрицательной полосы в спектре КД при ~ 270 нм, характерная для ХЖКД дцДНК, увеличивается, а ее максимум смещается в красную область. Изменение формы спектра КД свидетельствует о том, что ионы Gd³⁺ (так же как ионы La³⁺, Nd³⁺ или Sm³⁺) взаимодействуют с дцДНК в составе хЖКД.

     При анализе наблюдаемого эффекта нужно учитывать несколько фактов. Во-первых, если при взаимодействии этих ионов с диДНК в составе частиц хЖКД существенно нарушалась бы взаимная ориентация азотистых оснований, то это приводило бы в принципе только к уменьшению амплитуды отрицательной полосы в спектре КД. Во-вторых, разделение цепей молекул дцДНК в составе частиц хЖКД, которым могло бы сопровождаться взаимодействие ионов редкоземельных элементов с молекулами дцДНК, невозможно по стерическим причинам. В-третьих, увеличение амплитуды полосы наблюдается при концентрации ионов Gd³⁺, существенно превышающей концентрацию, необходимую для искажения формы спектра линейной дцДНК (рис. 1).

     Наконец, оценка концентрации Gd³⁺ в составе частиц ХЖКД дцДНК, основанная на измерении их магнитной восприимчивости, показала, что один ион Gd³⁺ приходится на одну фосфатную группу дцДНК, т.е. фосфатные группы молекул дцДНК, несущие отрицательный заряд, нейтрализованы ионами Gd³⁺, несущими положительный заряд. Эти факты позволяют предположить, что амплификация отрицательной полосы в спектре КД связана с причиной, отличающейся от названных выше причин искажения формы спектра КД линейной дцДНК. Теория позволяет считать, что наиболее вероятная причина наблюдаемого эффекта (рис. 2) — изменение параметров пространственной структуры частиц хЖКД дцДНК, в частности величины шага (Р) их холестерической структуры. Образование малорастворимого комплекса между ионами Gd³⁺ и фосфатами дцДНК приводит к тому, что характер распределения зарядов на поверхности молекул дцДНК меняется, что может приводить к изменению величины Р. Расчеты показали, что уменьшение величины Р соответствует наблюдаемому увеличению амплитуды отрицательной полосы в спектре КД. Кроме того, суммарный поверхностный заряд у частиц ХЖКД дцДНК приводит к их стабилизации, затрудняющей слияние частиц в единую фазу.

     Действительно, несмотря на термический "тренинг" осадка частиц хЖКД дцДНК, обработанных GdCl₃, непрерывная фаза, имеющая характерную текстуру, регистрируемую при помощи поляризационного микроскопа, не образуется. В этом отношении полученные частицы отличаются от исходных частиц хЖКД дцДНК, легко образующих при термическом тренинге фазу, характеризуемую текстурой "отпечатков пальцев". Хотя осадок частиц ХЖКД дцДНК после их обработки GdCl₃ интенсивно рассеивает рентгеновы лучи, в силу изотропного "поведения" частиц на кривой рассеяния отсутствует максимум, соответствующий среднему расстоянию между молекулами дцДНК в частице хЖКД (в отличие от осадка исходной ХЖКД дцДНК, характеризуемого величиной 31-32 А). Следовательно, свойства частиц ХЖКД дцДНК, обработанных GdCl₃, заметно отличаются от свойств исходных хЖКД дцДНК. Существование независимых малорастворимых частиц ХЖКД дцДНК после их обработки GdCl₃ подтверждается визуализацией этих частиц.

     На рис. 3 приведен вид этих частиц, иммобилизованных на ядерном мембранном фильтре. Средний размер частиц составляет 4500-5000 А. Исходные частицы ХЖКД дцДНК в отсутствие осмотического давления растворителя не существуют и их иммобилизация в использованных условиях, а следовательно и визуализация, просто невозможна. Визуализация единичных частиц свидетельствует о том, что при обработке GdCl₃ частиц ХЖКД дцДНК "жидкостный" характер упаковки молекул дцДНК в этих частицах исчезает и у частиц появляется жесткая пространственная структура. Следует при этом иметь в виду, что согласно проведенным расчетам локальная концентрация Gd³⁺ в составе частиц ХЖКД дцДНК достигает 200 мг/мл. Таким образом, высокая аномальная оптическая активность частиц ХЖКД дцДНК, обработанных Gd³⁺, высокая концентрация Gd³⁺ в составе этих частиц открывают потенциальную возможность для применения полученных частиц не только в медицине (в качестве платформы для нейтронозахватывающей терапии), но и в технике (в качестве элемента, имеющего стабильные аномальные оптические свойства).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. Tokimitsu H., Ichikawa H., Saha T.K. et al. // S.T.P. Pharma Sci. 2000. V. 10. P. 39-49.
2. 2. Martin R.F., D'Cunha G., Pardee M. et al. // Intern. J. Radiat Biol. 1988. V. 54. P. 205-208.
3. 3. Greiberg J., Wolf J.M., Wyman J. et al. // J. Orthopaed. Res. 2001. V. 19. P. 797-801.%
4. 4. Tokimitsu H., Hiratsuka J., Sakurai Y. et al. // Cancer Lett. 2000. V. 150. P. 177-182.
5. 5. Caravan P., Greenwood J.M., Joel T. et al. |/ Chem. Communs. 2003. V. 20. P. 2574-2575.
6. 6. Leclercq F., Cohen-Ohara M., Mignet N. et al. // Bio-conjugate Chem. 2003. V. 14. P. 112-119.
7. 7. Salt C., Stasio G., Schuerch S. et al. In: Proc. X Interna-tional Congress on Neutron Capture Therapy. Essen, 2002. P. 803-805.
8. 8. Doiury F., Guene E., Di Scala-Rouleau A. et al. // Tetra-hedron Lett. 2005. V. 46. P. 611-613.
9. 9. Tokimitsu H., Ichikawa H., Fukimori Y. et al. |/ Chem. Pharm. Bull. (Tokyo). 1999. V. 47. P. 838-842.
10. 10. Saha T.K., Jono K., Ichikawa H. et al. // Chem. Pharm. Bull. 1998. V. 46. P. 537-539.
11. 11. Rosetto F.E., Nieboer E. // J. Inorg. Biochem. 1994. V. 54. P.167-186.
12. 12. Gruenwedel D.W., Cruikshank M.K. // J. Inorg. Bio-chem. 1991. V. 43. P. 29-36.
13. 13. Li L., Yang J., Wu X. et al. // J. Luminescence. 2003. V. 101. P. 141-146.
14. 14. Haertle T., Augustyniak J., Guschbauer W. // Nucl. Ac-ids Res. 1981. V. 9. P. 6191-6197.
15. 15. Евдокимов Ю.М. // Жидкие кристаллы и их практ. использование. 2003. H. 3. C. 10-47.

Смотрите так же

Россия на мировом рынке мышьяка и его соединений

Тепловое расширение кристалла InI

Некоторые тенденции мирового рынка