Источники нейтронов
В мире (Японии, Аргентине, Бельгии, России) идет разработка установок, генерирующих нейтроны на основе ускорителей [21]. Несмотря на достижение проектных параметров, проведение терапии на установках до сих пор не осуществляется, поскольку еще не сформирован поток нейтронов, удовлетворяющий клиническим требованиям БНЗТ. Созданные установки являются экспериментальными прототипами, на которых проводят научные исследования.
В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск, Россия) построен оригинальный источник нейтронов ускорительного типа, отвечающий требованиям БНЗТ [22-24]. Объединенная группа физиков, биологов и врачей проводит серию экспериментов для оценки эффективности ускорителя, который в дальнейшем будет использоваться в доклинических и клинических испытаниях. На базе Новосибирского национального исследовательского государственного университета функционирует лаборатория медикобиологических проблем БНЗТ, в которой проводятся фундаментальные исследования по БНЗТ in vitro и in vivo. Изучаются способы доставки и разрабатываются протоколы рационального применения метода на моделях опухолей у лабораторных животных [25]. В ближайшие годы планируется приступить к проведению первой фазы клинических испытаний метода БНЗТ у пациентов с глиальными опухолями [26].
бор нейтронозахватный глиальная опухоль
Борсодержащие производные
Эффективность проведения БНЗТ напрямую связана с препаратами 10В. Они должны быть не токсичными, накапливаться преимущественно в опухоли с разницей опухоль/нормальная ткань > 3:1 в дозах ~ 20-50 мкг 10B, относительно быстро выводиться из крови и нормальных тканей, при этом оставаясь в опухоли в течение как минимум нескольких часов в процессе нейтронного облучения. В настоящее время в клинике используются два низкомолекулярных борсодержащих препарата: BPA и BSH. Несмотря на то что они далеки от совершенства, их терапевтическая эффективность была продемонстрирована у пациентов с глиомами высокой степени градации, рецидивирующими опухолями области головы и шеи, а также меланомой [27].
Было установлено, что пролонгированная инфузия BPA повышает эффективность БНЗТ. При проведении длительной инфузии медиана выживаемости увеличилась с 12,8 месяца при 2-часовой инфузии до 17,7 месяца при 6-часовой, в связи с чем рекомендовано использовать 6-часовую инфузию BPA в будущих клинических исследованиях БНЗТ [28].
Для планирования БНЗТ у пациентов с глиальными опухолями важна оценка соотношения концентрации бора в опухоли и окружающей нормальной ткани мозга. ПЭТ - метод визуализации, позволяющий производить фармакокинетический анализ концентрации аминокислот в опухоли путем детекции 18F в его составе. Отношение концентрации бора можно оценить путем сканирования с 18F-BPA [29]. Альтернативный вариант предложили Iguchi с соавт., которые добавили 1,4,7,10-тетраазациклододекано-1,4,7,10-тетраацетиловую кислоту (DOTA), связанную с медью-64, к короткоцепочечному пептиду из остатков аргинина (3R) к BSH. В исследованиях BSH-DOTA-64Cu и BSH-3R-DOTA-64Cu вводили в/в мышам с опухолью и определяли фармакокинетику лекарств с помощью ПЭТ-визуализации. BSH-3R показал высокое поглощение в области опухоли при ПЭТ-визуализации. Был сделан вывод о том, что BSH-3R является идеальным соединением бора для клинического применения БНЗТ [30].
Поскольку ни BSH, ни BPA полностью не соответствуют критериям общих требований БНЗТ, существует настоятельная необходимость в разработке новых агентов доставки бора. С развитием более совершенных методов синтеза и повышением осведомленности о необходимых биохимических свойствах появился ряд новых агентов доставки бора. К ним относятся борсодержащие порфирины, аминокислоты, полиамины, нуклеозиды, пептиды, моноклональные антитела, липосомы, наночастицы различных типов, кластерные соединения бора, сополимеры и др. Основной задачей при их разработке является требование избирательной направленности на опухолевые клетки и доставки в терапевтических концентрациях бора с минимальным поглощением и удержанием нормальными тканями. Дополнительным фактором, ограничивающим эффективное уничтожение клеток глиальных опухолей при проведении БНЗТ, является отсутствие накопления борсодержащих агентов в области сохраненного гематоэнцефалического барьера [30].
Среди высокомолекулярных соединений, содержащих 10B, особое внимание уделялось факторам роста и антителам к ним. Исследование молекулярно-биологических механизмов онкогенеза глиальных опухолей выявило группу рецепторов тирозиновых киназ, экспрессия которых наиболее часто повышена в опухолях головного мозга. Лидирующее положение занимают эпидермальный фактор роста и фактор роста эндотелия сосудов. Как сами эти белки, так и их рецепторы являются привлекательной мишенью для селективного воздействия на опухолевые клетки. В связи с этим были синтезированы борсодержащие факторы роста и моноклональные антитела к их рецепторам, в том числе на основе коммерчески доступного препарата «Сetuximab». Новые борсодержащие соединения испытаны в лабораторных условиях на культуре опухолевых клеток и лабораторных животных [31]. Предлагаемые препараты вызывали повышение терапевтического эффекта при совместном использовании с BPA, однако, несмотря на заявленные успехи, в клиническую практику предлагаемые препараты до сих пор не внедрены.
Среди низкомолекулярных соединений следует отметить борсодержащие производные и аналоги аминокислот, сахаров, порфиринов, нуклеозидов [32]. Привлекательным подходом представляется получение и использование агентов, содержащих остатки дикарбоклозододекарборанов (карборанов). В частности, карборансодержащие аналоги тимидина являются подходящими субстратами для тимидинкиназы-1 - фермента, активно экспрессируемого пролиферирующими клетками опухолей [33].
Привлекательными кандидатами для создания препаратов адресной доставки бора в опухолевые клетки являются производные природных аминокислот и пептидов. Данные соединения являются сравнительно простыми по структуре и вместе с тем способны избирательно поглощаться пролиферирующими клетками по механизму активного транспорта. Научными коллективами нашей страны разработаны синтетические подходы к различным, в том числе планарно-хиральным карборанил-производным природных аминокислот [34, 35]. Известно, что пространственная конфигурация имеет существенное значение для фармакокинетических и фармакодинамических показателей хиральных соединений.
Значительное внимание уделяется разработке агентов доставки борсодержащих соединений на основе липосом [36]. Предлагаемые подходы позволяют достичь эффективного, но не селективного поглощения соединений бора, поэтому липосомы конъюгируют с опухолеспецифичными лигандами. В качестве таких лигандов широко используются трансферрин и фолиевая кислота, рецепторы к которым оверэкспрессированы в опухолевых клетках. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз таких липосом обеспечивает адресность поглощения, значительное повышение концентрации 10В в опухолевой ткани и, как следствие, увеличение продолжительности жизни экспериментальных животных в 1,5-2 раза.
В последние 5 лет были предприняты попытки конструирования в качестве носителей борнитридных и карборановых нанотрубок, содержащих фолиевую кислоту в качестве опухолеспецифичного лиганда. Проведенные эксперименты продемонстрировали адресность воздействия в опытах на культуре клеток. В экспериментах in vivo по накоплению соединений 1-амино-3-бороциклопентанокарбоксиловой кислоты были выявлены значения градиента опухоль/кровь, перспективные для проведения сеансов облучения. Рацемат 9а показал наиболее селективное накопление спустя 1 ч после введения в концентрации 21 мг/кг массы тела и составил 16 ррт для опухоли, 5,5 ррт для крови и 4 ррт для ткани мозга, что обеспечивает терапевтическое соотношение 4/1 [37]. При сравнении с BPA установлено, что 70% поступающего в опухолевую клетку соединения находится в свободном либо слабосвязанном состоянии, что приводит к пассивной диффузии вещества в межтканевое пространство. Для BPA ситуация может быть исправлена дополнительным присутствием фенилаланина для обеспечения равновесной концентрации [38].
Другими авторами была предложена структура пептида BSH-11R, проникающего в клетку и обеспечивающего высокую проникающую способность для BSH в опухолевые клетки, находящиеся за пределами гематоэнцефалического барьера. Его модификация позволила получить пептид, комбинированный с восемью молекулами BSH и туморотропным доменом, что не только обеспечивает высокую проникающую способность, но также позволяет доставить больше бора и обеспечить таргетную функцию носителя. При проведении in vitro экспериментов выявлено подавление опухолевого роста колоний клеток ГБМ U87 уже в первые 24 ч после облучения нейтронами [39].
Среди перспективных агентов доставки стоит выделить карборанилметилбензо[б]акридоны, поскольку при испытаниях in vitro на клетках глиомы u87 установлена концентрация 10B 2,8х1010 атомов на клетку, что превышает рекомендуемую концентрацию в 108--109 атомов [40].
Несмотря на развитие крупномолекулярных соединений бора, таких как полимеры и наночастицы, для усиления эффекта проницаемости и удерживания, их эффекты остаются недостаточными для клинического использования. Для повышения эффективности доставки бора к месту опухоли была предложена комбинация самосборного борсодержащего полианиона (ПЭГ-b-PMBSH) в сочетании с катионным микропузырьком (B-MB) при воздействии сфокусированного ультразвука 1 МГц. При ультразвуковой обработке B-MB могут одновременно обеспечить безопасное открытие гематоэнцефалотуморального барьера и доставку бора в опухолевую ткань [41]. В другом исследовании в качестве агентов доставки использовались микропузырьки с BPA и ультразвук в диапазоне 558 кГц. Соотношение между количеством бора при воздействии ультразвука и без него составило 6,7 ± 0,5 (123 ±25 ррт) к 4,1 ± 0,4 (85 ± 29 ррт) в контрольной группе. Высокая концентрация внутри опухоли сохранялась дольше по сравнению с контрольной и составила 0,86 ± 0,10 к 0,29 ± 0,08 [42].
В качестве другого способа может быть использовано связывание гадолиния и бора с липопротеином низкой плотности, что обеспечит доставку бора в ткани опухоли и повышение концентрации до 37 ± 4 ррт в течение 6 ч после окончания введения in vivo. Наличие гадолиния позволит визуализировать накопление Gd/B/L в опухоли с помощью МРТ-диагностики. Преимуществами данного соединения являются эффективная доставка бора и возможность опосредованного отслеживания концентрации бора в опухоли в динамике [43].
Разработка новых борсодержащих производных носит исследовательский характер, и ни один из препаратов не дошел до клинической стадии исследований, в связи с чем в настоящее время оптимальным путем для дальнейшего улучшения клинической эффективности БНЗТ является оптимизация использования препаратов BPA и BSH.
Заключение
Актуальность внедрения методики БНЗТ в практику очевидна, поскольку распространенность онкологических заболеваний и, как следствие, смертность неуклонно растут. Лечение онкологических заболеваний с помощью БНЗТ обещает быть простым в случае преодоления препятствий на пути реализации ее уникальных свойств. Несмотря на то что клинические испытания методики БНЗТ на ядерных реакторах продемонстрировали ее эффективность в лечении глиальных опухолей, до сих пор этот метод находится на экспериментальной стадии в связи со сложностью реализации. Для широкого внедрения БНЗТ в клиническую практику требуется дальнейшее проведение исследований с крупными выборками для рандомизации полученных результатов и выявления оптимальных протоколов терапии на ускорительных источниках нейтронов. Проблема адресного накопления в опухолевых клетках борсодержащих препаратов остается пока нерешенной и ограничивает продвижение данного метода лечения в клиническую практику. Адресная доставка позволит снизить дозу препарата, необходимую для получения терапевтического эффекта, и минимизировать побочные эффекты от его применения. Дальнейшие исследования позволят оптимизировать метод лечения злокачественных опухолей с помощью нейтронозахватной терапии, способствуя поиску наиболее эффективных препаратов для БНЗТ.
Список литературы
1. Godwin J.T., Farr L.E., Sweet W.H., Robertson J.S. Pathological study of eight patients with glioblastoma multiforme treated by neutron-capture therapy using boron 10. Cancer. 1955. Vol. 8. No. 3. P. 601-615. DOI: 10.1002/1097-0142(1955)8:3<601::AID-CNCR2820080326>3.0.CO;2-R.
2. Slatkin D.N. A history of boron neutron capture therapy of brain tumours. Postulation of a brain radiation dose tolerance limit. Brain. 1991. Vol. 114. Pt. 4. P. 1609-1629. DOI: 10.1093/brain/114.4.1609.
3. Hatanaka H. Clinical results of boron neutron capture therapy. Basic Life Sci. 1990. Vol. 54. No. 15. Р. 15-21.
4. Nakagawa Y., Hatanaka H. Boron neutron capture therapy: clinical brain tumor studies. J. Neurooncol. 1997. Vol. 33. No. 1-2. P. 105-115. DOI: 10.1023/A:1005781517624.
5. Moss R., Watkins P., Vroegindeweij C., Stecher-Rasmussen F., Huiskamp R., Ravensberg K., Appelman K., Sauerwein W., Hideghety K., Gabel D. The BNCT facility at the HFR Petten: Quality assurance for reactor facilities in clinical trials. In: IAEA-TECDOC-1223. Current Status of Neutron Capture Therapy. International Atomic Energy Agency. Vienna, 2001. P. 268-274.
6. Busse P.M., Zamenhof R.G., Harling O.K., Kaplan I., Kaplan J., Chuang C.F., Goorley J.T., Kiger III W.S., Riley K.J., Tang L., Solares G.R., Palmer M.R. The Harvard-MIT BNCT Program. Overview of the clinical trials and translational research. In: Hawthorne M.F., Shelly K., Wiersema R.J. (eds). Frontiers in Neutron Capture Therapy. Kluwer Academic/Plenum Publishers, N.-Y, 2001. P. 37-60. DOI: 10.1007/978-1-4615-1285-1_4.
7. Capala J., Stenstam B.H., Skold K., Munck af Rosenschold P., Giusti V., Persson C., Wallin E., Brun A., Franzen L., Carlsson J., Salford L., Ceberg C., Persson B., Pellettieri L., Henriksson R. Boron neutron capture therapy for glioblastoma multiforme: clinical studies in Sweden. J. Neurooncol. 2003. Vol. 62. No. 1-2. P. 135-144. DOI: 10.1007/BF02699940.
8. Honova H., Safanda M., Petruzelka L., Burian J., Marek M., Rejchrt J., Sus F., Tovarys F., Dbaly V., Honzatko J., Tomandl I., Mares V. [Neutron capture therapy in the treatment of glioblastoma multiforme. Initial experience in the Czech Republic]. Cas. Lek. Cesk, 2004. Vol. 143. No. 1. P. 44-47.
9. Menendez P.R., Roth B.M., Pereira M.D., Casal M.R., Gonzalez S.J, Feld D.B, Santa Cruz G.A, Kessler J., Longhino J., Blaumann H., Jimenez Rebagliati R., Calzetta Larrieu O.A., Fernandez C., Nievas S.I., Liberman S.J. BNCT for skin melanoma in extremities: updated Argentine clinical results. Appl. Radiat. Isot. 2009. Vol. 67. No. 7-8 Suppl. P. S50-S53. DOI: 10.1016/j.apradiso.2009.03.020.
10. Kankaanranta L., Seppala T., Koivunoro H., Valimaki P., Beule A., Collan J., Kortesniemi M., Uusi-Simola J., Kotiluoto P., Auterinen I., Seren T., Paetau A., Saarilahti K., Savolainen S., Joensuu H. L-boronophenylalanine-mediated boron neutron capture therapy for malignant glioma progressing after external beam radiation therapy: a Phase I study. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2011. Vol. 80. No. 2. P. 369-376. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2010.02.031.
11. Hopewell J.W., Gorlia T., Pellettieri L., Giusti V., H-Stenstam B., Skold K. Boron neutron capture therapy for newly diagnosed glioblastoma multiforme: an assessment of clinical potential. Appl. Radiat. Isot. 2011. Vol. 69. No. 12. P. 1737-1740. DOI: 10.1016/j.apradiso.2011.03.022.
12. Sander A., Wosniok W., Gabel D. Case numbers for a randomized clinical trial of boron neutron capture therapy for Glioblastoma multiforme. Appl. Radiat. Isot. 2014. Vol. 88. P. 16-19. DOI: 10.1016/j.apradiso.2013.11.092.
13. Kageji T., Nagahiro S., Mizobuchi Y., Matsuzaki K., Nakagawa Y., Kumada H. Boron neutron capture therapy (BNCT) for newly-diagnosed glioblastoma: comparison of clinical results obtained with BNCT and conventional treatment. J. Med. Invest. 2014. Vol. 61. No. 3-4. P. 254263. DOI: 10.2152/jmi.61.254.
14. Miyatake S.I., Kawabata S., Hiramatsu R., Kuroiwa T., Suzuki M., Ono K. Boron neutron capture therapy of malignant gliomas. Prog. Neurol. Surg. 2018. Vol. 32. P. 48-56. DOI: 10.1159/000469679.
15. Kawabata S., Miyatake S., Hiramatsu R., Hirota Y., Miyata S., Takekita Y., Kuroiwa T., Kirihata M., Sakurai Y., Maruhashi A., Ono K. Phase II clinical study of boron neutron capture therapy combined with X-ray radiotherapy/temozolomide in patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme - study design and current status report. Appl. Radiat. Isot. 2011. Vol. 69. No. 12. P. 1796-1799. DOI: 10.1016/j.apradiso.2011.03.014.