Исследователи Северо-Западного университета разработали первую селективную терапию для предотвращения аллергических реакций, степень тяжести которых может варьироваться от зуда крапивницы и слезотечения до проблем с дыханием и даже смерти.
Для разработки новой терапии исследователи украсили наночастицы антителами, способными подавлять специфические иммунные клетки (так называемые тучные клетки), ответственные за аллергические реакции. Наночастица также содержит аллерген, соответствующий конкретной аллергии пациента. Если у человека аллергия, например, на арахис, то наночастица содержит белок арахиса.
При этом двухэтапном подходе аллерген воздействует именно на тучные клетки, ответственные за конкретную аллергию, а затем антитела отключают только эти клетки. Этот высоконаправленный подход позволяет проводить терапию для селективного предотвращения конкретных аллергических реакций без подавления всей иммунной системы.
В исследовании на мышах терапия продемонстрировала 100%-ный успех в предотвращении аллергических реакций, не вызывая заметных побочных эффектов.
Исследование опубликовано сегодня (16 января) в журнале Nature Nanotechnology. Это первая нанотерапия, направленная на ингибирование тучных клеток, предотвращающая аллергическую реакцию на конкретный аллерген.
«В настоящее время не существует доступных методов, специально нацеленных на тучные клетки», — сказал Эван А. Скотт из Northwestern, который руководил исследованием. «Все, что у нас есть, — это лекарства, такие как антигистаминные препараты, для лечения симптомов, но они не предотвращают аллергию. Они нейтрализуют действие гистаминов после того, как тучные клетки уже активированы. Если бы у нас был способ инактивировать тучные клетки, которые реагируют на специфические аллергены, тогда мы могли бы остановить опасные иммунные реакции в тяжелых ситуациях, таких как анафилаксия, а также менее серьезные реакции, такие как сезонная аллергия «.
Самая большая неудовлетворенная потребность — это анафилаксия, которая может быть опасной для жизни. В некоторых случаях могут быть полезны определенные формы пероральной иммунотерапии, но в настоящее время у нас нет одобренных FDA вариантов лечения, которые последовательно предотвращают такие реакции, за исключением отказа от вредных продуктов питания или возбудителей. В противном случае такие препараты, как адреналин, назначаются для лечения тяжелых реакций, а не для их предотвращения. Разве не было бы здорово, если бы существовало безопасное и эффективное средство для лечения пищевой аллергии, которое постоянно позволяло бы повторно вводить в рацион продукты, которых вы раньше строго избегали?»
Доктор Брюс Бочнер из Northwestern, эксперт по аллергии и соавтор исследования
Скотт — профессор биомедицинской инженерии имени Кей Дэвис в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и член Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри и Международного института нанотехнологий. Бочнер — почетный профессор медицины (аллергологии и иммунологии) Сэмюэля М. Файнберга в Медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета. Первым автором статьи является Фанфан Ду, научный сотрудник лаборатории Скотта, который тесно сотрудничал с соавторами Клейтоном Рише, кандидатом наук, которого совместно наставляли Бохнер и Скотт, и Янг Ли, кандидатом наук в лаборатории Скотта.
Сложная мишень
Тучные клетки, расположенные почти во всех тканях человеческого организма, наиболее известны тем, что в первую очередь отвечают за аллергические реакции. Но они также играют несколько других важных ролей, включая регуляцию кровотока и борьбу с паразитами. Следовательно, полное уничтожение тучных клеток для предотвращения аллергических реакций может нанести ущерб другим полезным, здоровым реакциям.
«Хотя некоторые препараты находятся в стадии разработки, в настоящее время нет одобренных FDA препаратов, которые ингибируют или уничтожают тучные клетки», — сказал Бочнер. «Это было сложно главным образом потому, что лекарства, которые могут влиять на активацию или выживание тучных клеток, также нацелены на клетки, отличные от тучных, и, таким образом, имеют тенденцию вызывать нежелательные побочные эффекты из-за воздействия на другие клетки».
В предыдущей работе Бохнер идентифицировал Siglec-6, уникальный ингибирующий рецептор, который высоко и избирательно обнаруживается в тучных клетках. Если бы исследователи могли воздействовать на этот рецептор антителом, то они могли бы избирательно ингибировать тучные клетки для предотвращения аллергии. Но введение этого антитела само по себе оказалось неэффективным.
«Было трудно получить достаточно высокую концентрацию антитела, чтобы возыметь эффект», — сказал Скотт. «Мы задавались вопросом, можем ли мы усилить эту концентрацию с помощью наночастиц. Если бы мы могли нанести антитела высокой плотности на наночастицу, то смогли бы сделать ее практичной в использовании «.
Прилипание антител к частице
Чтобы поместить антитела в наночастицу, Скотту и его команде пришлось преодолеть еще одну проблему. Чтобы белки (например, антитела) прилипли к наночастице, они обычно должны образовывать химическую связь, которая разворачивает (или денатурирует) белок, влияя на его биологическую активность. Чтобы обойти эту проблему, Скотт обратился к наночастице, ранее разработанной в его лаборатории.
В отличие от более стандартных наночастиц, которые имеют стабильную поверхность, недавно разработанная Скоттом наночастица содержит динамические полимерные цепи, которые могут независимо менять свою ориентацию под воздействием различных растворителей и белков. При попадании в жидкие растворы цепочки ориентируются для достижения благоприятных электростатических взаимодействий с молекулами воды. Но когда белок касается поверхности наночастицы, специфические крошечные полимерные цепочки на границе раздела меняют свою ориентацию, чтобы стабильно удерживаться на белке, не связываясь с ним ковалентно. Команда Скотта также обнаружила, что водоотталкивающие карманы на поверхности белка были ключом к стабильному взаимодействию.
При связывании с поверхностями белки обычно денатурируют, теряя свою биологическую активность. Уникальным аспектом наночастиц Скотта является то, что они могут стабильно связывать ферменты и антитела, сохраняя свою трехмерную структуру и биологические функции. Это означает, что антитела против Siglec-6 сохраняют свое сильное сродство к рецепторам тучных клеток -; даже при прикреплении к поверхности наночастиц.
«Это уникально динамичная поверхность», — сказал Скотт. «Вместо стандартной стабильной поверхности он может менять химический состав своей поверхности. Он состоит из крошечных полимерных цепочек соединений, которые при необходимости могут менять свою ориентацию для максимально благоприятного взаимодействия как с водой, так и с белками. »
Когда команда Скотта смешала наночастицы с антителами, почти 100% антител успешно прикрепились к наночастицам, не теряя способности связываться со своими специфическими мишенями. Результатом этого стала терапия на основе наночастиц, использующая поверхности с плотно упакованными и высоко контролируемыми количествами множества различных антител к тучным клеткам-мишеням.
Селективное отключение
Для того, чтобы у человека возникла аллергия, его тучные клетки захватывают и выводят антитела, в частности, иммуноглобулин E (IgE), к этому конкретному аллергену. Это позволяет тучным клеткам распознавать -; и реагировать на -; тот же аллерген при повторном воздействии.
«Если у вас аллергия на арахис и у вас была реакция на арахис в прошлом, то ваши иммунные клетки вырабатывают IgE-антитела против белков арахиса, а тучные клетки собирают их», — сказал Скотт. «Теперь они ждут, когда вы съедите еще один арахис. Когда вы это сделаете, они могут отреагировать в течение нескольких минут, и если реакция будет достаточно сильной, это может привести к анафилаксии «.
Чтобы избирательно воздействовать на тучные клетки в ответ на конкретный аллерген, исследователи разработали свою терапию таким образом, чтобы воздействовать только на тучные клетки, несущие IgE-антитела к этому аллергену. Наночастица использует белковый аллерген для взаимодействия с IgE-антителами на тучных клетках, а затем использует антитело для взаимодействия с рецептором Siglec-6, чтобы отключить способность тучных клеток реагировать. А поскольку рецепторы Siglec-6 присутствуют только в тучных клетках, наночастица не может связываться с другими типами клеток — стратегия, которая эффективно ограничивает побочные эффекты.
«Вы можете использовать любой аллерген, который захотите, и вы избирательно отключите реакцию на этот аллерген», — сказал Скотт. «Аллерген обычно активирует тучные клетки. Но в то же время, когда аллерген связывается, антитело на наночастице также задействует ингибирующий рецептор Siglec-6. Учитывая эти два противоречивых сигнала, тучная клетка решает, что ей не следует активироваться и следует оставить этот аллерген в покое. Она избирательно останавливает реакцию на конкретный аллерген. Прелесть этого подхода в том, что он не требует уничтожения всех тучных клеток. И, с точки зрения безопасности, если наночастица случайно прикрепится к клетке не того типа, эта клетка просто не отреагирует «.
Предотвращение анафилаксии у мышей
После демонстрации успеха в клеточных культурах с использованием тучных клеток, полученных из тканей человека, исследователи перенесли свою терапию на гуманизированную модель мыши. Поскольку тучные клетки мышей не имеют рецептора Siglec-6, команда Бохнера разработала модель мыши с тучными клетками человека в их тканях. Исследователи подвергли мышей воздействию аллергена и одновременно провели нанотерапию.
Ни одна мышь не испытала анафилактического шока, и все выжили.
«Самый простой способ контролировать аллергическую реакцию — отслеживать изменения температуры тела», — сказал Скотт. «Мы не заметили изменений температуры. Реакции не было. Кроме того, мыши оставались здоровыми и не проявляли никаких внешних признаков аллергической реакции.»
«Тучные клетки мыши не содержат Siglec-6 на своей поверхности, как у людей, но на данный момент мы максимально приблизились к реальным исследованиям на людях, протестировав эти наночастицы на специальных мышах, в тканях которых были тучные клетки человека», — сказал Бохнер. «Мы смогли показать, что эти гуманизированные мыши были защищены от анафилаксии».
Далее исследователи планируют изучить нанотерапию для лечения других заболеваний, связанных с тучными клетками, включая мастоцитоз, редкую форму тучноклеточного рака. Они также изучают подходы к размещению лекарств внутри наночастиц, чтобы избирательно убивать тучные клетки при мастоцитозе, не повреждая другие типы клеток.
