Ocenená biofyzička Zuzana Garaiová: Nanoemulzie majú potenciál zefektívniť liečbu rakoviny

Laureátka ocenenia L’Oréal – UNESCO Pre ženy vo vede 2025 v kategórii Inžinierske vedy a technológie skúma nanoemulzie, ktoré by sa potenciálne mohli využívať pri liečbe rakoviny.

Biofyzička Zuzana Garaiová z Katedry jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského skúma nanoemulzie, ktoré by sa potenciálne mohli využívať pri liečbe rakoviny. Môžu pôsobiť ako transportéry liečiva a zacieliť ho, aby sa dostalo iba ku konkrétnym nádorovým bunkám. To znižuje množstvo možných nežiaducich účinkov a pri tejto forme sa nepoškodzujú zdravé bunky na rozdiel od chemoterapie.

„Nanoemulziu tvoria tri zložky – olejová, vodná a surfaktant, teda povrchovo aktívna látka, ktorá znižuje povrchové napätie medzi vodou a olejom a stabilizuje danú nanočasticu. Dominantnou zložkou nanoemulzií je olej, ktorý ponúka priestor pre zapuzdrenie terapeutických liečiv slabo rozpustných vo vode (hydrofóbnych). To chráni dané liečivo pred skoršou degradáciou, zvyšuje jeho rozpustnosť a biologickú dostupnosť,“ vysvetlila vedkyňa.

Výskumným zámerom Zuzany Garaiovej je konkrétne preskúmať skvalén a olej zo semien granátovníka, prírodné látky, ktoré majú protirakovinové účinky. Skvalén má antioxidačné vlastnosti a dokáže spomaliť rast nádorových buniek, olej zo semien granátovníka zas obsahuje kyselinu punikovú, ktorá má tiež protizápalové a antioxidačné účinky.

Olejová fáza je vhodná najmä pre zapuzdrenie liečiv slabo rozpustných vo vode

Akým spôsobom fungujú nanoemulzie, ktoré vyvíjate? Čo je ich cieľom?

V rámci našej výskumnej skupiny študujeme rôzne typy nanočastíc a nanoemulzie patria do tejto širokej skupiny nanorozmerných štruktúr. Nanočasticami vrátane nanoemulzií sa zaoberáme, pretože môžu byť potenciálne využité ako transportné systémy liečiv.

V čom spočíva výhoda nanočastíc?

Nanočastice môžu byť rôzneho zloženia – organické (napríklad polymérne, lipidové) či anorganické (kovové, ako napríklad zlaté nanočastice), pričom ich vlastnosti a využitie závisia od typu aplikácie. Nanoemulzie predstavujú jeden z typov organických nanočastíc. Spoločným charakteristickým prvkom nanočastíc, ako vyplýva z ich názvu, je nanorozmer. Táto veľkosť je mimoriadne zaujímavá, pretože je porovnateľná s rozmermi biologických štruktúr. Vďaka tomu dokážu nanočastice prenikať do buniek, interagovať s biomolekulami, efektívnejšie prenášať liečivá, čo robí z nanotechnológií perspektívny nástroj modernej medicíny.

Čo tvorí nanoemulzie?

Nanoemulzie predstavujú systém extrémne malých olejových kvapôčok rozptýlených vo vode, pričom olejová zložka zohráva kľúčovú úlohu. Nanoemulziu tvoria tri základné zložky – olejová fáza, vodná fáza a surfaktant, teda povrchovo aktívna látka, ktorá znižuje povrchové napätie medzi vodou a olejom a stabilizuje vzniknutý systém. Dominantnou zložkou nanoemulzií je olej, ktorý poskytuje priestor pre zapuzdrenie terapeutických látok s nízkou rozpustnosťou vo vode. Takto zapuzdrené liečivá sú chránené pred predčasnou degradáciou, pričom sa zvyšuje ich rozpustnosť, stabilita a biologická dostupnosť.

Aké ďalšie výhody majú nanoemulzie?

Okrem zlepšenej rozpustnosti a biologickej dostupnosti účinných látok spočíva ďalšia výhoda nanoemulzií – a nanoštruktúr vo všeobecnosti – v možnosti modifikácie ich povrchu špecifickými molekulami, ktoré umožňujú cielený transport liečiva. Špecifická cieliaca molekula na povrchu nanoštruktúry sa dokáže naviazať na konkrétny proteín, receptor alebo onkomarker nádorovej bunky. Medzi takéto cieliace molekuly patria napríklad aptaméry, ktorým sa intenzívne v rámci nášho biofyzikálneho štúdia venujeme. Ide o jednovláknové DNA alebo RNA molekuly, krátke úseky nukleových kyselín, ktoré možno špecificky navrhnúť tak, aby sa viazali iba na konkrétny receptor nádorovej bunky.

Príkladom je receptor PTK7, proteín nadmerne prítomný na povrchu leukemických buniek. Modifikáciou nanočastice aptamérom, ktorý rozpoznáva PTK7, je možné dosiahnuť, aby nanočastica cielene dopravila liečivo priamo do nádorových buniek, čím sa zvyšuje účinnosť terapie a minimalizujú sa vedľajšie účinky. Takto vytvorený systém – nanočastice ako nosiča, na jej povrchu cieliacej molekuly (napríklad aptamér) a v štruktúre nanočastice enkapsulované liečivo – predstavuje perspektívnu platformu cielenej farmakoterapie v biomedicínskom výskume.

Majú potenciál najmä v biomedicíne

Zamerali ste sa na skvalén a olej zo semien granátovníka, ktoré majú protirakovinové účinky. Čo ich zabezpečuje?

Skvalén a olej zo semien granátovníka patria medzi prírodné bioaktívne látky, ktoré je možné využiť ako základ olejovej fázy pri tvorbe nanoemulzií. Rôzne výskumy poukazujú na antioxidačné vlastnosti skvalénu a na možnosti spomalenia rastu nádorových buniek prostredníctvom ovplyvnenia bunkových signalizačných dráh.  Významnou zložkou oleja zo semien granátovníka je kyselina puniková, ktorá tiež disponuje protizápalovými a antioxidačnými vlastnosťami, ktoré by mohli pozitívne ovplyvniť liečbu onkologických ochorení, napríklad v kombinácii so súčasnými chemoterapeutikami. Tieto oleje nepredstavujú iba pasívne nosiče, ale potenciálne aj aktívne terapeutické zložky, ktoré by mohli prispieť v liečbe práve svojou biologickou aktivitou, navyše olejová zložka môže zlepšiť rozpustnosť a väzbu hydrofóbnych liečiv.

Využívajú sa v súčasnosti tieto dve látky pri liečbe onkologických ochorení?

V súčasnosti sa skvalén ani olej zo semien granátovníka  priamo nevyužívajú v klinickej liečbe onkologických ochorení – ich účinky sú zatiaľ predmetom výskumu. Rovnako aj nanoemulzie predstavujú síce perspektívnu, ale stále skúmanú platformu v oblasti cieleného transportu liečiv. Jedným z príkladov využitia nanotechnológií v praxi je chemoterapeutické liečivo doxorubicín, ktoré bolo zapuzdrené do lipidovej nanočastice (napríklad Doxil®). Táto formulácia umožnila efektívnejší transport liečiva do nádorového tkaniva a zníženie jeho toxicity. To potvrdzuje, že nanočastice majú potenciál v biomedicíne. Spomínané prírodné látky a ich formulácie v terapeutických nanoemulziách sú však zatiaľ stále predmetom výskumu.

Akým spôsobom tieto látky získavate?

Zo živočíšnych zdrojov je skvalén najviac zastúpený v pečeni určitých druhov žralokov, čo však nie je etický ani ekologický zdroj jeho získavania. V menšej miere sa nachádza aj v rastlinných olejoch. Skvalén však dokážu produkovať i takzvané tukotvorné kvasinky, ktoré dokážu rásť na lacných či odpadových materiáloch, a tak predstavujú ekologickejšiu formu získavania týchto prírodných látok. V rámci riešenia projektu by sme preto chceli možnosti mikrobiálnej výroby olejovej zložky nanoemulzií preskúmať v spolupráci s Centrom biovied SAV, kde sa produkcii skvalénu prostredníctvom tukotvorných kvasiniek dlhodobo venujú. Skvalén aj olej zo semien granátovníka sa využívajú vo farmaceutických produktoch či v kozmetike. Ich aplikácia v terapeutických nanoemulziách je však nový koncept, ktorý si vyžaduje ďalší výskum a overenie účinkov.

Skvalén a olej zo semien granátovníka patria medzi prírodné bioaktívne látky, ktoré je možné využiť ako základ olejovej fázy pri tvorbe nanoemulzií.

Zatiaľ teda nevieme, či sú bezpečné pre ľudské telo?

Ide o prírodné látky, čo znižuje potenciálne riziko ich toxicity v porovnaní so syntetickými materiálmi. Bezpečnosť týchto látok v koncepte terapeutických nanoemulzií je predmetom skúmania. V rámci výskumu preto pripravujeme nanoštruktúry, ktoré charakterizujeme z hľadiska fyzikálno-chemických parametrov, ako sú veľkosť častíc, náboj na ich povrchu, stabilita a podobne. Tieto vlastnosti sú určujúce pre pochopenie, ako sa budú nanočastice správať v ľudskom tele a aký vplyv môžu mať na organizmus.

Nanočastice dokážu lepšie preniknúť k nádoru cez jeho defektné cievne štruktúry

Ako vôbec vyzerá práca v laboratóriu s nanoemulziami? Akým spôsobom ich skúmate?

Práca s nanoemulziami sa začína tvorbou ich optimálneho zloženia, teda výberom vhodného pomerného zastúpenia oleja, liečivých látok a surfaktantu. Cieľom je nájsť ideálny pomer zložiek, ktorý zabezpečí stabilitu systému a požadovanú veľkosť. Následne pripravené vzorky analyzujeme pomocou biofyzikálnych metód, medzi ktoré patrí napríklad dynamický rozptyl svetla. Táto metóda umožňuje určiť veľkosť nanočastíc. Kombináciou ďalších metód a získaných dát tak môžeme lepšie pochopiť, predikovať, ako sa nanočastice budú správať v biologickom prostredí a ako efektívne môžu prenikať k nádorovým tkanivám cez ich defektné cievne štruktúry.

Výhodou nanotechnológií pri liečbe rakoviny je to, že vedia presnejšie zacieliť účinok protirakovinových liekov. Akým spôsobom to dokážu a čo zabezpečí, aby liečivo nezabíjalo aj zdravé bunky?

Nanorozmer liečiva môže umožniť jeho selektívnejšie prenikanie do nádorového tkaniva, pretože cievy nádoru majú drobné, nanorozmerné defekty, cez ktoré môžu terapeutické nanočastice so správnym rozmerom prenikať. Tento princíp sa nazýva pasívne cielenie. Ak sa povrch nanočastíc upraví cieliacimi molekulami, napríklad  spomínanými aptamérmi, ktoré rozpoznávajú špecifické receptory na nádorových bunkách, ide o aktívne cielenie. Našou víziou je vytvoriť systém, v ktorom by liečivo účinne pôsobilo iba na rakovinové bunky a minimalizovali sa nežiaduce účinky na zdravé bunky.

Akým spôsobom by sa tieto látky dopravili do tela pacienta?

Jednou z možných foriem aplikácie nanoemulzií je intravenózne podanie, ktoré umožňuje priame doručenie liečiva do krvného obehu. Výhodou nanoemulzií je však ich vyššia flexibilita – v porovnaní s inými nanoformuláciami by mohli byť podávané aj perorálne, teda ústne. Spôsob podania závisí od terapeutickej látky zapuzdrenej v nanočastici, ako aj od cieľového tkaniva, kam chceme danú látku doručiť. Jednou z prvých fáz testovania sú modelové biologické systémy, napríklad membránové modely, ktoré nám umožňujú preskúmať prienik častíc cez biologické bariéry.

Ako vyzerá takáto biologická membrána?

Na povrchu bunky sa nachádza biologická membrána, ktorú tvorí lipidová dvojvrstva s rôznymi proteínmi a ďalšími zložkami a ktorá má viacero funkcií. Jednou z jej hlavných funkcií je regulovať, ktoré látky vpustí do bunky a ktoré nie. V našom výskume používame zjednodušené modely týchto lipidových dvojvrstiev, vďaka čomu môžeme získať detailnejšiu informáciu o interakciách nanoemulzií s membránou na molekulovej úrovni. Následne je potrebné overiť funkciu nanoemulzií na bunkových kultúrach, kde je potrebné preskúmať účinky na nádorové, ale aj zdravé bunky a zhodnotiť cielenie liečiva.

Výhodou nanoemulzií je ich vyššia flexibilita – v porovnaní s inými nanoformuláciami by mohli byť podávané aj perorálne, teda ústne.

Pre ktorý typ rakoviny by boli tieto nanoemulzie najvhodnejšie?

Olejové nanoemulzie by mohli byť najvhodnejšie pre tie typy rakoviny, kde sa používajú liečivá, napríklad chemoterapeutiká slabo rozpustné vo vode, pretože dokážu zlepšiť ich rozpustnosť a transport v organizme. Zároveň ich dokážeme prispôsobiť pre rôzne typy nádorov – závisí to od toho, aká cieliaca molekula (napríklad aptamér) sa naviaže na povrch nanočastice, na ktorý cieľový proteín/receptor sa zameria.

Menšie a slabšie dávky chemoterapie

Myslíte si, že v budúcnosti bude po liečbe nanočasticami potrebná ešte nejaká ďalšia liečba, napríklad chemoterapia?

Koncept nanoemulzií spočíva aj v zefektívnení transportu chemoterapeutických liečiv. V budúcnosti by sa mohla uplatniť kombinovaná liečba – nanočasticami aj chemoterapiou. Nádory sú heterogénne a jednotlivé bunky reagujú na daný typ liečby rozdielne. Vďaka nanočasticiam by však pacient nemusel dostávať takú vysokú a silnú dávku chemoterapeutickej liečby. Okrem toho by sa zefektívnilo cielenie liečby, čím by sa znížili aj nežiaduce účinky chemoterapie.

Máte predstavu, akým spôsobom by tieto nanoemulzie mohli fungovať v praxi?

To je zatiaľ predmetom skúmania. Venujeme sa základnému výskumu a snažíme sa získať čo najviac poznatkov v laboratórnych podmienkach. Zozbieranie všetkých údajov nám môže predostrieť koncept možného používania nanoemulzií v praxi. No predtým musí tento systém prejsť viacerými fázami testovania, aby sa potvrdila jeho účinnosť a bezpečnosť. Do budúcnosti si viem predstaviť, že by sa nanoemulzie podávali napríklad intravenózne, teda priamo do žily. Tomuto kroku však predchádza ešte komplexné štúdium.

V akej fáze výskumu sú olejové nanoemulzie?

Olejové nanoemulzie sa nachádzajú v základnej fáze výskumu. Skúma sa ich zloženie, stabilita, vlastnosti, správanie v laboratórnych podmienkach.  Zatiaľ sa teda nepoužívajú v klinickej praxi, ale majú veľký potenciál pre biomedicínske aplikácie, zahŕňajúc onkológiu. S nanoemulziami som sa po prvýkrát stretla ešte ako študentka počas stáže v laboratóriu profesorky Cathariny de Lange Davies na Nórskej univerzite vedy a technológií v Trondheime, kde mi tento koncept predstavil doktor Sjoerd Hak. Za všetky cenné skúsenosti, ktoré som tam nadobudla, som nesmierne vďačná. Potom som sa venovala skúmaniu aj iných typov nanočastíc a momentálne upriamujem pozornosť opäť na nanoemulzie s využitím už spomínaných prírodných látok a možnostiam ich mikrobiálnej výroby z  tukotvorných kvasiniek v spolupráci s Centrom biovied SAV.

Aké najväčšie rozdiely vo výskume pozorujete medzi Nórskom a Slovenskom?

Výskum v Nórsku má väčšiu finančnú podporu a flexibilitu. V rámci tamojšieho relatívne krátkeho študijného pobytu som mala možnosť pracovať s viacerými biofyzikálnymi metódami a oboznámiť sa s rôznymi experimentálnymi postupmi, napríklad nahliadnuť aj do in vivo štúdia nanoemulzií a ich biodistribúcie na animálnych modeloch. Na Slovensku je výskumná práca limitovaná nižším financovaním, ako aj byrokraciou, čo môže spomaľovať inovácie. V rámci nášho základného in vitro výskumu, ktorý je v procese kľúčový, je primárna snaha systém študovaných nanočastíc dostatočne vyprofilovať a overiť a nadviazať v budúcnosti spoluprácu s inštitúciami, ktoré majú možnosti pokračovať vo výskume aj na vyšších, predklinických úrovniach.

Ako sa tieto zvieratá správali po podaní nanoemulzií do tela?

V rámci nórskej štúdie sme sa venovali príprave nanoemulzií, ich modifikácii polytetylénglykolom (PEG) na zlepšenie ich biodistribúcie. Konkrétne sme sledovali vplyv rôznej PEG povrchovej hustoty na fyzikálno-chemické parametre nanočastíc, ich interakcii s bunkami a štúdiu ich biodistribúcie na animálnych modeloch. Zvieratám sa vyvolalo nádorové ochorenie, následne boli aplikované nanoemulzie a analyzovala sa ich akumulácia v orgánoch. Jedným z dôležitých zistení bolo, že povrchová PEGylácia ovplyvňuje biodistribúciu a špecifickú akumuláciu v nádore.

Aké máte ďalšie plány v rámci výskumu?

Chcela by som preskúmať rôzne typy olejov pri príprave nanoemulzií a tiež možnosti ich povrchovej modifikácie aptamérmi či inými cieliacimi molekulami. Mojím cieľom je vytvoriť platformu, ktorá by dokázala zefektívniť transport hydrofóbnych liečiv do organizmu a zároveň minimalizovať nežiaduce účinky.

(RR)