Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2742510.32607/actanaturae.27425Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleA Vector Nanoplatform for the Bioimaging of Deep-Seated TumorsВекторная наноплатформа для прижизненной визуализации глубинных опухолейShramovaE. I.ШрамоваЕ. И.
Russian Federation
gmb@ibch.ruDeyevS. M.ДеевС. М.
Russian Federation
gmb@ibch.ruProshkinaG. M.ПрошкинаГ. М.
Russian Federation
gmb@ibch.ruShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Moscow, Russian Academy of scienceИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНSechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Первый Московский государственный медицинский университет имени Сеченова (Сеченовский университет)National Research Centre “Kurchatov Institute”Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»2108202416272811205202421052024Copyright ©; 2024, Shramova E.I., Deyev S.M., Proshkina G.M.Copyright ©; 2024, Шрамова Е.И., Деев С.М., Прошкина Г.М.2024Shramova E.I., Deyev S.M., Proshkina G.M.Шрамова Е.И., Деев С.М., Прошкина Г.М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27425

Today, in preclinical studies, optical bioimaging based on luminescence and fluorescence is indispensable in studying the development of neoplastic transformations, the proliferative activity of the tumor, its metastatic potential, as well as the therapeutic effect of antitumor agents. In order to expand the capabilities of optical imaging, sensors based on the bioluminescence resonance energy transfer (BRET) mechanism and, therefore, independent of an external light source are being developed. A targeted nanoplatform based on HER2-specific liposomes whose internal environment contains a genetically encoded BRET sensor was developed in this study to visualize deep-seated tumors characterized by overexpression of human epidermal growth factor receptor type 2 (HER2). The BRET sensor is a hybrid protein consisting of the highly catalytic luciferase NanoLuc (an energy donor) and a LSSmKate1 red fluorescent protein with a large Stokes shift (an energy acceptor). During the bioimaging of disseminated intraperitoneal tumors formed by HER2-positive SKOV3.ip1cells of serous ovarian cystadenocarcinoma, it was shown that the developed system is applicable in detecting deep-seated tumors of a certain molecular profile. The developed system can become an efficient platform for optimizing preclinical studies of novel targeted drugs.

Оптический биоимиджинг на основе люминесценции и флуоресценции в доклинических исследованиях на сегодняшний день является незаменимым подходом при оценке развития неопластических трансформаций, изучения пролиферативной активности опухоли, ее метастатического потенциала, а также при оценке терапевтического эффекта противоопухолевых агентов. В рамках расширения возможностей оптической визуализации интерес представляет создание сенсоров, основанных на биолюминесцентной резонансной передаче энергии (BRET) и не зависящих от внешнего источника облучения. Для визуализации глубинных опухолей, характеризующихся сверхэкспрессией рецептора второго типа эпидермального фактора роста человека (HER2), в данной работе разработана адресная наноплатформа на основе HER2-специфичных липосом, внутренняя среда которых содержит генетически кодируемый BRET-сенсор. BRET-сенсор представлен гибридным белком, функциональные модули которого включают высококаталитическую люциферазу NanoLuc (донор энергии) и красный флуоресцентный белок с большим стоксовым сдвигом LSSmKate1 (акцептор энергии). В опытах in vivo по визуализации внутрибрюшинных диссеминированных опухолей, сформированных клетками серозной цистаденокарциномы яичников SKOV3.ip1 и характеризующихся сверхэкспрессией HER2, установлено, что разработанная система применима для детекции глубоко расположенных опухолей определенного молекулярного профиля. Разработанная адресная система может стать эффективной платформой для оптимизации доклинических исследований новых таргетных препаратов.

bioluminescence resonance energy transferDARPinsprotein with a large Stokes shift LSSmKate1epidermal growth factor receptor type 2 HER2NanoLuc luciferasemolecular targeted bioimagingбиолюминесцентный резонансный перенос энергииDARPins-белкибелок с большим стоксовым сдвигом LSSmKate1рецептор второго типа эпидермального фактора роста HER2люцифераза NanoLucмолекулярно-таргетный биоимиджингРоссийский научный фондRussian Science Foundation24-14-00088Bai J.W., Qiu S.Q., Zhang G.J. // Signal Transduct Target Ther. 2023. V. 8. № 1. P. 89.O’Farrell A.C., Shnyder S.D., Marston G., Coletta P.L., Gill J.H. // Br. J. Pharmacol. 2013. V. 169. № 4. P. 719–735.Hilderbrand S.A., Weissleder R. // Curr. Opin. Chem. Biol. 2010. V. 14. № 1. P. 71–79.Shramova E.I., Kotlyar A.B., Lebedenko E.N., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Acta Naturae. 2020. V. 12. № 3. P. 102–113.Badr C.E. // Methods Mol. Biol. 2014. V. 1098. P. 1–18.Serkova N.J., Glunde K., Haney C.R., Farhoud M., De Lille A., Redente E.F., Simberg D., Westerly D.C., Griffin L., Mason R.P. // Cancer Res. 2021. V. 81. № 5. P. 1189–1200.Koessinger A.L., Koessinger D., Stevenson K., Cloix C., Mitchell L., Nixon C., Gomez-Roman N., Chalmers A.J., Norman J.C., Tait S.W.G. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 15361.Shramova E.I., Chumakov S.P., Shipunova V.O., Ryabova A.V., Telegin G.B., Kabashin A.V., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Light Sci. Appl. 2022. V. 11. № 1. P. 38.Ozawa T., Yoshimura H., Kim S.B. // Anal. Chem. 2013. V. 85. № 2. P. 590–609.Grebenil E.A., Kostyuk A.B., Deyev S.M. // Russ. Chem. Rev. 2016. V. 85. № 12. P. 1277–1296.Endo M., Ozawa T. // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 18. P. 6538.Főrster T. // Discuss. Faraday Soc. 1959. V. 27. P. 7–17.Yeh H.W., Karmach O., Ji A., Carter D., Martins-Green M.M., Ai H.W. // Nat. Methods. 2017. V. 14. № 10. P. 971–974.Eyre N.S., Aloia A.L., Joyce M.A., Chulanetra M., Tyrrell D.L., Beard M.R. // Virology. 2017. V. 507. P. 20–31.Iglesias P., Costoya J.A. // Biosens. Bioelectron. 2009. V. 24. № 10. P. 3126–3130.Branchini B.R., Rosenberg J.C., Ablamsky D.M., Taylor K.P., Southworth T.L., Linder S.J. // Anal. Biochem. 2011. V. 414. № 2. P. 239–245.Rumyantsev K.A., Turoverov K.K., Verkhusha V.V. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 36588.Su Y., Walker J.R., Park Y., Smith T.P., Liu L.X., Hall M.P., Labanieh L., Hurst R., Wang D.C., Encell L.P., et al. // Nat. Methods. 2020. V. 17. № 8. P. 852–860.Nishihara R., Paulmurugan R., Nakajima T., Yamamoto E., Natarajan A., Afjei R., Hiruta Y., Iwasawa N., Nishiyama S., Citterio D., et al. // Theranostics. 2019. V. 9. № 9. P. 2646–2661.Ross J.S., Slodkowska E.A., Symmans W.F., Pusztai L., Ravdin P.M., Hortobagyi G.N. // Oncologist. 2009. V. 14. № 4. P. 320–368.Polanovski O.L., Lebedenko E.N., Deyev S.M. // Biochemistry (Moscow). 2012. V. 77. № 3. P. 227–245.Blumenthal G.M., Scher N.S., Cortazar P., Chattopadhyay S., Tang S., Song P., Liu Q., Ringgold K., Pilaro A.M., Tilley A., et al. // Clin. Cancer Res. 2013. V. 19. № 18. P. 4911–4916.Piatkevich K.D., Hulit J., Subach O.M., Wu B., Abdulla A., Segall J.E., Verkhusha V.V. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. № 12. P. 5369–5374.Steiner D., Forrer P., Pluckthun A. // J. Mol. Biol. 2008. V. 382. № 5. P. 121–127.Studier F.W. // Protein Expr. Purif. 2005. V. 41. № 1. P. 207–234.Dragulescu-Andrasi A., Chan C.T., De A., Massoud T.F., Gambhir S.S. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. V. 108. № 29. P. 12060–12065.Shramova E.I., Filimonova V.P., Frolova A.Y., Pichkur E.B., Fedotov V.R., Konevega A.L., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2023. V. 193. P. 208–217.Deyev S., Proshkina G., Baryshnikova O., Ryabova A., Avishai G., Katrivas L., Giannini C., Levi-Kalisman Y., Kotlyar A. // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2018. V. 130. P. 296–305.Yu D., Wolf J.K., Scanlon M., Price J.E., Hung M.C. // Cancer Res. 1993. V. 53. № 4. P. 891–898.Hall M.P., Unch J., Binkowski B.F., Valley M.P., Butler B.L., Wood M.G., Otto P., Zimmerman K., Vidugiris G., Machleidt T., et al. // ACS Chem. Biol. 2012. V. 7. № 11. P. 1848–1857.Mahmood U. // IEEE Eng. Med. Biol. Mag. 2004. V. 23. № 4. P. 58–66.Carpenter S., Fehr M.J., Kraus G.A., Petrich J.W. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. V. 91. № 25. P. 12273–12277.Proshkina G.M., Shramova E.I., Shilova O.N., Ryabova A.V., Deyev S.M. // J. Photochem. Photobiol. B. 2018. V. 188. P. 107–115.Interlandi G., Wetzel S.K., Settanni G., Pluckthun A., Caflisch A. // J. Mol. Biol. 2008. V. 375. № 3. P. 837–854.Zahnd C., Kawe M., Stumpp M.T., de Pasquale C., Tamaskovic R., Nagy-Davidescu G., Dreier B., Schibli R., Binz H.K., Waibel R., et al. // Cancer Res. 2010. V. 70. № 4. P. 1595–1605.Suggitt M., Bibby M.C. // Clin. Cancer Res. 2005. V. 11. № 3. P. 971–981.Tolmachev V.M., Chernov M.I., Deyev S.M. // Russ. Chem. Rev. 2023. V. 91. № 3. P. RCR5034.Tolmachev V.M., Chernov M.I., Deyev S.М. // Russ. Chem. Rev. 2023. V. 91. № 3. P. RCR5034.