Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова, ФКНЦ Физико-химической медицины и Университета Ноттингем Трент (Соединенное Королевство) исследовали способность карбоната кальция связываться с компонентом слизистой оболочки. Результаты работы ученых помогут создать средство адресной доставки лекарств. Исследование опубликовано в Journal of Colloid and Interface Science.
Внутренняя поверхность большинства органов человека и животных выстлана защитной слизистой оболочкой, которая предохраняет от высыхания, а также обладает бактерицидными свойствами. То есть слизистая выступает барьером, который защищает организм от вредного воздействия окружающей среды.
Иногда эта природная защита играет против нас и не позволяет лекарственному веществу проникнуть внутрь, например, при рассасывании таблеток под языком или при использовании назальных спреев.
Чтобы помочь лекарству дойти до цели, ученые разрабатывают специальные мукоадгезивные субстанции — вещества, способные прилипать к слизистым оболочкам муколитической природы, которыми выстланы глаза, ротовая полость, органы ЖКТ, дыхания и другие.
Ученые выделяют два поколения мукоадгезивных веществ. Первое поколение мукоадгезивных полимеров — синтетические или полусинтетические производные целлюлозы и полиакриловой кислоты, которые плохоконтролируемо связываются с мукусом (слизистой).
Мукоадгезивные вещества второго поколения — в основном, лектины и гликопротеины — прикрепляются к поверхности мукуса с участием специфических рецепторов. Несмотря на гигантских прорыв в области разработки мукоадгезивных веществ, эти средства доставки не могут считаться достаточно «умными».
Зачастую, большая часть лекарственного вещества либо попадает не в очаг болезни, а в здоровье части организма, либо теряет свою лекарственную активность «по дороге», то есть происходит инактивация действующего вещества.
Большинство научных групп, разрабатывающих мукоадгезивные средства доставки, придерживаются двух стратегий: либо модифицируют уже известные мукоадгезивные полимеры, чтобы придать им желаемые свойства, либо «пришивают» эти полимеры к другим «умным» носителям лекарств, например, к наночастицам золота. Такие ухищрения, хотя и могут быть эффективны в лаборатории, но стоят очень дорого, и их внедрение в клиническую практику может оказаться экономически неоправданным.
Исследователи из России и Англии под руководством научного сотрудника кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ Дмитрия Володькина в поисках нового средства доставки отошли от привычной концепции полимеров и органических молекул и использовали неорганическое вещество — карбонат кальция, из которого состоит обыкновенный мел. У этого минерала есть много различных форм кристаллической решетки. Одна из них — ватерит — представляет особый интерес для медицины, потому что кристаллы ватерита снабжены порами и на наномолекулярном уровне похожи на губку. Поры ватерита идеально подходят по размеру для удерживания большинства биологически важных молекул (10-40 нм), а сами кристаллы могут быть легко получены в широком диапазоне размеров и форм. Если загрузить лекарственное вещество внутрь ватерита, то это позволяет не только достичь огромных концентраций лекарства внутри него, но и сохранить лекарственную активность.
«Наша группа изучила, насколько ватерит подходит для использования для доставки через слизистые оболочки. Мы показали, что ватерит невероятно сильно связывает муцин — это основной компонент мукуса (секрета слизистой).
16% по массе связанного с ватеритом муцина – это колоссальное значение, и низкое значение энергии Гиббса также говорит о сильном связывании ватерита с компонентом слизистой», — рассказала участница исследовательской группы, научный сотрудник Университета Ноттингем Трент Анна Викулина.
Путь от разработки до лекарственного препарата долог. Но уже сейчас полученные исследователями результаты могут помочь в создании тест-систем для других лекарств.
Поскольку ватерит может адсорбировать на своей поверхности большое количество муцина, большие кристаллы ватерита, покрытые толстой искусственной слизистой оболочкой, могут служить своего рода платформой для проверки связывания новых препаратов с мукусом.
Это позволит сделать предварительный скрининг и отсеять препараты, не подходящие по каким-то критериям, чтобы не тестировать их на животных.
Пресс-служба МГУ
Иллюстрация (кликабельно): Схема работы конструкции адресной доставки лекарств на основе ватерита // Источник: Анна Викулина
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
В вашем браузере отключен JavaScript. Будет показана упрощенная версия сайта, в которой могут отсутствовать многие функции.
Российские ученые впервые исследовали, как нанороботы доставляют лекарства в живом организме
Магнитные наночастицы выполняют ответственную роль: они направленно доставляют лекарства в организме. Но как происходит этот процесс, что происходит с наночастицами после осуществления ими терапии, было точно неизвестно. Изучением долговременной судьбы магнитных наночастиц в организме животных занялась команда ученых из ведущих исследовательских центров России:
- Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН;
- Университет «Сириус»;
- Московский физико-технический институт;
- Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»;
- Институт общей физики имени А. М. Прохорова РАН;
- Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н. И. Пирогова.
В ходе своих исследований российские биохимики сумели понять, как «стареют» и распадаются магнитные наночастицы в организме млекопитающих. Ученые поделились открытием в статье, опубликованной в авторитетном журнале ACS Nano.
Наномедицина и системы доставки наночастиц — это относительно новая, но быстро развивающаяся наука, в которой материалы в наноразмерном диапазоне используются в качестве средств диагностики или для доставки терапевтических агентов в определенные целевые участки контролируемым образом.
Нанотехнология предлагает множество преимуществ при лечении хронических заболеваний человека путем доставки точных лекарств в конкретное место. В последнее время наблюдается ряд выдающихся применений наномедицины:
- химиотерапевтические агенты,
- биологические агенты,
- иммунотерапевтические агенты,
- лечение различных заболеваний.
Существуют различные причины, по которым использование наночастиц в качестве терапевтических и диагностических агентов, а также улучшение доставки лекарств является важным и крайне необходимым.
Одна из них заключается в том, что традиционные препараты, доступные сейчас для перорального или инъекционного введения, не всегда производятся в виде оптимальной рецептуры для каждого фармсредства.
Для продуктов, содержащих белки или нуклеиновые кислоты, требуется более инновационный тип системы-носителя, чтобы повысить их эффективность и защитить их от нежелательной деградации.
Примечательно, что эффективность большинства систем доставки лекарств напрямую зависит от размера частиц (за исключением внутривенных и растворных).
Из-за своего небольшого размера и большой площади поверхности наночастицы лекарственного средства демонстрируют повышенную растворимость и, следовательно, повышенную биодоступность, дополнительную способность преодолевать гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), проникать в легочную систему и абсорбироваться через плотные соединения эндотелиальных клеток.
В современных диагностических исследованиях и новых методиках лечения различных патологий большая роль отводится адресной доставке лекарств. Этим и занимаются «умные» наночастицы, транспортирующие препараты. Они умеют самостоятельно вести поиск, распознание и лечение очага болезни.
Сегодня самым распространенным видом наночастиц в области таргетной терапии являются магнитные наночастицы. Их успешно и масштабно применяют в фармокологической практике в качестве способа управляемой доставки лекарств. Например, их можно использовать, как яркий контрастный агент для магнитно-резонансной томографии.
Это важно для дальнейшего совершенствования диагностических исследований, в которых МРТ является одним из самых востребованных и эффективных инструментов функциональной диагностики.
Такой подход не только сведет к минимуму инвазивную процедуру, но и уменьшит побочные эффекты для здоровых тканей, которые являются двумя основными проблемами в традиционных методах лечения рака.
Эти наноструктуры помогают не только в диагностике, но и в непосредственном лечении. Так, некоторые составы магнитных частиц с сахарами бывает эффективны для терапии железодефицитной анемии.
Развитие наномедицины значительно ускорилось за последнее десятилетие благодаря достижениям в области нанотехнологий, молекулярной клеточной биологии и оборудования для визуализации мелких животных.
Магнитные наночастицы различных составов были разработаны для диагностики и лечения заболеваний, в отношении которых обычная терапия показала ограниченную эффективность.
Однако, по мере расширения применения наноматериалов опасность воздействия наноматериалов в клинической практике также возрастает, так как у наноматериалов будет больше возможностей для взаимодействия с кровеносными сосудами, кровью и их компонентами, что окажет важное влияние на здоровье человека.
Разработка лекарственных форм на основе наночастиц открыла возможности для лечения целого ряда сложных заболеваний. Наночастицы различаются по размеру, но обычно составляют от 100 до 500 нм.
Путем манипулирования размером, характеристиками поверхности и используемым материалом наночастицы могут быть превращены в интеллектуальные системы, содержащие терапевтические агенты и средства визуализации, а также обладающие невидимыми свойствами.
Кроме того, эти системы могут доставлять лекарство в определенные ткани и обеспечивать терапию с контролируемым высвобождением.
Эта нацеленная и устойчивая доставка лекарства снижает токсичность, связанную с лекарством, и повышает приверженность пациента к менее частому дозированию.
Нанотехнологии оказались полезными при лечении СПИДа и многих других заболеваний, а также способствовали продвижению в диагностическом тестировании.
Но что происходит с наночастицами после того, как ими выполнены своиих функции в организме?
На этот вопрос раньше не было ответа.
Команда ученых-биохимиков их России озадачилась поиском ответов с целью разработки нового спектральныого магнитного метода детекции материалов. С помощью изобретенного способа ученым удалось отделить сигнал магнитных наночастиц от железа, содержащегося в организме.
На практике новый способ выглядит следующим образом: лабораторную мышь размещают таким образом, что у них область печени и селезенки находится над магнитной катушкой, воздействующей на наночастицы. Затем, по магнитному отклику, исследователь измеряет объем количества железа, оставшегося в составе частиц и объем уже вошедшего в состав белков млекопитающего.
Преимущества нового метода несомненны:
- Он имеет высокую чувствительность.
- Он дает возможность организовать измерение без смерти животных.
Используя новый способ, ученые смогли провести масштабное исследование в сфере нанобиотехнологий. Коллектив исследователей выполнял следующие виды работ:
- Сравнивали между собой скорость деградации 17 типов наночастиц.
- Изучали влияние на биоразложение в организме их внутреннего строения, размера, заряда поверхности, дозы и покрытия.
Введенные в кровоток наночастицы накапливались в лизосомах и медленно растворлись под действием ферментов и кислоты. Исследователи выяснили, как сильно зависит скорость этого процесса от внутреннего строения материала.
Оказалось, что изменяя дизайн наночастиц, возможно в десятки раз ускорить время полной деградации с нескольких лет до одного месяца. Например, маленькие частицы с отрицательным зарядом деградировали быстрее всего.
Наиболее слабо замедлял растворение покрывающий наночастицы полимер глюкуроновой кислоты, а сильнее всего — полистирол.
Максимом Никитиным, зав.лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, руководителем направления «Нанобиомедицина» НТУ «Сириус», соавтором опубликованной в журнале ACS Nano итоговой статьи, отмечается, что данное исследование стало возможным при создании подхода для неинвазивной детекции магнитных частиц в организме.
Команда ученых занималась исследованиями и измерениями более года. Если бы все это время в ходе экспериментов животные погибали, как при классических методах, то для продолжения исследовательской работы требовались бы все новые и новые тысячи живых мышей.
Такие масштабы не укладывались бы в этические рамки, требовали бы крупных финансовых вложений и больших человеческих трудозатрат.
На следующем этапе исследования ученые пытались понять суть происходящего с остатками наночастиц.
Они зафиксировали тот факт, что избыточное железо, образовавшееся при растворении наночастиц, не выводится из организма. Но организм животных оперативно отреагировал на новые условия и стал меньше усваивать железа, посупающего из пищи. В итоге железо от растворившихся наночастиц переходило в низкотоксичные формы полностью. Оно откладывалось в селезенке и печени.
Организаторы эксперимента решили, что организм будет использовать эти запасы по необходимости. Они могут понадобиться для регуляции метаболических процессов, создания эритроцитов и других применений.
Было сделано важное открытие: долговременная токсичность магнитных частиц для организма отсутствует.
Были зафиксированы следующие изменения в организме:
- Временное увеличение популяции иммунных клеток, участвующих в распознавании частиц и их переработке.
- Долговременное отложение избыточного железа в печени и селезенке.
Иваном Зелепукиным, м.н.с. лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН, выпускником МФТИ, первым автором статьи, указано на важную особенность, замеченную исследователями.
Если биогенное железо в которое переходят магнитные частицы можно использовать для лечения некоторых форм анемий.
Ученые нашли способ создания разумного дизайна наноматериалов с контролируемой скоростью высвобождения железа.
Эта научная деятельность получила поддержку РФФИ и Российского научного фонда, которые работают над изучением механизмов взаимодействия частиц с организмом.
Научные сотрудники НТУ «Сириус» работают над следующими приоритетными направления стратегии научно-технологического развития России:
- наука о жизни;
- генетика;
- ИТ и ИИ;
- математика;
- когнитивные науки;
- урбанистика.
Создаваемые учеными университета прототипы технологий и продуктов будут формировать образ российской высокотехнологичной индустрии.
Лаборатория нанобиотехнологий МФТИ особый интерес проявляет к разработке «умных» материалов на основе наночастиц и их практического применения in vitro и in vivo.
На базе лаборатории можно проводить «полный цикл» работ по всем этапам нанобиотехнологий: от неорганического синтеза наночастиц и их покрытия различными полимерными оболочками до тестирования взаимодействия созданных наноматериалов с животным, клеточными культурами и неживыми объектами.
Группа ученых лаборатории нанобиотехнологий МФТИ владеет самыми современными знаниями и всеми новейшими методами исследований.
Новый способ доставки лекарств для лечения глазных болезней
Изображения клеток сетчатки лабораторной крысы возле зрительного нерва.
Многие лекарственные вещества, потенциально эффективные для терапии глазных заболеваний, на практике не оказывают ожидаемого терапевтического эффекта. Это может быть связано как с отсутствием подходящей лекарственной формы (например, ввиду низкой растворимости веществ в воде), так и с наличием гематоретинального барьера, препятствующего проникновению различных веществ из кровотока в сетчатку. Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева и институтов Германии разработали систему адресной доставки подобных лекарственных веществ и опробовали ее эффективность на крысах. Эксперименты показали, что через 15 минут после инъекции полимерных наночастиц, наполненных модельным действующим веществом кумарином-6, большая часть этого вещества проходит через барьер и распределяется по сетчатке глаза крысы. Работа опубликована в European Journal of Pharmaceutical Sciences, а ученые планируют расширить этот подход для доставки лекарств в мозг и лечения нейродегенеративных заболеваний.
С помощью технологии адресной доставки можно значительно повысить количество лекарства, которое попадает непосредственно в больной орган или ткань, что увеличивает эффективность терапии и снижает общую нагрузку на организм.
Больше всего ожиданий от этого подхода связано с лечением онкологических заболеваний, но есть и многие другие болезни, где адресная доставка лекарств может быть очень полезна. Например, это различные глазные болезни – глаукома, ишемия сетчатки глаза, повреждение оптического нерва и другие.
У многих веществ, потенциально эффективных для лечения этих заболеваний, очень низкая растворимость в воде и поэтому для них сложно сделать подходящую лекарственную форму.
Другая проблема – гематоретинальный барьер, естественная защита организма, которая ограничивает проникновение «ненужных» молекул через стенки кровеносных сосудов в ткань сетчатки.
Возможное решение этих проблем – использование в качестве носителей лекарств небольших частиц (наночастиц), способных пройти через барьер.
Молекулы лекарств при этом заключены в наночастицы, которые, попав в организм, постепенно деградируют – распадаются на нетоксичные метаболиты.
С помощью такой «упаковки» можно получить наноразмерную форму лекарственного вещества, которая будет с одной стороны водосовместима, то есть позволит обойти ограничение по растворимости, а с другой стороны может адресно доставить нужное количество молекул прямо к мишени.
«Труднорастворимые вещества можно включать в наночастицы, состоящие из биодеградируемых полимеров, а потом водные дисперсии этих наночастиц использовать в качестве инъекционных лекарственных форм, удобных для внутривенного введения», – комментирует Светлана Гельперина, один из авторов работы, профессор кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ. – «Этот подход мы использовали в новой работе и надеялись, что наночастицы будут проникать в сетчатку. Но этого не произошло, они остались ассоциированными со стенками сосудов. При этом главное, что включенное в наночастицы модельное вещество очень эффективно проникало в сетчатку. Мы это наблюдали и фиксировали в реальном времени, – это означает, что наш подход работает и, таким образом, мы сможем доставлять и лекарственные вещества к сетчатке».
Самоотверженные наночастицы
Чтобы понять принципиальные возможности подхода ученые работали не с лекарственными веществами, а с модельным веществом кумарином-6 – красителем, который часто используют в биомедицинских экспериментах.
Кумарин-6 очень ярко флуоресцирует, что позволяет легко отслеживать его концентрацию и распределение в живых тканях с помощью флуоресцентной микроскопии, фиксирующей интенсивность свечения кумарина.
При этом кумарин-6 очень плохо растворим в воде, так что он может служить моделью многих малорастворимых в воде лекарственных веществ.
Для того чтобы сделать наночастицы, наполненные модельным веществом, ученые проводили многостадийное эмульгирование (смешивание) сополимеров молочной и гликолевой кислот с кумарином-6 и органическими растворителями.
В результате получались однородные наноэмульсии, не расслаивающиеся с течением времени.
Далее из них удаляли органические растворители и отфильтровывали, получая водную дисперсию наночастиц с включенными внутри молекулами кумарина-6.
«Такой метод получения наночастиц и мы, и многие другие исследователи применяют уже много лет.
Сополимеры молочной и гликолевой кислот — это биодеградируемые фармацевтические полимеры, они производятся фармацевтическими компаниями и используются как безопасные вспомогательные вещества в различных инъекционных формах, за это их и любят исследователи», – рассказывает Светлана Гельперина.
– Поскольку наше трудно растворимое в воде модельное вещество [кумарин-6] присутствует в среде в процессе формирования наночастиц, то оно, «прячась» от воды, оказывается «заключенным» в ядро частицы. При разбавлении наносуспензии, например, при введении ее в организм, это модельное вещество начинает высвобождаться из наночастиц под воздействием среды.
Ключевая характеристика таких препаратов адресной доставки – это скорость высвобождения лекарственного вещества в разных условиях или, как говорят ученые, профиль его высвобождения. Важно, чтобы высвобождение вещества проходило с нужной скоростью и наночастица, попав в кровоток, все-таки успела добраться до цели, и высвободить основную концентрацию вещества именно там.
Заглянуть в глаза
Исследователи проводили проверочные эксперименты на лабораторных крысах. После небольшой дозы анестезии животным вводили в хвостовую вену суспензию наночастиц, а потом фиксировали положение их глаза, чтобы в реальном времени отследить поведение кумарина-6 в сетчатке с помощью установки ICON (англ. In vivo Confocal Neuroimaging – прижизненная конфокальная нейровизуализация).
Проведение эксперимента по исследованию глаза крысы на установке ICON
«Это уникальная установка, которая позволяет заглянуть в глаз живой крысе, увидеть и измерить распределение модельного вещества в сетчатке и соседних сосудах», – отмечает Светлана Гельперина. – Установка представляет собой микроскоп, оснащенный источником возбуждения и регистрации флуоресценции, и специальные фокусирующие механизмы.
Крыса во время измерений обездвижена, в глаз периодически капают капли, чтобы он не пересыхал, а мы наблюдаем за тем, как частицы циркулируют в крови и что с ними происходит потом».
В результате ученые установили, что наночастицы остаются внутри сосудов и не проходят через барьер.
Но кумарин-6, который они выделяют в сосудах, питающих сетчатку, проходит через стенки сосудов в сетчатку глаза и дальше там распространяется.
По данным измерений, уже спустя 15 минут после инъекции почти весь кумарин переходит из сосудов и распределяется по сетчатке, что позволяет предположить высокую скорость действия таких препаратов при использовании не модельных, а реальных терапевтических средств в будущем.
Распределение концентрации кумарина-6 в глазу крысы в реальном времени: спустя 90 минут после инъекции вещество полностью находится в сетчатке, а не в сосудах (BV)
Предложенный способ адресной доставки лекарств достаточно прост и, по словам ученых, может быть быстро и эффективно масштабирован до создания производственной линии.
В дальнейшем исследователи планируют не только продолжать работы с лекарствами для терапии глазных болезней, но и развивать этот подход уже для заболеваний центральной нервной системы, в частности для лечения глиом – опухолей мозга.
Разработаны уникальные наноматериалы для ДНК-диагностики и направленной доставки лекарств
Российские ученые представили уникальный по своим свойствам «умный» материал, который может быть использован как для экспресс-ДНК-анализа, так и для создания нового поколения средств лечения рака и других сложных заболеваний.
Более ста лет человечество пытается создать «волшебную пулю», концепцию которой впервые предложил немецкий врач Пауль Эрлих. Идея проста: в организм вводят «умные» частицы, которые сами находят, распознают и сразу лечат болезнь. Над реализацией этой смелой идеи ученые бьются до сих пор.
В лаборатории нанобиотехнологий Московского физико-технического института совместно с исследователями из Института общей физики РАН продвинулись в решении этой задачи особенно далеко.
В недавно вышедшей работе, опубликованной в журнале ACS Nano (IF = 13,903), группа российских авторов (без зарубежных аффилиаций) под руководством Максима Никитина из МФТИ представила уникальный по своим свойствам «умный» материал, который может быть использован как для экспресс-ДНК-анализа, так и для создания нового поколения средств лечения рака и других сложных заболеваний.
Доставка лекарств к пораженным клеткам организма на сегодняшний день является слабым звеном (узким «бутылочным горлышком») диагностики и терапии.
В идеале лекарство должно попадать адресно — только в «больные» клетки, не нанося при этом никакого вреда здоровым.
Отличить пораженную болезнью (например, раком) клетку от здоровой возможно по различным соединениям (маркерам) на ее поверхности или в ее микроокружении — продуктам жизнедеятельности или различным сигналам, передаваемым другим клеткам организма.
Существующие лекарства выделяют больные клетки по одному такому маркеру. Однако почти всегда маркеры больной клетки есть и на здоровых, только в меньшем количестве. Именно поэтому существующие системы адресной доставки несовершенны. Для увеличения специфичности доставки лекарств необходимы «умные» (англ.
– smart) материалы, способные анализировать сразу несколько параметров своего окружения и более точно находить мишень. «Общепринятые способы доставки лекарств напоминают письмо с указанием города и улицы, но без номера дома и квартиры, — комментирует руководитель исследования Максим Никитин.
— Для эффективной доставки нужно уметь анализировать больше параметров».
В 2014 году в журнале Nature Nanotechnology Максимом Никитиным и его соавторами были опубликованы результаты работы, в которой они впервые наделили нано- и микрочастицы функцией производить любые логические вычисления с помощью биохимических реакций. Такие автономные нанокомпьютеры способны идентифицировать мишень намного лучше за счет анализа многих ее параметров.
За последние годы область подобных «биокомпьютинговых» материалов существенно развилась.
В 2018 году, когда количество работ стало уже больше многих сотен, наиболее авторитетное научное издание в области нанотехнологий Chemical Reviews (IF = 54,301) опубликовало совместный обзор ученых из лаборатории нанобиотехнологий МФТИ и лаборатории биофотоники Института общей физики РАН на тему современного состояния в области наноробототехники и биокомпьютинга Advanced Smart Nanomaterials with Integrated Logic-Gating and Biocomputing: Dawn of Theranostic Nanorobots («Передовые умные наноматериалы со встроенными возможностями выполнения логических операций и биокомпьютинга: на заре эпохи тераностических нанороботов»).
Несмотря на большое количество усилий, потраченное множеством исследовательских групп во всем мире для расширения функционала таких материалов, их главным слабым местом оставалась низкая чувствительность к маркерам заболеваний, что не позволяло планировать их реальные применения. В нынешней работе российским ученым удалось сделать прорыв.
Они разработали уникальный умный материал, который обладает сверхчувствительностью к ДНК-сигналам, не просто на несколько порядков превышающей чувствительность всех остальных материалов, но и лучшей, чем абсолютное большинство существующих экспресс-ДНК-тестов.
Добиться этого выдающегося результата исследователям помог обнаруженный ими феномен необычного поведения ДНК-молекул на поверхности наночастиц.
В процессе работы авторы пришивали молекулу одноцепочечной ДНК одним концом на поверхность наночастиц. Важно, что эта ДНК-молекула не имела двухцепочечных областей, образующихся за счет спаривания фрагментов своей же цепи (так называемых «шпилек»).
На другой конец нити ДНК был пришит рецептор, распознающий маркеры на поверхности клеток. К удивлению исследователей, рецептор никак не хотел связываться с мишенью. И это не было ошибкой.
Возникла гипотеза, что на поверхности наночастицы одноцепочечная нить ДНК «прилипает» к поверхности и самопроизвольно сворачивается в клубок, в результате чего рецептор «прячется» на поверхности наночастицы (смотрите рисунок 1).
Рисунок 1. Активация рецептора на поверхности наночастиц при добавлении комплементарной нити ДНК / ©Предоставлено авторами исследования /Пресс-служба МФТИ
Гипотеза подтвердилась, когда к такой частице добавили другую небольшую нить ДНК, комплементарную к ДНК на наночастице, — рецептор мгновенно «активировался» и связывался с мишенью.
За счет образования комплементарных пар между нуклеотидами две нити образовывали жесткую двойную спираль, или, как говорят ученые, дуплекс. В результате нить ДНК, подобно языку хамелеона, разворачивалась, и рецептор начинал узнавать клеточный маркер.
По поведению такая конструкция напоминает известные в науке «молекулярные маяки» (смотрите рисунок 2).
Рисунок 2. Сравнение молекулярных маяков и разработанных авторами исследования умных материалов / ©Предоставлено авторами исследования /Пресс-служба МФТИ
Их принцип работы состоит в том, что за сворачивание/разворачивание отвечает «шпилька», то есть образование одним концом одноцепочечной нити ДНК дуплекса с другим концом. Конкурируя за связывание с концами маяка, комплементарная ДНК может разрушить шпильку и развернуть ДНК маяка.
В феномене с наночастицей достигается принципиальное и крайне полезное отличие. «Это уникальный искусственный интерфейс, который делает независимыми силу сворачивания ДНК (взаимодействие ДНК с поверхностью) и силу, ее разворачивающую (образование дуплекса).
За счет такого разделения мы кардинально улучшаем чувствительность», — замечает первый автор статьи Владимир Черкасов, ведущий специалист лаборатории нанобиотехнологий МФТИ.
В опубликованной статье авторы продемонстрировали агенты, способные без амплификации ДНК и/или сигнала детектировать ДНК в концентрации вплоть до 30 фемтомоль в литре (фемто = 10–15).
Поясняет соавтор работы, аспирантка лаборатории нанобиотехнологий МФТИ Елизавета Мочалова: «Такая чувствительность была продемонстрирована в крайне простом в использовании иммунохроматографическом анализе, известном в формате теста на беременность.
Подобные тесты могут быть проведены без использования чистых лабораторных помещений и сложного оборудования, как правило необходимых для существующих технологий ДНК-анализа. Эта технология подходит для быстрого скрининга инфекционных заболеваний, домашнего анализа пищевых продуктов и тому подобного».
Кроме того, авторы показали применимость технологии для создания умных наноагентов для распознавание раковых клеток в зависимости от содержания малых ДНК в их микроокружении.
Хотя еще совсем недавно считалось, что малые нуклеиновые кислоты — это бессмысленные «ошметки» больших функциональных молекул, сейчас стало понятно, что малые РНК являются ключевыми регуляторами многих процессов в живых клетках.
В настоящее время идет активная идентификация подобных РНК, являющихся маркерами заболеваний.
Максим Никитин, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, комментирует: «Интересно, что чем меньше длина детектируемых нуклеиновых кислот, тем меньше у данной технологии конкурентов. Вплоть до того, что на данный момент не существует агентов, которые способны были бы детектировать последовательности 6–9 оснований с подобной чувствительностью.
Мы уже сейчас можем создавать агенты, управляемые хорошо изученными малыми РНК (длиной 17–25 оснований).
Но еще более захватывающе то, что наш метод позволяет впервые прозондировать микроокружение клеток и понять, не являются ли малые РНК меньшей длины полезными индикаторами заболеваний, а не “мусором”, как до сих пор все еще считается из-за сложностей их детекции».
Разработанная технология открывает новые перспективы в области геномных технологий — как с точки зрения экспресс-ДНК-диагностики вне лабораторных условий (на дому, в «полевых условиях» и так далее), так и для построения терапевтических наноматериалов нового поколения.
Действительно, в последние годы были сделаны колоссальные прорывы в исследовании генома и его редактировании, однако данная технология может позволить решить все еще актуальную проблему доставки лекарств в клетки только c определенным генетическим профилем микроокружения.
Исследователи планируют продолжить развитие данной технологии, в том числе в рамках недавно созданного Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ.
Сибирские ученые улучшили систему доставки до клеток лекарств от рака
Иногда в организме неправильно работает какой-либо ген, что приводит к появлению слишком больших количеств кодируемого им белка. В других случаях синтезируется неправильный (мутантный) белок: всё это сказывается на здоровье и может служить причиной серьезного заболевания.
Для борьбы с подобными «ошибками» нередко используются так называемые терапевтические нуклеиновые кислоты. Наибольшая сложность в их применении — доставка до проблемного места (клетки): этот вопрос и пытаются решить сибирские ученые. Статья об исследовании была опубликована в журнале European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics.
Антисмысловые (с англ. — antisence) олигонуклеотиды — один из наиболее разработанных классов терапевтических нуклеиновых кислот. Они получили свое название из-за того, что комплементарны (имеют противоположную значимость) матричным РНК (мРНК), а также РНК вирусов и мРНК бактерий, кодирующим белки, то есть молекулам со значащей, смысловой последовательностью.
Антисмысловые олигонуклеотиды способны подавлять экспрессию любого гена на уровне матричной РНК, расщепляя ее. Другой механизм действия — блокирование трансляции (синтеза белка), когда при связывании олигонуклеотида рибосома просто не может его вытеснить. В итоге укороченный белок с неправильной структурой утилизируется и не накапливается в клетке.
«Существует ряд белков, гиперэкспрессия которых ассоциируется с раком, воспалениями и так далее. Например, при вирусной инфекции в клетках синтезируются вирусные РНК и белки. Антисмысловой нуклеотид может подавить их синтез, а следовательно, и распространение инфекции.
На данный момент основная проблема использования терапевтических нуклеиновых кислот — доставка в нужное место: при внутривенном введении антисмысловые олигонуклеотиды распространяются по всему организму и быстро выводятся почками, не успевая оказать максимальное воздействие», — рассказывает заведующая лабораторией биохимии нуклеиновых кислот Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор биологических наук Марина Аркадьевна Зенкова.
Для решения этой проблемы специалисты ИХБФМ СО РАН разрабатывают системы доставки терапевтических нуклеиновых кислот, которые смогут не только отправить препарат в точку назначения, но и способствовать сохранению его активности в клетках, например в опухоли.
В качестве систем доставки сибирские ученые используют комплексы на основе катионных липосом: частиц размером до 100 нанометров, построенных из катионных и нейтральных липидов (жирорастворимых веществ).
Катионные липосомы связываются с антисмысловыми олигонуклеотидами и защищают их от действия неблагоприятных факторов в крови, а также способствуют проникновению в клетки, так как по строению напоминают клеточные мембраны.
Важнейший компонент системы доставки — катионные (положительно заряженные) липиды уникального строения — разработка специалистов московского Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (сейчас — Московский технологический университет, Институт тонких химических технологий).
Такие липиды полностью биодеградируют в организме человека, оставляя только природные молекулы, которые не являются токсичными. К тому же вещества не вызывают включение специфического иммунного ответа и одинаково активно работают с различными терапевтическими нуклеиновыми кислотами.
Кроме того, на каждой клетке существует набор рецепторов — сложных белковых структур, способных прочно связываться с определенной молекулой — лигандом. Если включить его в состав комплекса, то такие «адресованные» липосомы вкупе с антисмысловыми олигонуклеотидами будут связываться с клетками, на поверхности которых есть рецепторы к этому лиганду.
«Обычно опухолевые клетки содержат на поверхности рецепторы к фолиевой кислоте. Именно поэтому она часто используется в качестве адресующего лиганда в различных системах доставки лекарств, — поясняет Марина Зенкова. — Вообще, фолиевая кислота необходима для нормального функционирования клетки.
Однако если последняя начинает гиперэкспрессировать рецепторы к фолиевой кислоте на поверхности, скорее всего клетка уже приобретает злокачественный фенотип. Поэтому мы включили в состав липосом эту кислоту, чтобы та обеспечила специфическое, направленное взаимодействие с опухолевыми клетками».
Преимущество липосомальных систем, разработанных учеными, заключается в том, что их можно приготовить заранее. Для этого химически синтезированные компоненты липосом, включая фолат-содержащую направляющую компоненту, смешивают в органическом растворителе и высушивают в вакууме.
Затем получившуюся липидную пленку суспендируют в воде, обрабатывают ультразвуком, расфасовывают и хранят в холодильнике до использования. Если нужно доставить нуклеиновую кислоту, ее смешивают с этим раствором в определенных пропорциях и вводят в организм — то есть подобный вариант лечения является сравнительно недорогим.
Нуклеиновая кислота в комплексе с липосомами быстро добирается до клеток опухоли и остается в них в значительном количестве даже через 24 часа после инъекции. «Сейчас мы пытаемся сделать еще более сложные системы адресации, ищем возможности присоединения пептидов, антител, которые могут стимулировать захват комплексов определенными клетками. Проблема в том, что у наиболее злокачественных опухолей мало поверхностных рецепторов — опознавательных знаков, поэтому надо еще многое проработать», — заключает Марина Зенкова.
Алена Литвиненко
Лекарства доставят из песочницы
В эксперименте по онлайн-продаже рецептурных лекарств, который может запуститься в трех регионах на базе Ozon, хотят поучаствовать еще ряд крупных игроков.
Заявку на участие подал «Вкусвилл», а интерес проявляют в «Яндекс.Маркете», «AliExpress Россия» и «Магните».
Участники фармрынка предупреждают, что сегмент рецептурных лекарств — низкодоходный, а спрос на доставку может быть небольшим.
«Вкусвилл» заинтересовался участием в эксперименте по онлайн-продаже рецептурных лекарств, рассказали “Ъ” источники, знающие о таких планах.
В АНО «Цифровая экономика» (дает заключения об участии в экспериментальных правовых режимах, так называемых песочницах) подтвердили, что получили предварительную заявку «Вкусвилла» на участие в проекте.
Во «Вкусвилле» заявили “Ъ”, что обсуждали такую возможность, а сейчас в эксперименте не участвуют.
Эксперимент по дистанционной продаже рецептурных препаратов пока не запущен. В июне Минэкономики опубликовало законопроект о его проведении в Москве, Подмосковье и Белгородской области.
Согласно документу, онлайн-торговля не должна распространяться на наркотические, психотропные и сильнодействующие лекарства, а также препараты с более чем 25% этилового спирта в составе.
Гендиректор DSM Group Сергей Шуляк поясняет, что доставка рецептурных лекарств станет доступна только для тех игроков, которые наладят у себя работу программного обеспечения для обработки электронных рецептов. В АНО «Цифровая экономика» ожидают начала эксперимента в 2022 году.
Инициатором запуска эксперимента был Ozon, а о других потенциальных участниках известно не было.
По словам источника “Ъ” на рынке, интерес к проекту также проявляли «Яндекс.Маркет» и «Сбермаркет». В «Яндексе» заявили “Ъ”, что «Яндекс.
Маркет» активно прорабатывает возможность участия в эксперименте и технологически платформа к этому готова. Участие маркетплейсов в проекте станет стимулом для ускоренного роста фармацевтического сегмента e-commerce, отметили там.
Об интересе к эксперименту также говорят в «AliExpress Россия» и «Магните». В Сбербанке отказались от комментариев.
В Минэкономики сообщили “Ъ”, что о расширении списка участников эксперимента до того, как будет готов окончательный проект программы, говорить преждевременно. Проект программы же будет готов после внесения соответствующего законопроекта, что должно произойти в ближайшее время, уточнили там. Пока законопроект находится на этапе публичного обсуждения, сроков окончания не установлено.
Доставка безрецептурных лекарств в России была разрешена в мае 2020 года, хотя участники рынка просили власти об этом с 2015 года.
Первоначально к дистанционной торговле могли подключиться только аптечные сети с не менее чем десятью точками, собственным сайтом для заказа и оплаты лекарств и помещениями для хранения заказов.
В июне 2021 года ограничение в десять аптек было снято и сетям разрешили вступать в партнерства с агрегаторами и маркетплейсами для доставки (см. “Ъ” от 1 июня). «Вкусвилл» также запустил онлайн-витрину с безрецептурными лекарствами этим летом.
Как отмечает Сергей Шуляк, доставка рецептурных лекарств вполне может дать определенную синергию маркетплейсам, поскольку у них уже есть аудитория, привыкшая покупать все товары в одном месте.
Исполнительный директор «Оборот.ру» Иван Кургузов говорит, что для крупных компаний участие в эксперименте — возможность «прощупать» процессы, чтобы понять, готовы ли они инвестировать существенно в это направление и будет ли отдача. По его словам, есть риски, что проект может оказаться сопряжен с технологическими трудностями, например в части работы электронных рецептов.
Гендиректор сети «36,6» Александр Кузин считает, что внедрение электронного рецепта и доставки рецептурных препаратов должно идти последовательно, а появление лишнего звена, например в виде курьеров, только приведет к росту стоимости лекарств.
Собеседник “Ъ” на фармацевтическом рынке добавляет, что сегмент рецептурных лекарств почти весь представлен препаратами с фиксированной наценкой, а значит, издержки на курьеров и рекламу невозможно будет покрыть за счет их оборота.
Кроме того, в Москве нет проблем с доступностью лекарств и аптек, и не факт, что доставка рецептурных препаратов будет такой востребованной, как ожидают потенциальные участники эксперимента, указывает он.
Дмитрий Шестоперов, Александр Осипов
Ученые придумали новый метод адресной доставки лекарств
Современные противоопухолевые препараты способны эффективно бороться со злокачественными опухолями. Но из-за их распространения по всему организму, они наносят ущерб не только больным, но и здоровым клеткам. Чтобы избавиться от этого недостатка ученые уже довольно давно разрабатывают системы адресной доставки лекарственных средств. Как правило, они представляют собой оболочки, внутри которых находится препарат, которые раскрывают в нужном месте либо самостоятельно, либо при внешнем воздействии.
Большая часть таких систем имеет достаточно высокую стоимость. Теперь исследователи из Университета ИТМО и ТПУ совместно с зарубежными коллегами предложили модифицировать полимерные капсулы для доставки препаратов добавлением к ним магнитных наночастиц альфа-оксида железа (III). При их облучении лазером материал нагревается, а его оболочка разрушается, высвобождая препарат.
Преимущество оксида железа состоит том, что этот материал выступает не только в качестве эффективного нанонагревателя, но и как локальный нанотермометр. То есть при нагреве частиц можно контролировать температуру, тем самым предотвращая перегрев здоровых клеток и тканей.
«Мы протестировали наши системы для доставки лекарств in vitro на стволовых и опухолевых клетках. Стволовые клетки в этом эксперименте были использованы как модель здоровых структур, а опухолевые — в качестве злокачественных.
В итоге действие противоопухолевого лекарства было направлено в отношении опухолевых клеток при облучении их лазером, в то время как в отношении здоровых клеток практически не наблюдалось проявление токсичности препарата.
Контрольные клетки также выжили по окончании эксперимента, а опухолевые нами удалось убить», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Университета ИТМО Михаил Зюзин.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].
Загрузка...
