Российские ученые впервые исследовали, как нанороботы доставляют лекарства в живом организме

28 Jul 2021
176
Прослушать

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:

  1. Он имеет высокую чувствительность.
  2. 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:

  1. Сравнивали между собой скорость деградации 17 типов наночастиц.
  2. 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:

  1. Временное увеличение популяции иммунных клеток, участвующих в распознавании частиц и их переработке.
  2. 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.