Биоинженеры РУДН создали наноконтейнеры для направленной доставки лекарств

Одна из главных проблем фармацевтики – побочные эффекты, которые зачастую возникают из-за того, что действующее вещество лекарств попадает в здоровые органы. Именно поэтому, например, столь тяжела для пациентов химиотерапия при лечении рака: токсичные препараты действуют не только на клетки опухоли, но и на весь организм. Системы целевой доставки лекарств позволяют решить эту проблему. В последние годы было предложено много потенциальных «носителей»: микрокапсулы с оболочкой из полиэлектролитов, искусственные липосомы микро- и наноразмеров, белковые наночастицы. Несколько десятков лекарственных средств, упакованных в такие контейнеры, уже используются в практике или проходят клинические испытания.

Тем не менее, остается ряд проблем, которые мешают широкому применению «умных» носителей. Одна из них является - зависимость биораспределения лекарств в тканях от размера контейнеров. Чем меньше размер, тем больше вероятность, что лекарство достигнет больной орган, и тем меньше необходима доза препарата и меньше токсическое действие. Другая проблема – недостаток информации о токсичности, влиянии на организм и распределении в живых тканях. Обе эти проблемы были успешно решены биохимиками РУДН в сотрудничестве с коллегами из России и Великобритании.

Научный сотрудник лаборатории инжиниринга поверхностей РУДН Ольга Синдеева и ее соавторы создали субмикронные магниточувствительные контейнеры – частицы размером 400-600 нанометров с оболочкой из нескольких слоев бычьего сывороточного альбумина (bovine serum albumin, BSA) с флуоресцентной меткой Cy7™ и таниновой (дубильной) кислотой (tannic acid, ТА).

Новизна работы – в методе получения контейнеров, при котором наночастицы магнетита (magnetite nanoparticles, MNPs), смешанного оксида железа (II, III) сначала адсорбировали на поверхности пористых гранул карбоната кальция, которые затем покрывали последовательно несколькими слоями BSA-Cy7 и TA. Затем карбонат кальция вымывали из контейнеров водным раствором с хелатирующим агентом.

«С помощью такого метода удалось в два раза повысить содержание магнетита в контейнерах по сравнению с тем, что получают методами адсорбции и соосаждения. Таким образом, удается повысить магнитный момент наноконтейнеров и увеличить скорость их перемещения в кровеносной системе», — пояснила Ольга Синдеева.

Биоинженеры РУДН ожидают, что субмикронный размер контейнеров увеличит биодоступность лекарства, которое загружают в контейнер MNPs(BSA-Cy7-TA).

Предварительные эксперименты на двух клеточных линиях, HeLa и фибробластах, показали, что контейнеры не влияют на жизнеспособность клеток и их можно использоваться in vivo.

Затем контейнеры без лекарства опробовали на живых мышах линии BALB/c обоих полов весом около 20 граммов, по 10 особей в группе. Контейнеры в виде суспензии в физиологическом растворе вводили в хвостовую вену анестезированных мышей. В качестве контроля использовали суспензию контейнеров без магнетита (BSA-Cy7-TA). Затем на одну из задних лап мышей в течение часа воздействовали магнитным полем, а другую оставляли свободной для сравнения. За распределением наноконтейнеров в тканях живых мышей наблюдали с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) и флуоресцентной визуализации. Также был проведен магнитометрический анализ и гистологическое исследование тканей мышей post mortem через час после снятия магнита.

Биологи РУДН показали, что в периферических сосудах задних конечностей в покое при малой скорости кровотока частицы MNPs(BSA-Cy7-TA) в первый час после внутривенной инъекции движутся в направлении конечности, к которой прикреплен магнит. Методом МРТ показано, что концентрация магнетита в мышце рядом с магнитом проходит через максимум. Содержание магнетита в этот момент времени на 70 процентов выше, чем в свободной конечности. Затем сигнал магнетита падает до фоновых значений.

По результатам гистологических исследований и магнитометрии разработчики контейнеров установили, что MNPs(BSA-Cy7-TA) концентрировались преимущественно в легких, и, в меньшей степени, в печени и селезенке, причем их концентрация в легких была в 4-5 раз выше. Небольшое количество носителя было найдено также в других внутренних органах и в мышцах, но в концентрации существенно более низкой, чем в легких. Таким образом, биохимики сделали вывод, что распределение контейнеров, введенных внутривенно, зависит от кровоснабжения органов, то есть от скорости кровотока, но чувствительно к локализации магнитного поля.

Особое внимание было уделено изучению токсичности контейнеров при внутривенном введении и влияния их на организм. Предварительные тесты показали, что in vitro в плазме или крови значительная часть контейнеров подвергается деструкции в течение суток. Результаты исследований говорят о том, что контейнеры успевают достичь цели при внутривенном введении. Затем по изменению сигнала флуоресценции видно, что частицы носителя постепенно деградируют и выводятся из организма. Частицы не токсичны и гемосовместимыми, их размер позволяет им проникать в различные ткани организма, но в рабочих дозах они не вредят дыхательной и кровеносной системе, почкам и печени. Активация системы комплемента, необходимая для биодеградации белковой оболочки контейнеров, не влияет на уровень лейкоцитов, а, значит, не ведет к заметному систематическому воспалению.

Таким образом, исследователям РУДН удалось получить контейнеры с повышенным содержанием магнетита и эффективно управлять их распределением в организме с помощью магнитного поля.

В дальнейшем участники проекта намерены создать «умные» нанокапсулы, способные донести лекарство в больной орган и только там «раскрыться» для высвобождения действующего вещества. Такой способ доставки лекарственных препаратов помог бы избежать побочных эффектов от лечения. Кроме того, может быть во многом снята проблема лечения пациентов с «букетом» заболеваний, а также детей или пожилых людей с ослабленным здоровьем, когда лечащий врач вынужден отказать в назначении необходимой терапии из-за риска ухудшить состояние пациента.

Результаты исследования в журнале Polymers