Пресс-центр / новости / Наука /
Наночастицы пожертвовали собой для улучшения доставки лекарств
“Живи ярко, умри молодым” – не только лозунг рок-культуры, но и принцип, который вошел в новый метод доставки лекарств. В недавней работе российских ученых, опубликованной в престижном журнале Nature Communications, было показано, что наночастицы, которые саморазрушаются в течение всего нескольких минут в организме могут осуществлять эффективную терапию метастаз в легких (Рисунок 1).
Baidyuk EV, Serejnikova NB, Volovetskiy AB,
Рисунок 1. Схема осуществляемого лечения. Наночастицы с лекарством вводятся в кровоток и в течение нескольких минут достигают сосудов в легких. Затем, в течение 15 минут наночастицы саморазрушаются, выпуская лекарство в микрокапилляр. Высокая концентрация лекарства способствует его проникновению вглубь ткани
Современной проблемой химиотерапии рака является сильное токсическое воздействие на здоровые ткани в организме. На протяжении последних десятилетий предпринимаются попытки создать наночастицы-контейнеры для направленной доставки лекарств к опухолям, которые могли бы избежать излишнего накопления в здоровых тканях. Тем не менее, такие наночастицы имеют свои проблемы. Например, в настоящее время считается, что основной путь накопления наночастиц в опухоли – попадание их через просветы в «рыхлых» кровеносных сосудах. Тем не менее, этот путь доставки работает не для всех типов рака, а также не применим для маленьких опухолей и метастаз, у которых процесс образования сосудов еще не начался. Более того, в силу более крупного размера чем молекулярное лекарство наночастицам оказывается сложно проникнуть глубоко внутрь опухолевой ткани, и осуществить равномерную доставку препарата.
В новой работе исследователи из Института Биоорганической Химии РАН (Лаборатория молекулярной иммунологии и Лаборатория онконанотераностики) с коллегами из Сеченовского Университета, МИФИ и Института цитологии РАН предложили принципиально новый подход в доставке лекарств на наночастицах к опухолям. В своей работе они показали, что если частицы будут быстро доставлены в микрокапилляры опухоли и также быстро, в течение нескольких минут, выпустят все лекарство, то химиотерапевтический агент сможет глубоко пропитать окружающую ткань и осуществить лечение рака. Важной особенностью метода является отсутствие требования проникновения частиц внутрь опухолевой ткани – необходима лишь доставка контейнеров в ближайшие кровеносные сосуды.
В качестве наноконтейнеров были использованы металлорганические каркасные структуры типа MIL-101 (Рисунок 2) - материал с экстремально высокой пористостью, способный нагружать большое количество лекарства. Было обнаружено, что данные частицы в условиях крови полностью саморазрушаются за счет взаимодействия с окружающими фосфат-ионами всего лишь за 15 минут, что сопровождается коллапсом пор и резким высвобождением лекарства. Еще одной отличительной особенностью этих наночастиц является их быстрое накопление в капиллярах легких, буквально за первую минуту после введения.
Рисунок 2. (а) Кристаллическая структура поры металл-органического каркаса типа MIL-101 (b) Электронная микроскопия синтезированных наночастиц типа MIL-101
Теоретическое моделирование показало, что данные частицы смогут доставить более высокие концентрации лекарства в легкие, чем наноконтейнеры, которые будут высвобождать лекарство с медленной скоростью. Затем, были произведены эксперименты на мышах. Как и ожидалось, около 60% частиц, нагруженных флуоресцентным красителем, оказывались в легких через 3 минуты после введения, и затем в течение 10 минут происходило разрушение наночастиц. Высвободившаяся краска окрашивала окружающую ткань легких, причем экспериментальные данные концентраций препарата хорошо соотносились с теоретической моделью.
Затем исследователи протестировали метод доставки для терапии метастаз агрессивной меланомы в легких. Одна из моделей имитировала случай ранних метастаз, когда клетки только начинают свое развитие, а вторая – позднюю стадию заболевания, в которой опухолевая ткань распространялась в легких. Было обнаружено, что саморазбирающиеся наночастицы, загруженные доксорубицином (классическим химиотерапевтическим средством), были существенно более эффективны в лечении рака, чем введение свободного лекарства (Рисунок 3). Количественное сравнение терапии показало, что новый метод лечения приводил к 11-кратному уменьшению количества опухолевых узлов, а также к уменьшению среднего размера оставшихся метастаз. Эти два фактора способствовали значительному увеличению продолжительности жизни мышей.
Рисунок 3. Эффект терапии метастаз меланомы в легких с использованием наночастиц MIL-101, нагруженных лекарством или при введении свободного лекарства в кровоток. (а) Визуальные изображения легких через 2 недели после лечения. Метастазы отмечены синими стрелками. (b) Сравнение количества метастаз меланомы в легких. (c) Сравнение размера наблюдаемых метастаз. (d) График выживаемости мышей после терапии.
В дальнейшем ученые надеются применить разработанный подход для терапии первичных опухолевых узлов, а также настроить метод лечения, осуществив дизайн других материалов с более быстрым и более медленным саморазрушением в кровотоке. Следует отметить, что работа была выполнена исключительно российскими коллективами исследователей, что является редкостью в российском научном сообществе. Работа была выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ № 075- 15-2020-773.
18 ноября 2022 года