Поиск - новости науки и техники

Ставка на доставку

Работы по созданию наноустройств для адресной доставки лекарства в определенные органы и ткани ведутся достаточно давно. Читая в прессе сообщения об успехах в данной области, многие думают, что этот метод уже активно применяется на практике. На самом деле из лабораторий вышли пока лишь единичные разработки ученых. Между тем всем ясно, что будущее именно за таким, контролируемым на клеточном уровне, способом введения лекарства. Как ускорить прогресс в этом направлении, какие задачи уже удалось решить ученым, а с какими еще предстоит справиться, об этом “Поиску” рассказала кандидат химических наук, заведующая лабораториями Института кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН и НБИК-центра Курчатовского института Татьяна Букреева.

Когда мы принимаем таблетку, действию находящегося в ее составе физиологически активного вещества подвергается весь организм. Наряду с побочными эффектами возникает еще одна проблема: доставить нужное количество действующего соединения в пораженный участок удается далеко не сразу. Введенное лекарство разрушается различными системами организма. Чтобы лечение было действенным, таблетки надо принимать снова и снова, в дозах, которые позволяют компенсировать эту “естественную убыль” и зачастую не безвредны для человека.
Давно уже стало понятно, что альтернатива “ковровому бомбометанию” – адресная доставка препаратов с помощью наноразмерных контейнеров. Такой способ просто жизненно необходим при агрессивной терапии опухолей высокотоксичными препаратами.
Применение новой лекарственной формы – нанокапсулы – в корне изменит лечение различных заболеваний благодаря способности нанообъектов преодолевать многочисленные биологические барьеры, существующие в организме. Чтобы “стрелять прицельно”, ученые должны решить весьма непростые задачи – научить нанокапсулы доносить действующее вещество до пораженных болезнью органов и тканей, не растеряв его по дороге, и вовремя отделять препарат от “транспорта” – желательно с контролируемой скоростью. Над этими проблемами вместе со своими коллегами и бьется Татьяна Букреева.
– Татьяна Владимировна, некоторые производители косметических средств и бытовой химии, расхваливая свою продукцию, утверждают, что действующее вещество находится там в виде микрокапсул. Можно ли доверять подобной рекламе?
– В области капсулирования на микронном уровне многие задачи уже решены, и микрокапсулы действительно применяют в фармацевтической, косметической, пищевой, текстильной, полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве.
Однако для использования методик капсулирования в медицине требуется их адаптация к наноуровню. При переходе на эту ступень протекание многих процессов качественно меняется. Огромную роль начинают играть поверхностные явления. Возникает, например, такая проблема – частицы становятся все менее стабильными, они постоянно стремятся склеиться. Целый ряд методов, успешно использующихся для получения микрокапсул, при конструировании нанокапсул вообще применить нельзя. Да и следить за изменением состояния и местоположением нанобъектов в организме гораздо сложнее. Микрочастицы мы можем контролировать с помощью простой оптики, а для структурной диагностики наночастиц нужна самая современная аппаратура.
– Давайте по порядку. Первая проблема – сформировать нанокапсулу. Как это делается?
– Существует немало способов. Расскажу о том, над чем мы в настоящее время работаем, – о полиэлектролитных капсулах. Процесс их изготовления представлен на рисунке 1. Вокруг ядра, в качестве которого выступает, например, коллоидная частица или капля эмульсии, формируется оболочка из макромолекул полиэлектролитов так, чтобы каждый новый слой был противоположен по заряду предыдущему. Такая методика, называемая Layer-by-Layer (слой за слоем), позволяет создавать довольно прочные оболочки, удерживающиеся за счет электростатических сил. Благодаря одноименному поверхностному заряду капсулы не слипаются.
Как правило, полиэлектролитная оболочка накручивается не на молекулы лекарства, а на так называемый темплат (матрицу), способствующий созданию упорядоченного комплекса. Пользуясь тем, что проницаемость капсул можно менять, варьируя кислотность среды, виды растворителей и температуру, на последних этапах темплат убирают и на его место загружают функциональное вещество.
Простота регулирования проницаемости стенок, возможность широкого выбора материала для них, монодисперсность получаемых частиц (небольшой разброс по размерам) являются преимуществами полиэлектролитных нанокапсул перед другими подобными системами.
– Когда был разработан такой способ создания капсул?
– Методика поочередной адсорбции противоположно заряженных слоев с начала 1990-х годов использовалась для изготовления наноразмерных пленок. Через десяток лет ученые стали применять эти принципы для создания нанокапсул. Мы традиционно занимались тонкими пленками, поэтому быстро освоили новые приемы и в 2005 году оборудовали специальную лабораторную комнату для работ по нанокапсулированию в Институте кристаллографии РАН. А год назад специально под эти задачи в ИК РАН была создана лаборатория биоорганических структур.
– Как я поняла, важно не только надежно запечатать лекарство в “наноупаковку”, но и заставить ее раскрыться в нужный момент и в нужном месте. Вы этими проблемами занимаетесь?
– Мы учимся решать разные задачи, в том числе и эту. Разрабатываем, например, методику модификации капсул наночастицами золота и серебра. Такую оболочку можно в определенный момент разрушить путем разогрева взаимодействующим с металлами лазерным излучением. Для этого используется медицинский лазер, работающий в инфракрасной области, длинноволновое излучение которого не поглощается тканями организма и безопасно для человека. Еще один вариант – насыщение оболочки магнитными частицами. В этом случае появляется возможность не только разрушать нанокапсулы в больном органе СВЧ-излучением, но и управлять их движением с помощью магнита. Работаем мы и с оболочками из биоразлагаемых полимеров, которые через определенное время разрушаются в организме под действием различных ферментов.
– Как добиться того, чтобы нанокапсулы попали точно в очаг поражения?
– О возможности перемещать капсулы, в которые “вмонтированы” магнитные частицы, я уже говорила. Существуют и другие варианты адресной доставки. В лекарственное вещество или “упаковку” добавляют молекулы, которые могут “узнать” специфические рецепторы на поверхности пораженных клеток и “зацепиться” за них. В качестве таких пришитых к нанокапсуле “адресов” могут выступать, например, антитела, которые распознают специ­фичные для злокачественных новообразований антигены, или некоторые молекулы, активно захватывающиеся клетками опухолей (см. рисунок 2).
– Вы разрабатываете методики капсулирования, что называется, на все случаи жизни или, начиная серию экспериментов, имеете в виду какие-то конкретные приложения?
– Нерешенных научно-методических задач в этой области великое множество, но я в своих исследованиях предпочитаю ориентироваться именно на практический результат, даже если он просматривается в отдаленной перспективе. Это очень мощный стимул, заставляющий искать новые возможности для продуктивной работы. Поэтому я с радостью приняла предложение Михаила Валентиновича Ковальчука возглавить лабораторию в НБИК-центре Курчатовского института, который является уникальным междисциплинарным научно-технологическим комплексом.
Первоочередная задача НБИК-центра в целом, сформулированная М.Ковальчуком как его научным руководителем, – создание гибридных материалов, состоящих из органической и неорганической субстанций. На их основе формируются гибридные системы, такие, например, как гибридные микросхемы. У нас работает медико-биологический корпус, включающий в себя генно-инженерное и иммунологическое подразделения, лабораторию стволовых клеток, белковую фабрику. Последняя позволяет выделить любое биоорганическое вещество и превратить его в кристалл с тем, чтобы отправить его на синхротрон и расшифровать структуру белка, рассчитать ее на суперкомпьютере и предложить, например, формулу будущего лекарства. Нанотехнологическое подразделение оснащено уникальным рентгеновским оборудованием, атомно-силовыми и электронными микроскопами, “чистыми” зонами.
Академические институты, как правило, специализируются каждый в своей области науки, а в Курчатовском НБИК-центре собран междисциплинарный пул из химиков, физиков, биологов, нейрофизиологов. Поэтому практически под любую задачу здесь можно сформировать мобильную группу из высококлассных специалистов разного профиля. Это очень важно для нас, поскольку работы в области нанокапсулирования и его приложений требуют реальной конвергенции наук и технологий.
Сегодня наша лаборатория капсулирования в НБИК-центре находится в процессе становления: закуплено новейшее оборудование, приходят молодые исследователи, студенты. Планируем осваивать различные методики нанокапсулирования. Из синтезируемых на белковой фабрике Курчатовского института соединений будем формировать всевозможные системы и подбирать для каждой из них оптимальные варианты доставки.
Для создания нанокапсул планируем использовать не только полиэлектролиты, о которых я рассказывала, но и, например, определенным образом организованные молекулы ДНК, клеточные мембраны. Предполагаем работать и с такими видами “контейнеров”, как мицеллы (макромолекулы, которые сами сворачиваются в капсулы в водной среде) и липосомы (пузырьки жидкости, окруженные липидными мембранами). Многие способы капсулирования требуют использования специ­фических биополимеров, и здесь мы рассчитываем на взаимодействие с очень сильными химиками-синтетиками, работающими в НБИК-центре. Думаю, интересные результаты даст применение для характеристики всех этапов процесса уникального исследовательского оборудования, имеющегося в Курчатовском институте.
– Будут ли в вашей команде специалисты-медики?
– Наши исследования в области нанокапсулирования в основном ориентированы на медицинское применение, поэтому без кооперации с учеными этого профиля нам не обойтись.
Кстати, капсулы могут использоваться не только для доставки лекарства, но и для диагностики заболеваний. Существуют красители, чувствительные к определенным изменениям в организме. Они специфически флюоресцируют в разных средах, и это надежно контролируется физическими методами. Будучи помещен в капсулу, такой маркер не “рассосется” и пройдет необходимый путь, не навредив здоровью человека. Через проницаемые стенки он будет взаимодействовать с окружающей средой, и по изменению его характеристик врач сможет определять имеющиеся патологии.
– Есть ли у вас опыт создания нанокапсул под конкретную медицинскую проблему?
– Да, вместе с сотрудниками лаборатории функциональной биохимии нервной системы Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН мы разработали новую систему доставки лекарств в мозг. Довести лекарственное вещество до центральной нервной системы – непростая задача. В организме существует гематоэнцефалический барьер, который, защищая мозг от циркулирующих в крови нежелательных биологически активных веществ, блокирует попадание туда и лекарственных соединений. Это сильно ограничивает возможности лечения церебральных патологий. Иногда, чтобы ввести лекарство в нужную область, врачам приходится буквально вскрывать черепную коробку пациента.
Мы перепробовали разные способы доставки нанокапсул и остановились на интраназальном – через нос. Дело в том, что обонятельная область носа находится в непосредственном контакте с мозгом и цереброспинальной жидкостью. В этой системе существуют, конечно, свои защитные функции: слизистую оболочку очищают так называемые “реснички”, которые быстро “выталкивают” все попавшие в нос чужеродные частицы. Мы должны были научиться задерживать на этих “ресничках” нанокапсулы как можно дольше, чтобы они успели сбросить доставляемое лекарство. Кроме того, действующее вещество необходимо было защитить от влияния ферментов, которых на слизистой очень много. Нам пришлось также найти такие капсулы-носители, которые оказались бы нетоксичными и достаточно крупными, чтобы сами они не могли попасть в мозг, а только обеспечивали проникновение туда принесенного ими действующего вещества.
Испытав несколько видов наноконтейнеров, мы остановились на достаточно простой системе, которая сработала очень эффективно. Предложена была следующая схема: лекарство адсорбируется на пористых сферолитах карбоната кальция, которые после этого покрываются слоем полиэлектролита, препятствующим быстрому выходу вещества. Мы подобрали полимер, имеющий, как говорят медики, сродство к слизистой оболочке носа и способный за нее “зацепиться”.
Нам удалось добиться достаточно высокой монодисперсности капсул: в этом случае легче регулировать количество переносимого вещества, что очень важно для медицинского применения. Контейнеры получились достаточно большими, благодаря чему они сами не проникают в мозг, а только обеспечивают прохождение функционального соединения.
В том, что эта система обеспечивает целевую доставку лекарства непосредственно в мозг, мы убедились с помощью тестов in vivo на подопытных животных. Использовали для введения им через нос в наноконтейнерах анестетик, который в виде таблеток и инъекций до мозга не доходит. Изменение болевой чувствительности лабораторных животных показало, что метод работает.
Эти эксперименты будут продолжены. Нашими результатами заинтересовались сотрудники Московского областного научно-исследовательского клинического института им. М.Ф.Владимирского, и уже есть договоренность о взаимодействии в рамках сотрудничества с Курчатовским институтом.
– Можно ли надеяться, что достижения наномедицины станут широко доступны уже в обозримом будущем?
– Не хочу делать прогнозы. Здесь ключевой момент – междисциплинарное взаимодействие. Для быстрого продвижения необходимо снять межведомственные барьеры. Пока же получается, что мы разрабатываем фундаментальные принципы формирования многослойных систем, которые можно использовать для нанокапсулирования, а медики решают свои задачи и мало знают о наших возможностях.
Если говорить о цене вопроса, понятно, что лекарство в нанокапсулах не будет дешевым. Ведь для разных молекул активного вещества и разных “мишеней” (органов и тканей) придется разрабатывать свои методики капсулирования и способы доставки.
– Многие ваши коллеги жалуются на устаревшее оборудование, низкие зарплаты, проблемы с расходными материалами, недостаток квалифицированных сотрудников. А вам эти проблемы мешают работать?
– Оборудование у нас самое современное, ситуация с зарплатами также улучшается. Необходимые реактивы добывать действительно тяжело. Заказав соединение по каталогу, нередко получаешь его лишь через полгода. Правда, недавно были приняты поправки в пресловутый ФЗ №94, так что по крайней мере конкурсных процедур при закупках теперь, видимо, удастся избежать.
Ну, и кадровый вопрос, конечно, остается на повестке дня. В Институте кристаллографии РАН не хватает сотрудников самого работоспособного среднего возраста. В Курчатовском институте зарплаты выше, возможности для научного и карьерного роста хорошие, поэтому “сорокалетних” там больше. Да и молодежи тоже, поскольку у Курчатовского института есть своя образовательная база, в частности созданный в МФТИ тем же М.Ковальчуком НБИК-факультет.
– Как вы привлекаете и удерживаете молодых сотрудников? Готовы ли приходящие к вам выпускники вузов к серьезной работе, хватает ли им знаний?
– Старшекурсников обычно рекомендуют знакомые сотрудники, преподающие в вузах. Подготовлены все ребята, конечно, по-разному. Но если есть интерес к предмету, они осваивают экспериментальные методики, читают специальную литературу и постепенно выходят на нужный уровень. А вот “удержанием” молодежи мы специально не занимаемся. У меня в группах довольно высокая “текучесть кадров”, и я считаю это положение нормальным. Человек получает у нас новые знания и навыки, вырастает как специалист и идет дальше. Аспиранты, например, защищаются и ищут постоянные позиции. Это вполне естественно, если, конечно, они уходят не в торговлю и не в банки. Мы всем институтом радуемся, когда очередной наш ученик поднимается на новую ступень. Я сама после окончания химфака МГУ училась в аспирантуре, защищала кандидатскую и некоторое время работала в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН. А потом заведующий лабораторией малоуглового рассеяния Института кристаллографии профессор Л.Фейгин пригласил меня в свою группу на очень интересную тематику, и бывшие коллеги одобрили этот выбор.
– А много ли ученых вашей специальности уезжает на Запад?
– Уезжают, конечно, и на время, и навсегда, но не скажу, что все туда рвутся. Наша группа работает в кооперации с Институтом коллоидов и межфазных границ Общества Макса Планка. Ребята имеют возможность съездить в Германию на стажировку и убедиться, что условия для работы у нас не хуже. В Курчатовском институте технологическая база, на самом деле, даже мощнее. Немецкие коллеги ездят из Потсдама в Гамбург поработать на синхротроне, а у нас он, что называется, под рукой. И в нашей химической лаборатории более современное оборудование: ведь оно было закуплено совсем недавно.
Так что в Курчатовском НБИК-центре сегодня есть все возможности для разработки препаратов, которые относят к медицине будущего. Надеюсь, что уже скоро мы сможем выстроить полные цепочки – от синтеза оригинальных отечественных лекарственных форм и разработки средств их адресной доставки до стадии доклинических и клинических испытаний.

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF.

Беседовала
Надежда Волчкова
Фото Алины Цыгановой

Нет комментариев

Загрузка...