Ученые по всему миру активно работают над системами адресной доставки лекарств непосредственно к месту поражения. Это позволяет эффективно использовать меньшие дозировки вводимого препарата, снижая нагрузку на печень и почки организма, при этом пациенту не нужно было бы беспокоиться о дозировках и графиках приема лекарств. Кроме того, предотвратить или подавить воспаление на ранней стадии гораздо легче.
«Я хочу создать такое покрытие, которое бы, помимо стимуляции остеогенеза, обладало бы еще дополнительными функциями, например, антибактериальными, или, как в нашем случае, стимулировать дифференциацию клеток в сторону образования костной ткани, — рассказывает доцент-исследователь Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО Светлана Уласевич. — В нашей работе мы предлагаем новую гибридную термочувствительную систему, которая состоит из слоя полипиррола, пористой поверхности диоксида титана, и костного морфогенетического белка (ВМР-2), который способен воздействовать на формирование кости и хрящей».
Исследователям удалось разработать новый быстрый и эффективный подход к модификации поверхности титана с помощью ультразвука, а также к формированию пористого оксидного покрытия для загрузки биоактивных молекул. Разработанные функциональные покрытия показали свою эффективность для хранения BMP-2 и высвобождения BMP-2 при ИК-облучении, отмечает автор работы.
«Также была показана возможность локальной доставки и постепенного высвобождения (вплоть до 25 дней) BMP-2 для регулируемого роста клеток. Кроме того, изготовленные поверхности обладают превосходной биосовместимостью для клеток преостеобластов MC3T3-E1. Мы показали, что высвобожденный BMP-2 способствует дифференциации клеток в сторону образования костной ткани. Были проведены также эксперименты с локальным высвобождением вещества», ― отмечает Светлана Уласевич.
Дополнительным плюсом разработанного покрытия является возможность его активации внешними факторами, такими как ИК-излучение. Таким образом можно управлять поведением препарата в теле человека, иметь возможность ускорить начало действия в случае необходимости. Новая гибридная система, реагирующая на стимулы, является многообещающей для целенаправленного, локализованного, длительного высвобождения лекарств и разработки систем для замещения костной ткани.
Управление светом
Существует много внешних факторов, которые могут активировать системы доставки лекарств. Среди них ― температура, магнитное и электрическое поля, ультразвуковое воздействие, показатель кислотности среды, специфические молекулы и т.д.
«Мы выбрали ИК-излучение, потому что оно просто в применении и способно проникать вглубь человеческого организма вплоть до двадцати сантиметров, — рассказывает Светлана Уласевич. — В качестве слоя, реагирующего на температуру, использовали полипиррол, который может изменять свои физико-химические свойства в ответ на действие света. В результате изменения физико-химических свойств полипиррола будет регулироваться высвобождение BMP-2, который будет способствовать образованию костной ткани. Таким образом, мы сонохимической обработкой титана получили пористый слой диоксида титана, в который загрузили BMP-2. Затем нанесли покрытие из полипиррола поверх слоя диоксида титана. Предполагается, что под действием ИК-излучения физико-химические свойства гибридного покрытия будет меняться и вещество будет высвобождаться».
Таким образом, удерживаемое внутри пор вещество будет высвобождаться, когда врачи дадут «команду», посветив на материал инфракрасным светом, невидимым и безвредным для пациента.
Ученые исследовали возможность локального высвобождения ВМР-2 белка из нового функционального покрытия in vitro с использованием клеточным культур преостеобластов MC3T3-E1.
«Мы изучали рост клеток на образце с прорезанными геометрическими дефектами. Поверхность образца модифицировали сонохимически и загрузили в поры белок ВМР-2, а затем модифицировали полиэлектролитами. Один из углов треугольника облучали сфокусированным лучом ИК-излучения, вызвав таким образом локальный выход белка из пор покрытия. В месте облучения клетки росли более интенсивно по сравнению с необлученными участками», ― комментирует Светлана Уласевич.
Не только имплантаты
Как подчеркивают авторы работы, разработанное покрытие можно потенциально использовать не только в качестве остеоиндуктивного (способствующего образованию костной ткани) слоя на имплантатах, но и для управления процессом поведения клеток в лаборатории. Подобрав систему и клеточную линию, с помощью разработанного покрытия можно локально выпускать из пор вещество, способствующее клеточной дифференциации. Кроме того, можно растить на одной поверхности в одной емкости клетки одновременно двух разных видов.
«К примеру, у нас есть клетки, которые могут дифференцировать как в сторону образования костной ткани, так и в сторону образования мышечной ткани. На основе разработанной системы мы хотим создать подложки для одновременного культивирования различных типов клеток», — делится планами Светлана Уласевич.
Работа ученых опубликована в журнале Advanced Materials Interfaces. Исследования проведены в рамках гранта РНФ номер 19-79-10244.
Статья: S. Ulasevich, N.V Ryzhkov, D.V. Andreeva, D.S. Özden, E.Piskin, E.V. Skorb Light-to-heat photothermal dynamic properties of polypyrrole based coating for regenerative therapy and lab-on-a-chip applications. Advanced Materials Interfaces, 2020/10.1002/admi.202000980
