Сердечно-сосудистые и онкологические заболевания остаются основной причиной смертности в развитых странах. По данным Росстата, в 2015 году доля умерших от ишемической болезни сердца составила 26%, злокачественные новообразования унесли жизни еще 15% россиян.
Силы современной медицины и других наук сосредоточены на поиске эффективных лекарственных препаратов. Проблемы не заканчиваются, даже когда такие препараты найдены: зачастую они обладают серьезными побочными эффектами – при введении в организм накапливаются в здоровых тканях и оказывают на них токсическое воздействие. Минимизировать негативное влияние помогает адресная (или таргетная) доставка лекарств.
«Существует два метода доставки лекарств – пассивный и активный. Из-за более перфорированной структуры пораженной ткани по сравнению со здоровой, в ней может происходить пассивное накопление препаратов. Так, например, светочувствительные вещества для фотодинамической терапии, фотосенсибилизаторы, обладают онкотропностью – способностью селективно накапливаться в опухолевых тканях. С другой стороны, сейчас все большие надежды возлагаются на активный транспорт, т.е. управление движением лекарственного средства. В новой лаборатории мы собираемся развивать именно этот подход», – поделилась Яна Торопова, заведующая Научно-исследовательской лабораторией биопротезирования и кардиопротекции Института экспериментальной медицины ФГБУ «СЗФМИЦ им. В. А. Алмазова».
В Университете ИТМО адресную доставку лекарств собираются осуществлять с помощью гибридных магнитоуправляемых наносистем. Подобные системы обладают сложной структурой: магнитное ядро, полимерный слой с квантовыми точками, затем еще одна, биодеградируемая, оболочка, в которой размещены молекулы лекарственного вещества.
Магнитные свойства наночастиц зависят от их размера, выбор которого достаточно сложен. С одной стороны, если частицы слишком маленькие, они будут плохо управляться внешним магнитным полем. С другой стороны, если превысить некий критический размер, который определяется материалом и для используемого оксида железа Fe3O4 составляет порядка 4-5 нанометров, то частица переходит из суперпарамагнитного состояния в состояние с остаточной намагниченностью. В результате это может привести к образованию агрегатов, так как частицы будут слипаться друг с другом. Но решение у проблемы есть: необходимо использовать маленькие по размеру частицы в количестве, достаточном для внешнего управления. Таким образом, ядро наносистемы будет состоять из нескольких суперпарамагнитных наночастиц оксида железа.
Магнитное ядро покрывается полимерной оболочкой, к которой присоединяются квантовые точки. Они выполняют роль люминесцентных биомаркеров и позволяют отслеживать передвижения наносистем по организму. В работе планируется использовать квантовые точки из фосфида индия, которые при биодеградации обладают существенно меньшей токсичностью, чем используемые повсеместно точки на основе ионов кадмия.
Поверх квантовых точек наносится еще один полимерный слой, который можно функционализировать разными лекарственными препаратами в зависимости от поставленных задач.
«Вообще это достаточно универсальная система, ее можно использовать для решения большого спектра задач, – прокомментировала доцент кафедры оптической физики и современного естествознания, руководитель лаборатории Анна Орлова. – Но для начала мы будем ориентироваться на доставку лекарств в ишемизированный миокард и на терапию злокачественных опухолей полых органов».
Для терапии онкозаболеваний сотрудники лаборатории предлагают новаторский подход. Для начала в пораженном органе устанавливают стент с магнитными элементами, который будет притягивать наносистемы. Если к опухоли можно подвести лазерное излучение, то в качестве метода лечения выбирается фотодинамическая терапия (ФДТ). В сравнении с химио- и лучевой терапией ФДТ имеет гораздо меньше побочных эффектов, но все же они есть. Коэффициент онкотропности современных фотосенсибилизаторов не превышает 10, то есть в пораженных тканях аккумулируется в 10 раз больше действующего вещества, чем в здоровых. К тому моменту, когда в опухоли накопится необходимая для ее удаления концентрация фотосенсибилизатора, весь организм испытает воздействие токсичного вещества. Пациенты, прошедшие курс ФДТ, вынуждены до полугода прятаться от дневного света. Адресная доставка фотосенсибилизаторов поможет избавить их от этого неудобства.
В том случае, если к опухоли нельзя подвести оптоволокно, применяется локальная химиотерапия. С помощью магнитоуправляемых наносистем к пораженным тканям будут доставляться лекарства-цитостатики, способные угнетать процессы неконтролируемого клеточного деления.
Помимо адресной доставки препаратов для терапии онкозаболеваний, в лаборатории собираются разрабатывать наносистемы, осуществляющие транспортировку лекарств-цитопротекторов для лечения ишемической болезни сердца. В отличие от фотосенсибилизаторов, цитопротекторы не обладают способностью селективно накапливаться в ишемизированном миокарде. Существует целый список препаратов, которые могут быть эффективны при восстановлении кровотока в пораженной ткани. При этом они не используются, так как обладают высокой токсичностью. Адресная доставка даст возможность перейти к новому поколению цитопротекторов и существенно улучшить качество жизни пациентов.
«Наша лаборатория по-своему уникальна. Нам удалось собрать команду высококвалифицированных специалистов, способных охватить всю цепочку создания и исследования наносистемы, начиная с синтеза отдельных компонентов и заканчивая тестированием на животных. У нас есть десятилетний опыт работы с коллоидными полупроводниковыми нанокристаллами, так называемыми квантовыми точками, и с гибридными системами на их основе. В последние два года мы также занимаемся исследованием взаимодействия магнитных наночастиц с квантовыми точками и молекулами. Коллеги из Института цитологии РАН являются известными специалистами по изучению эндоцитоза – механизма проникновения стороннего материала в клетку. Мы прекрасно осознаем, что для создания наносистемы, способной эффективно и безопасно работать в реальных условиях, необходимо проводить ее комплексное тестирование не только на клеточных культурах, но и на живых организмах. Поэтому объединение нашего опыта в создании наносистем и опыта сотрудников Института экспериментальной медицины Центра Алмазова является необходимым и достаточным условием для создания образцов, которые в дальнейшем смогут пройти весь цикл испытаний, обязательных для перевода наносистемы в разряд лекарственных препаратов», – рассказала Анна Орлова.
Еще одна группа исследователей базируется в Тринити-Колледже, в Дублине. Соруководитель лаборатории, профессор Юрий Волков является специалистом мирового уровня по исследованию нанотоксичности. Дело в том, что из-за малого размера нанообъекты могут неспецифически проникать в клетки и «залипать» в межклеточном матриксе. Выведение подобных объектов из организма затруднительно. Вопросы токсичности обязательно будут учитываться при моделировании наносистемы.
Безопасность гибридных наносистем и эффективность магнитоуправляемой адресной доставки собираются проверять на клеточных культурах и мелких животных (рыбах и мышах), а в заключительной стадии исследования – на мини-пигах. Этот этап работы планируют завершить уже к концу 2018 года.
Лаборатория магнитоуправляемых наносистем для тераностики онко- и кардиозаболеваний входит в состав Международного научно-образовательного центра физики наноструктур. Сотрудники обращают внимание на образовательный потенциал нового подразделения. На базе лаборатории будут проводиться семинары с участием российских и зарубежных специалистов, занимающихся вопросами применения наноструктурированных материалов в биологии и медицине. Активное участие в исследованиях принимают студенты и аспиранты кафедры оптической физики и современного естествознания.
Также в Международном научно-образовательном центре физики наноструктур налажена работа со старшеклассниками в виде летней школы, которая проводится последние пяти лет. В этом году планируется расширить работу со школьниками и привлечь для занятий в новой лаборатории коллег-биологов и медиков.
Ксения Жирнова,
Магистрант программы по научной коммуникации
