Каркасные материалы представляют собой пористые полимеры с регулярной кристаллической структурой. Они подразделяются на разные классы в зависимости от состава. Один из самых интересных классов ‒ гибридные металл-органические каркасы с модульным строением. Несмотря на то, что они известны уже несколько десятков лет, сейчас их стали изучать особенно активно. Главное преимущество таких полимеров ‒ в больших порах и регулярной кристаллической структуре, которую достаточно просто смоделировать. Высокая адсорбционная способность, биосовместимость и стабильность делают эти каркасы подходящими для широкого круга применений.
Например, металл-органические каркасы популярны в катализе химических реакций. Их высокую адсорбционную способность используют при создании специальных хранилищ для газообразных веществ и систем очистки смесей от примесей или радиационного загрязнения. При этом кристаллическая структура и доменное строение материалов позволяют использовать компьютерное моделирование для предсказания структур с необходимыми свойствами. Это особенно важно, когда речь заходит о дизайне лекарств.
«Имея базовую компьютерную модель каркаса, можно смоделировать, как изменятся свойства материала в зависимости от состава или других условий. Это полезно при создании систем доставки лекарств, особенно высокотоксичных, например, противораковых. Всем известно, что они вызывают тяжелые побочные эффекты. Но, если адсорбировать лекарство в поры каркаса и в такой форме доставить в клетки, вред будет минимальным», ‒ комментирует Анна Симагина из лаборатории SCAMT.
Преимущество систем доставки лекарств на основе каркасных материалов заключается в том, что выходом активного вещества из каркаса можно управлять. Каркасные материалы растворяются медленно, и высвобождение лекарства происходит постепенно. При этом широкий выбор исходных веществ для каркаса позволяет подобрать наиболее безопасную и стабильную структуру. На основе пористых каркасов из магнетита ученые уже разработали систему доставки фермента, расщепляющего тромба. Такие каркасные частицы настроены на быстрый выход препарата, а их перемещением можно управлять с помощью магнита. За счет этого необходимая доза лекарства снижается, побочные эффекты сводятся к минимуму, а эффективность препарата возрастает.
«Мы активно сотрудничаем со специалистами из разных областей: биологии, химии, физики, медицины. Без междисциплинарного сотрудничества таких результатов было бы невозможно добиться. Все это необходимо для воплощения идеи рационального дизайна в современной химии и фармакологии», ‒ рассказывает Евгений Пидько, профессор Технологического университета г. Дельфт (Нидерланды), руководитель группы теоретической химии лаборатории SCAMT.
По словам ученых, для таких междисциплинарных исследований теоретическая химия может предоставить инструменты, предсказывающие поведение препаратов на каркасной основе. Высвобождение активного вещества происходит в ходе разрушения каркаса, а это можно легко и точно моделировать. В частности, химики-теоретики могут спрогнозировать, как будет разрушаться каркас под действием внешних факторов: изменения кислотности, температуры или концентрации каких-либо веществ. Недавно сотрудники лаборатории выпустили статью, в которой смоделирована структурная единица молекулярного каркаса и ее взаимодействие с окислителями.
«Мы выяснили, что произойдет, если структурная единица каркаса будет взаимодействовать с кислородом или перекисью водорода. Какие молекулярные процессы будут при этом происходить. В дальнейших планах у нас смоделировать не отдельную часть структуры, а каркасный материал полностью на наноразмерном уровне. Это достаточно большие масштабы для теоретической химии и амбициозная цель. Но мы верим, что такие исследования помогут целенаправленно создавать по-настоящему эффективные и безопасные препараты», ‒ отмечает сотрудник лаборатории SCAMT Михаил Полынский.
Статья: Towards rational design of metal-organic framework-based drug delivery systems. A. A. Simagina, M. V. Polynski, A. V. Vinogradov, E. A. Pidko. Russian Chemical Reviews, 29th July, 2018.
