Крошечные, разлагаемые микроорганизмами частицы, наполненные лекарством, могут также стать решением некоторых больших проблем человеческого здоровья, включая рак и туберкулез. Их секрет — в размере упаковки.

Исследователи из Принстонского Университета (Princeton University) создали частицы, которые могут доставлять лекарство глубоко в раковые клетки или больные клетки легких и не затрагивать здоровые клетки. Только от 100 до 300 нм шириной — более чем в 100 раз тоньше, чем человеческий волос — частицы могут быть загружены лекарством или меткой, например, золотом или магнетитом, для усиления возможностей компьютерной томографии и магнитного резонанса.

«Стык материаловедения и химии позволяет продвинуться так, как никогда не было возможным», — сказал Роберт Прадхомм (Robert Prud'homme), профессор химической технологии университета города Принстон (Princeton University) и директор Национального Научного Общества США (National Science Foundation). «Ни у кого еще не было хорошего способа встроить лекарства или метки в наночастицы».

Прадхомм представил доклад с названием «Как влияет размер на задержание наноматериалов в ткани» на встрече Национальной Академии Наук по наноматериалам в биологии и медицине в Вашингтоне 11 апреля.

Новый метод, названный «Мгновенное наноосаждение» позволяет исследователям смешивать лекарства и материалы, которые инкапсулируют их. Подобные методы смешивания использовались и раньше, чтобы создать новые выгодные фармацевтические продукты. Команда из Принстонского Университета, которая включает профессоров химической технологии Янниса Кеврекидиса (Yannis Kevrekidis) и Атанасиоса Панагитопопулоса (Athanassios Panagiotopoulos), является первой, которая применила данную технологию к созданию наночастиц, частиц размером в несколько миллиардных метра.

«Наночастицы являются слишком большими, чтобы пройти через мембрану нормальных клеток, но они легко пройдут через большие дефекты в капиллярах, возникающих при быстром росте опухолей», — сказал Прадхомм.

Рис. 1. Профессор Прадхомм

«Частицы такого размера также могли бы улучшить доставку вдыхаемых лекарств, потому что они являются достаточно большими, чтобы остаться в легких, но слишком маленькими, чтобы выводится системой очищения легких». Это свойство могло бы увеличить эффективность ингаляционных систем прививок «без иглы».

Исследовательская группа Прадхомма является частью Grand Challenges в исследовательском проекте Global Health, возглавляемом Дэвидом Эдвардсом (David Edwards) из Гарвардского Университета (Harvard University) и основанным Биллом Гейтсом и его женой фондом Bill & Melinda Gates Foundation для развития аэрозольных вакцин против туберкулеза и дифтерии, использующих наночастицы.

Успех наноосаждения зависит в значительной степени от факта, что некоторые молекулы являются гидрофобными, в то время как другие — гидрофильными. Гидрофобные вещества, типа масла, плохо смешиваются с водой. Много фармацевтических препаратов, включая современные препараты от рака, являются гидрофобными, что мешает доставлять лекарства через кровь, которая состоит в основном из воды.

В методе наноосаждения два потока жидкости направляются друг к другу в ограниченной области. Первый поток состоит из органического растворителя, который содержит лекарства и метки, а так же молекулы полимеров. Цепь полимера походит на ожерелье жемчуга, половина из которого гидрофобна, а другая гидрофильна. Второй поток жидкости содержит чистую воду.

Когда потоки сталкиваются, гидрофобные лекарства, металлические метки и полимеры осаждаются из раствора, так как не растворимы в воде. Полимеры немедленно самособираются вокруг лекарства или метки, образуя покрытие с внешней растянутой гидрофильньной частью и внутренней гидрофобной частью, куда попадает и лекарство. Тщательно регулируя концентрации веществ и скорость смешения, исследователи могут контролировать размер наночастиц.

Растянутый гидрофильньный слой полимера препятствует коагуляции частиц и предотвращает распознавание иммунной системой, давя возможность им циркулировать вместе с кровотоком. Гидрофобная внутренняя часть частиц гарантирует, что они не будут разрушены окружающей водой, хотя молекулы воды с течением долгого времени разрушат наночастицы, уничтожая лекарство.

Рис. 2. Один из видов доставки лекарств
с помощью наночастиц

В идеале, частицы должны сохраняться хотя бы от 6 до 16 часов после того, как они введены внутривенно, Прадхомм предполагает, что этого будет достаточно, чтобы достичь клеток опухоли, с которыми они столкнуться, путешествуя по телу.

В лаборатории определено точно время, которое требуется для разрушения наночастиц водой. Ученые сделали частицы еще более стойкими к ранней деградации, добавляя гидрофобные вещества, включая витамин Е, к лекарствам и меткам перед заключением их в частицы. Дальнейшее улучшение метода идет полным ходом.

Метод Прадхомм по существу является противоположностью предыдущих методов, направленных на улучшение доставки препарата, в которых гидрофильные молекулы добавлялись к лекарствам, чтобы сделать их более растворимыми в воде. «В дальнейшем нужно улучшать наш метод так, чтобы лекарств пребывали в наших наночастицах, пока мы хотим», — сказал он.

Кроме размера, который определяет доступ только к раковым клеткам, в команде работает профессор механики и космической технологии Воль Собоежо (Wole Soboyejo) над созданием наночастиц, которые имеют определенные активные молекулы на своих поверхностях. Такие частицы будут связываться с веществами, которые в раковых клетках больше, по сравнению со здоровыми.

Над проблемой также работают исследователи: Кристофер Макоско (Christopher Macosko), профессор химической технологии и материаловедения в университете штата Миннесота, Родни Фокс (Rodney Fox) и Гленн Мэрфи (Glenn Murphy), профессора химической и биологической технологии в государственном университете Айовы.

Дмитрий Лещев