Одним из наиболее важных направлений прикладных исследований в сегодняшней медицине является поиск эффективного и безопасного метода доставки лекарственных препаратов в определенные зоны организма. Некоторые из разработанных методов являются эффективными, но не всегда безопасными, другие- вполне безопасны, но часто сбоят при доставке. Разработанная исследователями из Университета Штата Пеннсильвания (Penn State University ) технология доставки лекарств, использующая нетоксичные наночастицы, представляется свободной от указанных недостатков. Новая эффективная система, испытанная как на терапевтических препаратах, так и на флуоресцентных красителях, позволяет также и трассировать доставку.

Группа исследователей различных специальностей, в том числе материаловеды, химики, физики, биоинженеры и фармакологи, продемонстрировали, что частицы фосфата кальция в диапазоне размеров 20–50 нанометров успешно проходят в клетки и растворяются совершенно безвредно, оставляя свой «груз» (лекарственный препарат или краситель) в клетке.

Наночастицы доставляют флуоресцентный краситель в клетки эндотелия (в аорте быка), где низкий уровень pH приводит к растворению частиц фосфата кальция и высвобождению красителя.

Случай нерастворенных наночастиц.

Измерение активности частиц такого размера требует специальной техники. Группа студентов под руководством адъюнкт-профессора Питера Батлера (Peter Butler) использовала высокочастотные лазеры для измерений размеров частиц, содержащих флуоресцентные красители, вплоть до их полного растворения. Использованный метод известен в имульсной лазерной спектроскопии как счет одиночных фотонов с корреляцией по времени, в котором высокочастотную последовательность лазерных импульсов наносекундной длительности используют для определения времени или продолжительности флуоресценции. Группа смогла провести лабоаторные измерения размеров частиц и их распределение в соляном растворе с добавками фосфатов, который имитировал модель крови.

Задача ученых состояла в изменении начального нейтрального pH раствора, идентичного крови, на более кислую среду, как, например в слоях, окружающих плотные опухоли. Причем изменение pH необходимо было сделать именно в тех зонах, которые расположены непосредственно перед мембраной и отвечают за сбор наночастиц и их передачу в клетку. Как только pH снижается, кислотная среда растворяет частицы фосфата кальция. Во время процесса растворения ученые наблюдали уменьшение размеров наночастиц фосфата кальция вплоть до размеров красителя, находившегося внутри них, что позволило сделать вывод о пригодности метода снижения pH для высвобождения любого содержимого использованных наночастиц.

Несмотря на то, что первоначальной целью экспериментов была доставка антираковых препаратов для прицельной терапии рака, группа также была заинтересована в отработке механизма доставки различных медикаментов. Ученые, в частности, экспериментировали с различными культурами, известными своими перспективами лечения заболеваний сосудов, таких, как атеросклероз (отверждение стенок кровеносных сосудов) и стеноз и рестеноза (суживание кровеносных сосудов).

Эксперимент по доставке церамида (химиопрепарата, инициирующего гибель раковых клеток), оптимизированного и для лечения рака и для лечения сосудистых заболеваний также имел положительный результат. Группы профессоров Марка Кестера (Mark Kester) и Йонга Юна (Jong Yun) из Медицинского центра Университета (Penn State Milton S. Hershey Medical Center) и Медицинского Колледжа (Penn State College of Medicine), используя гладкие мышцы сосудов человека in vitro, и механизм доставки препаратов в наночастицах фосфата кальция, сумели уменьшить скорость роста клеток гладких мышц на 80%. При этом, лекарственные дозы были в 25 раз меньше, чем при традиционном введении церамида, без повреждения клеток ткани.

Наночастицы фосфата кальция- «почтальоны», были разработаны группой студентов под руководством профессора материаловедения и инжиниринга Джима Адера (Jim Adair). Наночастицы имеют целый ряд достоинств, которых не имеют другие системы доставки лекарственных препаратов. В отличие от квантовых точек, которые в большинстве своем состоят из токсичных металлов, фосфат кальция представляет собой безопасный минерал, существующий в природе и представленный в составе крови в довольно значительных количествах. Метод, представленный группой проф. Адера отличается тем, что в нем использованы частицы меньшего размера, нет аггломерации наночастиц (даже в растворе они распределены равномерно), лекрственные препараты или красители вводят внутрь частиц (где они защищены), а не используют замысловатые способы размещения их на поверхности частиц-агентов. Отмечен интересный эффект, объяснения которому у ученых пока нет- красители, доставленные к объекту внутри наночастиц, имеют в четыре раза более высокую яркость, чем изначально.

Лекарства и красители – дороги, и именно тем замечателен предлагаемый метод доставки и капсулирования, что не требует большого их количества. Работа над одновременной доставкой и лекарственных препаратов и красителей позволит создать новый метод доставки с трассировкой. Результаты исследований и основные идеи были опубликованы в интернет-издании Nano Letters. Общее число исследователей, включая студентов, участвовавших в проекте, составило порядка 200.

Поддержка проекту была оказана Национальным Фондом Научных Исследований, НАСА и фирмой Keystone Nano, Inc. Часть работ была профинансирована целевыми грантами участникам проекта.

Евгений Биргер