Перед наномедициной стоят две основные задачи: контролируемый синтез чрезвычайно малых векторов, содержащих один или несколько активных ингредиентов, и высвобождение этих веществ в нужном месте в нужное время, в контролируемых формах и дозах. Исследователи из лаборатории химии органических полимеров Политехнического института в Бордо (Institut Polytechnique de Bordeaux), Франция, инкапсулировали нанопузырьки в пузырьки чуть большего размера. Эта структура – своего рода «матрешка» – имитирует организацию клеточных компартментов. Ее воспроизведение – первый большой шаг на пути к управлению протекающими внутри клетки реакциями. С точки зрения практического использования в медицине инкапсуляция активных ингредиентов в компартменты PiPs-структур уже сейчас открывает новые возможности в доставке и контролируемом высвобождении комбинаций лекарственных препаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Сегодня основными и наиболее изученными нановекторами для доставки лекарственных препаратов являются липидные пузырьки, или липосомы. Аналоги липосом на основе полимеров, известные как полимерсомы, были разработаны около 10 лет назад. Полимерсомы обладают несколькими преимуществами перед липосомами: они более стабильны и менее проницаемы, их легче функционализировать и модулировать (можно, например, синтезировать термочувствительные полимеры или полимеры, распознающие определенные типы клеток, в частности, раковые). В течение последних 10 лет группа, координируемая Себастьяном Лекомманду (Sébastien Lecommandoux), занималась разработкой «умных» полимерсом из полипептидов, свойства и структура которых аналогичны вирусным.

Сейчас ученые продолжают развитие концепции имитации биологических структур, инкапсулируя полимерсомы друг в друга. Разделение полимерсом на отсеки имитирует структуру живых клеток, которые также состоят из компартментов – мельчайших внутриклеточных органелл, в которых ежедневно протекают тысячи биохимических реакций, – и вязкоупругой цитоплазмы. Такая структурная организация придает клетке, среди прочего, определенную степень механической прочности. Однако контролируемое образование подобных живым клеткам инкапсулированных полимерсом – сложнейшая научная и технологическая задача.

Французским ученым удалось достичь этого с помощью оригинального метода центрифугирования эмульсии – простого, быстрого, не требующего большого количества реагентов и при этом высокоэффективного. Используя флуоресцентные маркеры, они продемонстрировали образование структур с «вложенными» друг в друга полимерсомами. Такая технология компартментализации позволяет добиться интеграции в один вектор нескольких соединений (находящихся в нескольких внутренних полимерсомах).

Метод центрифугирования эмульсии позволяет получать полимерсомы в полимерсомах – «PiPs»-структуры, –
или полимерные везосомы. На фото: схема, отображающая структуру внешней полимерсомы (помечена зеленым флуорофором) с
инкапсулированными в нее внутренними полимерсомами (помечены красным флуорофором), и микрофотография полимерсомы-«матрешки»,
полученная с помощью конфокального микроскопа.
(Фото: © Organic Polymer Chemistry Laboratory (CNRS/Bordeaux 1 University/Polytechnic Institute of Bordeaux)

Это и было следующим шагом, сделанным учеными: два разных типа полимерсом были инкапсулированы в одну большую полимерсому. Полученные на сегодня результаты позволяют утверждать, что в вектор можно инкапсулировать и гораздо большее количество различных пузырьков. Такие векторы были бы очень перспективны, например, в онкологии, где возможность доставки различных активных ингредиентов (некоторые из которых в противном случае просто несовместимы) с помощью одного вектора будет большим преимуществом.

В качестве моделей молекул активных ингредиентов исследователи инкапсулировали три различные флуоресцентные молекулы в три разные компартмента PiPs (polymersomes in polymersomes): внешнюю оболочку полимерсомы, водную полость внешней полимерсомы и мембрану внутренней полимерсомы. Таким образом, инкапсулировать различные реагенты сразу в несколько компартментов полимерсом или вызвать в полимерсомах, когда это необходимо, каскадные реакции, уже сейчас представляется вполне выполнимой задачей.

Верхний ряд: инкапсуляция двух типов внутренних полимерсом, показанных зеленым и красным.
Внизу: инкапсуляция во все возможные типы компартментов: внешние мембраны (синие),
полости внешних полимерсом (зеленые), внутренние полимерсомы (красные).
(Фото: © Organic Polymer Chemistry Laboratory (CNRS/Bordeaux 1 University/Polytechnic Institute of Bordeaux)

Помимо улучшенной защиты инкапсулированных активных ингредиентов такой подход к их «упаковке» позволяет с большей точностью модулировать проницаемость пузырьков. Исследователи смоделировали это в in vitro эксперименте по высвобождению противоопухолевого препарата доксорубицина (DOX), включенного во внутренние инкапсулированные полимерсомы. Результаты эксперимента говорят сами за себя: интегрированный в классические нанополимерсомы DOX высвобождался из них примерно в два раза быстрее, чем из полимерсом, инкапсулированных во внешние везикулы большего размера.

Кроме того, ученым удалось добиться контролируемой инкапсуляции нескольких активных веществ в компартментализированные пузырьки, имитирующие цитоскелет живой клетки, и воспроизвести, таким образом, структуру клетки в целом. Следующим шагом будет использование этой системы для запуска контролируемых химических реакций в аттолитровых объемах (10^-18л) в ограниченной среде.

Аннотация к статье

Polymersomes in polymersomes: multiple loading and permeability tuning