Японские ученые разработали технологию, позволяющую управлять адресной доставкой лекарственных препаратов. Теперь доставленные в нужные органы лекарства будут высвобождаться только в определенное время, что позволит снизить побочные эффекты и значительно повысить эффективность терапии. Результаты экспериментов недавно опубликованы в журнале Science and Technology of Advanced Materials.

Полимеры, изменяющие свои свойства под воздействием внешних факторов, принято называть «умными». Последние два-три десятилетия – свидетели настоящего «взрыва» в использовании таких полимеров. Они стали применяться в биосепарации, актюаторах, для доставки лекарств, в диагностике и регенеративной медицине. Уникальность умных полимеров заключается не только в быстрых макроскопических изменениях, происходящих в их структуре, но и в обратимости характера этих переходов. Происходящие в полимерах изменения могут касаться формы, характеристик поверхности, растворимости, аффинности молекул, золь-гель переходов и т.д., а внешними триггерами могут быть температура, рН, ионная сила или определенные химические вещества. В последнее время в качестве дополнительных триггеров протекающих в полимерах реакций стали использоваться электрические и магнитные поля, а также свет.

Изменяющие свои свойства в ответ на определенное воздействие извне «умные» полимеры – перспективные материалы для контроля над доставкой лекарственных средств. Но, чтобы поддерживать гидрогели в активном состоянии, как правило, требуется их постоянная стимуляция. Например, при использовании в качестве триггера света, активируются только освещаемые области, и при выключении света реакция геля прерывается.

Однако в человеческом организме все гораздо сложнее и рациональнее: для поддержания нормального метаболического баланса синтез многочисленных биологически активных молекул жестко контролируется через систему прямых и обратных связей – гомеостаз. Химические сигналы в живом организме иногда усиливаются или передаются на другой сигнал, последовательно взаимодействуя со многими другими молекулами. В качестве примера подобного каскадного процесса можно привести свертывание крови – сложную последовательность реакций с участием многочисленных факторов свертывания. Важными характеристиками живых систем являются также градиенты концентрации протонов (рН), ионов и окислителей или восстановителей. В организме человека значения рН разнятся в разных отделах желудочно-кишечного тракта, в различных областях опухолей, в воспаленных или инфицированных тканях. Кислотность в эндосоме также значительно отличается от кислотности окружающей ее внутриклеточной среды. Поэтому система, воспринимающая конкретные сигналы, оценивающая их значение, усиливающая и передающая их и только тогда высвобождающая необходимое количество лекарственного препарата, являлась бы оптимальным вариантом его доставки в организм пациента.

Группа японских ученых под руководством Такао Аояги (Takao Aoyagi) из Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science) разработала подход, который позволяет осуществлять более тонкий контроль над доставкой и временем выделения лекарственных препаратов. Исследователи предложили новую систему с программируемым высвобождением лекарственного средства за счет сочетания управляемого пространственно-временного «физического» (УФ) и постепенно диффундирующего «химического» (протоны) сигналов.

«Умная» бомба замедленного действия, сделанная на основе гидрогеля, высвобождает лекарство при скачке pH.
(Рис. Science and Technology of Advanced Materials)

В новой технологии «умные» полимеры из водорастворимых длинноцепочечных молекул загружаются соединением о-NBA (o-nitrobenzaldehyde), которое при облучении ультрафиолетовым светом выделяет протоны. Если облучить УФ-светом загруженный o-NBA гидрогель, кислотность внутри гидрогеля повысится, а облучение части геля приведет к постепенному повышению кислотности во всем объеме благодаря диффузии протонов, кинетикой которой можно управлять настройкой времени и интенсивности УФ.

Аояги и его коллеги загрузили гидрогель с о-NBA лекарственным препаратом L-ДОФА, предшественником нейромедиатора дофамина, который используется при лечении болезни Паркинсона. Изменение кислотности в геле при УФ-облучении вызывает высвобождение L-ДОФА за счет нарушения электростатического взаимодействия молекул L-ДОФА с молекулами геля.

УФ-облучение не только увеличивает общее высвобождение L-ДОФА из гидрогеля, но и вызывает дополнительное «взрывное» высвобождение через пять часов после облучения, что позволяет приурочить его к определенному моменту.

Возможность контролировать высвобождение лекарств из гидрогелей за счет изменения кислотности – перспективное направление в разработке методов программируемой доставки лекарств, позволяющее повысить эффективность терапии многих заболеваний.

A smart hydrogel-based time bomb triggers drug release mediated by pH-jump reaction