Ученые РХТУ с участием коллег из ИБХ РАН, ЦСП ФМБА России, ФИЦВиМ и ГНЦ ВБ «Вектор» создали полимерные наночастицы, которые могут переносить по организму плохорастворимые биологически активные вещества. В молекуле полимера соединили гидрофильную и гидрофобную части, благодаря чему наночастицы из этих молекул хорошо совместимы с водой и эффективно включают и транспортируют действующие вещества к органу-мишени. Также оболочку наночастиц можно модифицировать различными функциональными или векторными агентами, чтобы адаптировать частицы под различные действующие вещества и повысить их эффективность. Исследователи предлагают использовать новую лекарственную форму в том числе и для разработки вакцин. Технологию уже опробовали на примере вакцины против вируса лихорадки Рифт-Валли. Статья об этом опубликована в журнале Applied Bio Materials.

Более 90% биологически активных веществ, на основе которых можно создавать лекарства, используют мало или не используют совсем, поскольку они слабо растворимы в воде, а значит плохо проникают через клеточные мембраны и слишком быстро выводятся из организма. Существующие лекарственные формы (таблетки, желатиновые капсулы) отчасти решают проблему нерастворимых препаратов, но они недостаточно безопасны и эффективны . Поэтому сейчас ученые ищут способы для адресной доставки лекарств в нужные органы и ткани с помощью разных носителей - например, наночастиц. Группа ученых РХТУ под руководством профессора Михаила Штильмана более 20 лет работают в этой области. Они уже включали в наночастицы разные действующие вещества, например, противовоспалительный индометацин, противогрибковые нистатин и амфотерицин, противоопухолевые препараты. В одном из исследований ученые даже предложили подход к созданию препарата, способного в ряде экспериментов проходить через гематоэнцефалический барьер.

Кроме того, этот подход можно использовать и для создания вакцин, если связать с полимерными наночастицами соединения, способные обезвредить вирус. Такую возможность ученые показали на примере вируса, вызывающего лихорадку Рифт-Валли. Это заболевание распространено в Африке и поражает, главным образом, животных, но может переходить и к людям - с кровью инфицированного животного или через укусы инфицированных комаров. У вируса низкая летальность (менее 1%), но тяжелые формы течения болезни могут приводить к поражению печени, сетчатки глаз и неврологическим осложнениям. От него уже есть вакцина, но ее используют только в экспериментальных целях для групп риска, поэтому одновременно ведутся поиски других вакцин.

Заведующий кафедрой технологии химико-фармацевтических и косметических средств РХТУ, Андрей Кусков. Изображение: Пресс-служба РХТУ

«ДНК-плазмиды - это двухцепочечные молекулы, которые живут независимо от хромосом и содержат специфические гены. Эти гены способны нейтрализовать гликопротеины на оболочке вируса - сломать «крючки», которыми вирус цепляется к клеткам организма, и тем обезвредить вирус, - говорит Андрей Кусков, заведующий кафедрой технологии химико-фармацевтических и косметических средств РХТУ, входящий в группу исследователей. - ДНК-вакцины против вируса Рифт-Валли на основе плазмид уже были описаны ранее, но их эффективность спорная. До сих пор для доставки ДНК-плазмид использовали липосомы, полисахаридные наночастицы и другие агенты. Мы предложили в качестве транспорта наши полимерные наночастицы, поскольку они благодаря своей конструкции могут транспортировать действующее вещество через мембраны клеток».

Наночастица как конструктор

Разработанная система адресной доставки основана на наночастицах модифицированного полимера поливинилпирролидона (ПВП), который широко используют в медицине благодаря его низкой токсичности, химической стабильности, а также био- и гемосовместимости. По умолчанию ПВП гидрофилен, то есть он легко связывается с молекулами воды, за счет чего ПВП хорошо растворим. Но в этой работе к нему во время синтеза присоединяли еще гидрофобную группу - фрагмент, который всеми силами стремится избегать контакта с водой. Такая получившаяся молекула называется амфифильной - она обладает как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами. При определенной концентрации амфифильных молекул в водной среде они самопроизвольно собираются в наноразмерные сферические агрегаты. Гидрофобные части молекул стремятся свести к минимуму контакт с водой и поэтому заворачиваются внутрь, формируя ядро частицы, а гидрофильные, наоборот, образуют оболочку, обеспечивающую совместимость с водой.

Такие наночастицы могут захватывать внутрь разные гидрофобные молекулы, помещенные в тот же раствор - например, те же плохо растворимые биологически активные вещества, которые сейчас упаковывают в таблетки. При этом масса включенного лекарственного вещества может достигать до 60% от веса наночастицы. Препарат внутри оказывается как будто в капсуле под гидрофильной оболочкой. Такие наночастицы лучше принимаются иммунитетом, не выпадают в осадок в кровотоке, обеспечивают длительное действие биологически активного вещества и отсутствие токсичности. А по мере того, как наночастицы продвигаются по организму, концентрация амфифильных молекул падает и им становится уже не так выгодно собираться вместе - в результате наносферы постепенно распадаются и действующее вещество выходит из них наружу. Именно таким образом модифицированные молекулы ПВП обеспечивают пролонгированное выделение активного агента (в данной работе - ДНК-плазмид).

«Кроме того, к оболочке наночастицы можно добавлять векторы, какие-нибудь специфические белки для связи с определенными клетками в организме или что-то другое, что повысило бы эффективность носителя, - отмечает Андрей Кусков. - Таким образом можно обеспечить адресную доставку препарата или дополнять его, к примеру, растворимыми в воде активными веществами, которые амфифильная молекула полимера не может «захватить» внутрь. Так на основе полимерных наночастиц можно сделать достаточно универсальную платформу, которую можно подстраивать уже под каждое действующее вещество и создавать с ними препараты для доставки в организм. Например, в этой работе про вакцину от лихорадки Рифт-Валли мы модифицировали ПВП аминокислотными группами, которые обеспечивали захват ДНК-плазмидов внутрь оболочки».

Схематическое изображение принципа работы вакцины. Изображение: ACS Applied Bio Materials.

Для испытания вакцины были отобраны две экспериментальные и две контрольные группы по 20 животных в каждой. Одна из групп подопытных животных получила внутримышечно раствор с наночастицами, нагруженными ДНК-плазмидами, а второй экспериментальной группе ввели раствор свободных плазмид. Контрольные группы получали растворы наночастиц-пустышек. Образцы крови у всех мышей собирали на 7, 14 и 25 день. У мышей из обеих экспериментальных группы появились антитела, причем гораздо больше их было у тех грызунов, которым вводили днк-плазмиды, упакованные в наночастицы. У мышей из контрольных групп иммунного ответа не обнаружено. Таким образом ученые показали работоспособность их подхода к созданию вакцин на основе полимерных наночастиц.

Исследования в области адресной доставки биологически активных веществ очень важны для современной медицины. Транспортом для лекарственных соединений могут быть самые разные системы: липидные наночастицы, природные полимеры (например, гиалуроновая кислота), оболочки аденовируса, или, как в работе российских ученых, полимерные наночастицы, которые способны направленно транспортировать действующие вещества к органам-мишеням. При этом полимерные наночастицы обладают рядом достоинств - они устойчивы, не требуют особых условий для хранения, легко комбинируются с разными действующими агентами.

«Мы создали полимерную наночастицу, которая может служить платформой для сборки под любое действующее вещество, - говорит Кусков. - Конечно, в каждом случае нужно проводить испытания, проверять безопасность и эффективность препаратов. Поэтому мы постоянно в поиске сотрудничества с научными группами, которые готовы проводить такие эксперименты».