Ученые Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева (РХТУ) при участии коллег НМИЦ психиатрии и наркологии им. В.П. Сербского впервые в мире разработали сухие назальные спреи на основе аэрогелей. Полученные из хитозана (вещества из хитиновых панцирей) или яичного белка спреи предназначены для быстрой и эффективной неинвазивной доставки лекарств в организм пациента и терапии социально значимых заболеваний. Разработки менделеевцев успешно прошли стадию предварительных доклинических исследований на грызунах. Работа российских химиков поддержана Минобрнауки России, результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Gels (Q1).

Аэрогель — самый легкий материал на планете, известный также как «твердый воздух». Первый аэрогель был получен американским химиком Стивеном Кистлером в далеком 1931 году, однако производить этот материал из разных веществ и с разными свойствами ученые научились уже в XXI веке в России, в Менделеевском университете. 

На фото: аспирант кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ имени Д. И. Менделеева Нгуен Ван Зуи в процессе работы над исследованиями.

Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Это высокопористые структурированные наноматериалы, внутренние пустоты которых заполнены газом. Они обладают низкой плотностью 0,003–0,15 кг/м3, открытой пористой структурой (до 99%), высокой удельной площадью поверхности (500–1000 м2/г) и узким распределением пор по размерам в диапазоне 2–50 нм. Получают аэрогели методом сверхкритической сушки исходного геля при давлении и температуре выше критических, когда исчезает разница между газовой и жидкой фазами. Благодаря необычному сочетанию свойств (низкая плотность и теплопроводность, а также одновременно высокая твердость и прозрачность), аэрогели применяют для получения тепло- и звукоизоляционных материалов, сорбентов, клеточных матриксов, накопителей энергии, катализаторов и высокоэффективных средств доставки лекарственных средств.

На фото: аспирантка кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ имени Д. И. Менделеева Елизавета Мохова ведет процесс грануляции.

Научный коллектив РХТУ им. Д.И. Менделеева разрабатывает и внедряет технологии получения аэрогелей различного назначения более десяти лет — с 2010 года. В этот раз перед менделеевцами стояла задача проверить in vivo (на модельных организмах – крысах) эффективность назальных спреев на основе аэрогелей из хитозана (производного вещества от хитиновых панцирей ракообразных и насекомых) и протеина (яичного белка). По словам одного из авторов работы, младшего научного сотрудника кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ Марии Мочаловой, назальные спреи на основе аэрогелей доказали свою высокую эффективность при минимальных побочных эффектах.

«В рамках проекта «Нанобиотехнологии для лечения и диагностики социально значимых заболеваний» в РХТУ создан первый сухой назальный спрей на основе аэрогеля. Мы разработали технологию по получению микрочастиц аэрогелей на основе хитозана и яичного белка, которые обладают необходимым аэродинамическим диаметром 50-100 мкм, внедрили в них активное вещество и таким образом получили сухой назальный спрей. При распылении в чистом виде, без аэрогеля, лекарство не попадает  на обонятельную область, а улетает в легкие или гортань. С аэрогелем лекарство легко достигает цели — быстро проникает в головной мозг по обонятельным нейронам и начинает действовать незамедлительно. Благодаря назальному пути введения лекарства снижается нагрузка на печень, почки и желудок, минимизируются побочные эффекты от приема медицинских препаратов. С помощью таких спреев существует возможность лечить депрессию, бессонницу, последствия инсульта, эпилепсию, мигрени и многое другое. Мы рады, что первыми в мире разработали сухой назальный спрей, который позволит быстро, безболезненно и своевременно оказывать помощь пациентам», — сообщила Мария Мочалова.

Как пояснила Мария Мочалова, производство матрицы назального спрея из белка и хитозана не составило большого труда для менделеевцев, много лет работающих с аэрогелями на основе биополимеров. Полученные микрочастицы геля были подготовлены к сушке и высушены в среде сверхкритического флюида в аппарате высокого давления собственной конструкции. Однако внедрение активных веществ в аэрогель оказалось непростой задачей. В результате коллективу удалось разработать пять различных способов по внедрению активных веществ в аэрогели (в зависимости от природы, растворимости и стабильности активных веществ). Также исследователи научились делать сухие назальные спреи с необходимой дозировкой и с большим перечнем активных веществ. 

Неоценимый вклад в работу внесли коллеги менделеевцев из НМИЦ психиатрии и наркологии им. В.П. Сербского. Они предоставили виварий и помогли в проведении исследований на крысах в течение года. В ходе научной работы исследователи столкнулись с еще одной проблемой: в мире не существовало дозаторов сухих назальных спреев для крыс. Ученые разработали модель дозатора и с помощью аддитивных технологий напечатали его. Результаты проведенных исследований показали, что уже через десять минут после введения сухого назального спрея из аэрогеля активное вещество достигло фронтальной коры и гиппокампа животных, что подтвердило эффективность как способа введения, так и самого аэрогеля как матрицы-носителя. По итогам поведенческих тестов ученые убедились, что после лечения сухим назальным спреем на основе аэрогеля у животных в депрессивном состоянии улучшились когнитивные способности и снизился уровень тревожности.

По словам ученых, на предварительные доклинические испытания ушло около года, и теперь в их планах проведение дополнительных исследований на обезьянах или собаках, чья носовая полость анатомически схожа с человеческой. Затем новые спреи пройдут доклинические и клинические испытания. Авторы работы уверены, что после таких испытаний перенос технологии из лаборатории в промышленность займет от одного до трех лет.

Работу с аэрогелями в Менделеевском университете возглавляет д.т.н., профессор, зав. кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ им. Д.И. Менделеева Наталья Меньшутина, которая имеет более 100 статей в высокорейтинговых международных журналах по этому направлению. Она рассказала о преимуществах и перспективах новых назальных спреев. 

«Интересна разработка таких систем доставки, в которых препараты находятся не в жидком виде, а в виде сухих назальных спреев, которые легче хранить, которые не боятся транспортировки при морозах и нагреве. Назальные спреи являются новым перспективным фармацевтическим продуктом, с их помощью возможна прямая доставка в мозг, что подтвердили проведенные нами исследования на крысах. В мозге концентрация вещества достаточно быстро достигает своего максимума, в то время как в крови наблюдается среднее значение. Мы считаем, что в ближайшее время будет уделяться большое внимание разработке назальных спреев для предотвращения и лечения в первые часы инсультов, будут использоваться антибиотики и противовирусные препараты в качестве назальных спреев, которые помогут бороться с различными инфекциями в носовой полости и в мозге, будут применяться назальные спреи для лечения болезни Альцгеймера, депрессии и разного рода нервных расстройств», — подытожила Наталья Меньшутина. 

На фото: доктор технических наук, профессор, заведующая кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ имени Д. И. Менделеева Наталья Меньшутина и Мария Мочалова.

Справочно 

Российский химико-технологический университет  им. Д.И. Менделеева (РХТУ) — опорный университет химического комплекса России, участник программы «Приоритет-2030». Миссия университета — развитие человеческого капитала, генерация и трансфер научных знаний и технологий на основе кооперации с индустрией для технологического превосходства России. Исследование проведено сотрудниками РХТУ вместе с коллегами из НМИЦ психиатрии и наркологии им. В.П. Сербского при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект 075-15-2020-792).

Статьи

Daria Lovskaya, Anna Bezchasnyuk, Maria Mochalova, Pavel Tsygankov, Artem Lebedev, Yana Zorkina, Eugene Zubkov, Aleksandra Ochneva, Olga Gurina, Artemiy Silantyev, Alexander Majouga, Natalia Menshutina. Preparation of Protein Aerogel Particles for the Development of Innovative Drug Delivery Systems. Gels.  DOI: https://doi.org/10.3390/gels8120765 (доклиническое исследование назального спрея на основе протеинового аэрогеля).

Natalia Menshutina, Alexander Majouga, Anastasia Uvarova, Daria Lovskaya, Pavel Tsygankov, Maria Mochalova, Olga Abramova, Valeria Ushakova, Anna Morozova, Artemiy Silantyev. Chitosan Aerogel Particles as Nasal Drug Delivery Systems. Gels.  DOI: https://doi.org/10.3390/gels8120796 (доклиническое исследование назального спрея на основе аэрогеля из хитозана).