Революційна технологія може покращити терапевтичну ефективність наномедицин
Огляд Емілі Хендерсон, доктор біологічних наук, 17 липня 2020 р
Дослідники Московського фізико-технічного інституту та їх колеги з Інституту біоорганічної хімії імені Шемякіна-Овчиннікова та Інституту загальної фізики Прохорова Російської академії наук розробили новаторську технологію для вирішення ключової проблеми, яка перешкоджала впровадженню нових наркотиків у клінічну практику протягом десятиліть. Новий розчин подовжує кровообіг практично будь-якого наномедицину, збільшуючи його терапевтичну ефективність. Дослідження російських дослідників було опубліковане в "Біомедична інженерія природи" та розміщено в розділі "Новини та погляди" журналу.
Розвиток медичної хімії з кінця 19 століття призвів до переходу від традиційної медицини до препаратів із суворо визначеними хімічними формулами. Незважаючи на те, що їй близько 150 років, ця парадигма все ще лежить в основі абсолютної більшості сучасних ліків. Їх активні молекули, як правило, виконують просту функцію: активують або деактивують певний рецептор.
Однак з 1970-х років багато лабораторій шукали препарати нового покоління, які одночасно могли б реалізувати кілька складних дій. Наприклад, виявити ракові клітини за допомогою ряду біохімічних підказок, повідомити про місце розташування пухлини лікареві, а потім знищити всі злоякісні клітини за допомогою токсинів та нагрівання.
Оскільки молекула не може виконувати всі ці функції, необхідно використовувати більшу надмолекулярну структуру або наночастинку.
Однак, незважаючи на величезну різноманітність наноматеріалів, розроблених на сьогоднішній день, лише найпростіші з дуже специфічними функціями перетворили їх на клінічну практику. Основна проблема використання терапевтичних наночастинок пов’язана з неймовірною ефективністю нашої імунної системи. Протягом тисячоліть еволюція вдосконалила здатність людського організму усунути нанорозмірні чужорідні об’єкти - від вірусів до частинок диму.
При введенні в розумних дозах більшість техногенних наночастинок виводиться з крові через імунну систему протягом декількох хвилин або навіть секунд. Це означає, що якими б вишуканими не були препарати, більша частина дози навіть не матиме шансу контактувати з ціллю, але впливатиме на здорові тканини, як правило, токсичним шляхом.
У своїй нещодавній статті група російських дослідників на чолі з Максимом Нікітіним, який очолює лабораторію нанобіотехнологій при МФТІ, запропонувала революційну універсальну технологію, яка значно розширює кровообіг і покращує терапевтичну ефективність різних наноагентів, не вимагаючи їх модифікації.
Ця технологія використовує той факт, що імунна система постійно виводить із кровообігу старі еритроцити, яким минув термін придатності - близько 1% на день у людини.
Ми висунули гіпотезу, що якщо ми трохи посилимо цей природний процес, ми можемо затримати імунну систему. У міру того, як воно стає зайнятим видаленням еритроцитів, менше уваги приділяється очищенню терапевтичних наночастинок. Перш за все, ми хотіли відвернути імунну систему найм'якшим чином, в ідеалі через вроджені механізми організму, а не штучні речовини. "
Максим Нікітін, керівник лабораторії нанобіотехнологій МФТІ
Команда придумала елегантне рішення, яке включало введення мишам антитіл, специфічних до еритроцитів. Це молекули, які складають основу імунної системи ссавців. Вони розпізнають сутності, які потрібно вивести з організму, в даному випадку еритроцити. Гіпотеза виявилася правильною, і невелика доза антитіла - 1,25 міліграма на кілограм маси тіла - виявилася дуже ефективною, поширюючи кровотік наночастинок у десятки разів. Компроміс був дуже помірним, миші демонстрували лише зниження рівня еритроцитів на 5%, що вдвічі менше, ніж так звана анемія.
Дослідники виявили, що їх підхід, названий "цитоблокадою" мононуклеарної фагоцитарної системи, був загальноприйнятим для всіх наночастинок. Він продовжив час циркуляції крихітних квантових точок розміром лише 8 нанометрів, середніх частинок 100 нанометрів і великих мікрометрів, а також найдосконаліших наноагентів, дозволених для використання на людях: покриті "стелс" ліпосоми. Полімер, який маскується під покриття з дуже інертного поліетиленгліколю, щоб приховати від імунної системи. У той же час цитоблокада не перешкоджає здатності організму відштовхувати бактерії (природні мікрочастинки) у кров як у малих дозах, так і у випадках сепсису.
Завдяки новій технології існує широкий спектр застосувань наночастинок. У серії експериментів на мишах дослідники досягли значного поліпшення так званої активної доставки наноагентів до клітин.
Це наночастинки, оснащені спеціальною молекулою для розпізнавання клітин-мішеней. Прикладом може бути використання антитіла проти рецептора CD4, який ідентифікує клітини Т. Введення ліків цим клітинам було б корисним для лікування аутоімунних та інших захворювань. Індукція цитоблокади у мишей призвела до збільшення часу циркуляції наночастинок із звичайних 3-5 хвилин до понад години. Без цитоблоку кліренс був занадто швидким, і зв'язування клітини-мішені неможливе, але після цитоблоку агенти демонстрували винятково високу ефективність націлювання, яка була порівнянна з ефективністю, отриманою in vitro. Експеримент підкреслює величезний потенціал нової технології не тільки для покращення продуктивності нанорозмірних агентів, але й для забезпечення тих, які раніше були абсолютно неефективними in vivo.
Потім команда продемонструвала застосовність своєї технології до терапії раку - цитоблокада, що дозволяє до 23 разів ефективніше доставляти наночастинки до пухлини за допомогою магнітного поля (рис. 1). Ця техніка доставки використовує магнітне поле для направлення, концентрації та утримання магнітних агентів у пухлині для зменшення системної токсичності. Така доставка доступна для наночастинок, але не для молекул. Дослідження повідомляє про ефективну терапію меланоми за допомогою магнетитових ліпосом та хіміотерапевтичного препарату доксорубіцин, які були абсолютно неефективними без використання антитіл проти еритроцитів. Кращі магнітні доставки показані для п’яти різних типів пухлин, включаючи меланому та рак молочної залози.
«Ми спостерігали поліпшення доставки нано-агентів з кожним видом раку, для якого ми проводили експерименти. Особливо важливо, щоб метод працював на клітинах пухлини людини, що вводяться мишам », - прокоментував співавтор дослідження Іван Зелепукін, молодший науковий співробітник Інституту РАН. біоорганічної хімії та МФТІ.
Примітно, що нова технологія забезпечила терапевтичне вдосконалення комерційно доступного ліпосомного агента, дозволеного для використання у людей. Це означає, що цитоблокада не тільки відкриває нові терапевтичні можливості, а й покращує існуючі.
Автори статті згадують, що поліпшення продуктивності наночастинок тісно корелює з подовженням часу циркуляції крові. Ця кореляція може бути встановлена за допомогою високочутливого методу кількісного визначення магнітних частинок, розробленого командою. Він виявляє кінетику видалення частинок з кровотоку неінвазивно - тобто без забору крові.
«Цей метод дозволив нам зробити вимірювання вмісту частинок у крові в режимі реального часу. Це дозволило провести ціле дослідження, оскільки не було б можливості виміряти таку кількість кінетичних профілів наночастинок за допомогою іншого існуючого методу за розумні терміни », - сказав Петр Нікітін, співавтор дослідження та керівник лабораторії біофотоніки в Загальному інституті фізики РАН.
Нещодавно розроблена технологія є особливо перспективною з точки зору перекладу для клінічного використання, оскільки анти-D антитіла, які зв'язуються з RhD-позитивними еритроцитами, давно затверджені для лікування імунної тромбоцитопенії та профілактики серцевих захворювань. Резус. Отже, оцінка нової технології у людей може розпочатися найближчим часом із застосуванням вже затверджених препаратів.
«Немає сумнівів, що комбіновану дію нанопрепаратів з існуючими анти-D або вдосконаленими анти-RBC антитілами наступного покоління слід досліджувати під час ретельних клінічних випробувань. Однак ми з великим оптимізмом дивимось на цю технологію та її застосування до захворювань, які вимагають цілеспрямованої доставки ліків, включаючи рак ”, - додав Максим Нікітін. «Тепер, коли це складне семирічне дослідження було опубліковане, ми спробуємо перевести його у клінічну практику. З цієї причини ми шукаємо співробітників та активних колег, зацікавлених у приєднанні до команди. "
Оскільки технологія цитоблокації є універсальною з точки зору сумісних наноагентів і не потребує їх модифікації, вона може стати значно більш продуктивною, ніж ПЕГилирование, яке було розроблено в 1970-х роках і з тих пір породило промисловість з кількома мільярдами "тиражів" з десятками клінічно затверджених препаратів.
Автори вважають, що запропонована технологія може відкрити двері для використання in vivo більш вдосконалених наноагентів з основним акцентом на функціональність, а не на стелс-функції. Нові біомедичні наноматеріали, створені з використанням найсучасніших ідей у галузі матеріалознавства, можуть бути негайно впроваджені у дослідження природничих досліджень in vivo, а потім швидко розроблені для клінічного використання.
Московський фізико-технічний інститут