Древовидные молекулы доставят ДНК-вакцины в клетки

Ученые предложили простой и дешевый способ синтеза дендримеров — древовидных органических соединений, — способных связывать ДНК. Авторы присоединили к чашеобразной молекуле короткие расходящиеся во все стороны «ветви», благодаря чему получили структуру, которая может использоваться для доставки ДНК-вакцин и лекарств. Эксперименты также показали, что новый дендример нетоксичен, в отличие от большинства существующих аналогов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Pharmaceutics.

В новейших медицинских технологиях широкое применение находят нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Так, например, препараты на основе ДНК используются для лечения ряда опухолевых заболеваний. Кроме того, в последние годы активно разрабатываются вакцины на основе ДНК и РНК. Чтобы направить подобные препараты к нужным клеткам и тканям, тем самым избежав побочных эффектов и повысив эффективность лечения, необходимы системы доставки.

В роли «доставщиков» лекарственных средств перспективными считаются дендримеры — молекулы, по форме напоминающие крону дерева, ветви которого симметрично расходятся в разные стороны из одной точки. Хотя на основе дендримеров уже существует зарегистрированный противоинфекционный препарат, эти молекулы широко не используются в фармацевтике, в частности, из-за того, что их очень трудно и дорого получать. Это связано с тем, что для эффективного взаимодействия с веществами, которые нужно переносить (в том числе ДНК и РНК), дендримеры должны иметь много связывающих групп на длинных «ветвях», а их химики вводят в ходе многочисленных этапов синтеза. Поэтому, чем больше этапов синтеза, тем, с одной стороны, сложнее и дороже процесс, а с другой — эффективнее молекула.

Ученые из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань), Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси (Минск) и Университета Дунхуа (Китай) разработали простой, дешевый и эффективный метод синтеза дендримеров, способных связываться с ДНК.

В отличие от существующих аналогов, в качестве ядра нового соединения — центра, от которого отходят «ветви», — авторы использовали не линейную молекулу, а циклическую. Она имела вид чаши, состоящей из четырех соединенных между собой углеводородных колец. Такую структуру выбрали потому, что она удобна для связывания переносимых веществ, в частности ДНК. К молекулярной чаше химики в ходе всего двух превращений присоединили разветвленные боковые «ветви». При этом реакции проводились при комнатной температуре и требовали только коммерчески доступных реактивов, что подтверждает простоту предложенного подхода.

Исследователи смешали дендримеры с образцом ДНК, выделенной из тимуса (вилочковой железы) теленка. Отслеживая, как изменились оптические свойства раствора, авторы определили, что молекулы связались в единую надмолекулярную структуру. Таким образом, полученные соединения действительно подходят для доставки ДНК-препаратов. Более простая структура — короткие боковые «ветви» — выгодно отличают новые молекулы от аналогов, требующих многоэтапного синтеза.

Авторы также проверили токсичность полученных дендримеров. Это важно, поскольку большинство известных аналогичных соединений, способных к связыванию с нуклеиновыми кислотами, разрушают эритроциты — красные кровяные тельца. Эксперимент показал, что за сутки пребывания чашеобразных дендримеров в растворе с человеческими эритроцитами погибло менее 5% клеток. Для сравнения, их ранние аналоги за сутки приводили к разрушению практически всех клеток. «Нам удалось получить эффективные и нетоксичные ДНК-связывающие дендримеры, максимально сократив необходимое число этапов синтеза. Мы надеемся, что эти результаты будут полезны при разработке новых систем доставки лекарственных средств на основе дендримеров и помогут расширить их применение в медицине. В дальнейшем мы с нашими зарубежными коллегами планируем сосредоточиться на изучении связывания дендримерами терапевтических нуклеиновых кислот, способных воздействовать на генетические программы вирусов и бактерий. Также мы надеемся уточнить механизмы действия синтезированных соединений», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Иван Стойков, профессор, доктор химических наук, заведующий кафедрой органической и медицинской химии Казанского (Приволжского) федерального университета.

Ранее исследователи получили дендримеры с антибактериальным эффектом. Молекулы оказались эффективны против микроорганизмов, вызывающих внутрибольничные инфекции, — кишечной палочки (Escherichia coli), синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa), золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и других. Это говорит о том, что дендримеры потенциально можно использовать не только в качестве систем доставки лекарств, но и как активные вещества для борьбы с бактериальными заболеваниями.