Вести с полей: новый подход инкапсуляции функциональных компонент для дистанционно управляемых систем доставки лекарств

С помощью нового метода инкапсуляции («упаковки») молекул и/или наночастиц ученые смогли ввести наночастицы оксида железа (контрастный агент для МРТ) и противоопухолевый агент (доксирубицин) в пористую поверхность карбоната кальция и заставить «раскрыться» капсулы, получены с использованием данных частиц карбоната кальция, внутри мыши с помощью сфокусированного низкоинтенсивного ультразвука дистанционно. Это открывает новые возможности для уменьшения побочного действия химиотерапии онкологических заболеваний. Об этом рассказал профессор центра фотоники Сколтеха и руководитель лаборатории биофотоники Дмитрий Горин на конференции «Невская фотоника».

Ученые давно ищут способы доставлять определенные частицы в конкретные клетки или молекулы, что может быть применено, например, при терапии рака. Однако механизмы выборочной доставки до сих пор недоработаны. Основная проблема в том, что только 7 из 1000 введенных наночастиц достигают злокачественной опухоли. При этом ранее исследователи выяснили, что неорганические частицы более эффективны, чем органические, и чем меньше размер частиц, тем выше их эффективность.

Ученые из Сколковского института науки и технологий решили создать систему доставки лекарств с дистанционно управляемыми свойствами. Основой для такой системы должна стать многофункциональная частица-«доставщик». Создать ее можно с помощью добавок, которые «вкладываются» в структуру оболочки или ядра частицы.

Для создания таких мультифункциональных частиц российские ученые решили пойти «снизу-вверх»: из маленьких деталей (молекул и/или наночастиц) создать объект побольше — микронного или субмикронного размера. Ранее был открыт метод последовательной адсорбции: для этого коллоидные частицы оксида алюминия и оксида кремния адсорбировались на стеклянную подложку и с помощью оптических инструментов доказали процесс переноса слоев [Iler R.K. J.Coll. Int. Sci., 1966, 21, 6, 569]. Так ученые показали, что наночастицы можно комбинировать с полимерными молекулами. Этот метод использовали исследователи из Сколковского института науки и технологий.

Чтобы доставить некоторые частицы, нужно создать капсулу с жертвенным темплейтом. В качестве темплейта команда ученых использовала ватеритные частицы — пористую модификацию карбоната кальция. Имеющиеся в наличии методы адсорбции и соосаждения демонстрируют низкую эффективность загрузки и загрузочную емкость. Чтобы ее увеличить, ученые лаборатории биофотоники Сколтеха и Саратовского государственного университета разработали новый способ, который называется методом индуцированной кристаллизацией растворителя адсорбции.

На частицах карбоната кальция (ватеритных частицах) исследователи провели адсорбцию наночастиц оксида железа. Это означает, что наночастицы оксида железа «вкладывались» в молекулу карбоната кальция. Раствор с ватеритными частицами и с наночастицами железа ученые заморозили и обнаружили, что фронт кристаллизации выталкивал наночастицы оксида железа навстречу друг другу и «инкапсулировал» наночастицы оксида железа в поры частиц карбоната кальция.

«Это не универсальная технология, но мы показали, что она хорошо работает для наночастиц оксида железа, наночастиц золота, для белков. Она хорошо сочетается с технологией последовательной адсорбции. Таким образом мы можем инкапсулировать в ядро лекарство и модифицировать оболочку молекулами, которые обеспечивают адресную доставку. В настоящее время мы используем методы фотоники, такие как спектроскопию комбинационного рассеяния и оптоакустику, для in situ мониторинга метода индуцированной кристаллизацией растворителя адсорбции», — рассказал Дмитрий Горин из Сколковского института науки и технологий на секции «Биофотоника» конференции «Невская фотоника».

Ученые использовали тот же метод с наночастицами золота со средним размером 3 нм, так как золото такого размера обладает нанозимными свойствами, то есть может выполнять функцию ферментов. С помощью метода индуцированной кристаллизацией растворителя адсорбции наночастиц ученые Сколтеха внедрили их в субмикронные частицы ватерита и получили хорошее согласование теории и расчетов с эмпирическими исследованиями оптических свойств. Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова смогли измерить спектры поглощения отдельных частиц, а также дистанционно температуру, до которой нагреваются данные частицы при лазерном нагреве, используя зависимость времени флуоресценции от температуры.

В международной кооперации со швейцарскими учеными была показана возможность использования в качестве ядра нанокапли на основе соединения относящаеся к фторуглеродам. Метод последовательной адсорбции использовался для формирования композитной оболочки на поверхности нанокапель, содержащей флуоресцентный краситель и наночастицы оксида железа, что позволило их визуализировать в живом организме тремя методами: УЗ, МРТ и оптоакустикой.

Движением полученных частиц ученые управляли с помощью магнитного пинцета — наночастицы оксида железа передвигаются в градиенте магнитного поля, и таким образом их можно перемещать по организму.

«Теперь нам нужно было “открыть контейнер” — выпустить из полимерной оболочки наночастицы, когда они находятся в организме. Мы сделали это с помощью ультразвука. Под действием ультразвука создаются кавитационные пузырьки, они коллапсируют и высвобождают поверхностную энергию в виде ударной волны и микроструй. Идея использования ультразвука для высвобождения инкапсулированных лекарств предложена нами в 2006 году», — рассказал Дмитрий Горин.

На мышах ученые доказали, что раствор с полученными композитными капсулами можно вводить внутримышечно, а низкоинтенсивного и высокочастотного ультразвукового излучения достаточно, чтобы «открывать» капсулы и высвобождать лекарство.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».