Ученые физического факультета МГУ совместно с немецкими учеными из Института интерактивных материалов из Ассоциации Лейбница обнаружили связь между упругостью наногелей и временем их циркуляции в кровотоке. Подобные полимерные частицы являются перспективными контейнерами для адресной доставки лекарств, и проведенное исследование может помочь повысить их эффективность. Результаты работы опубликованы в престижном журнале Angewandte Chemie.
Успешное лечение раковых заболеваний заключается в уничтожении клеток опухолей в организме. В случае классической химиотерапии препаратами, обладающими высокой токсичностью, неизбежно происходит повреждение и здоровых клеток органов и тканей. Для минимизации негативного воздействия на организм широко используется и совершенствуется метод адресной доставки препаратов.
Простыми словами механизм можно описать следующим образом: действующее вещество помещается в контейнер микро- или наномасштаба, который вводится в кровоток и осаждается только в клетках определенного состава за счет физико-химического распознавания среды самим контейнером. Одним из препятствий, значительно снижающих эффективность такого метода лечения, является реакция иммунной системы — ее клетки-макрофаги способны активно поглощать молекулярные контейнеры. В то же время одним из количественных показателей эффективности доставки является время циркуляции лекарства в кровотоке: чем оно больше, тем больше вероятность доставки вещества к нужной клетке.
В качестве контейнера часто используются микро- и наногели. Они представляют собой трехмерные полимерные сетки — макромолекулы с характерными размерами от десятков нанометров до нескольких микрометров. Эти материалы интересны тем, что они проницаемы, следовательно, могут удерживать препарат внутри себя и впоследствии высвобождать его при изменений внешних условий. Например, известно, что уровень pH среды раковых клеток отличается от уровня здоровых клеток, и, следовательно, можно создать сетку на основе полимера, способного реагировать на кислотности среды. При этом важной характеристикой наногелей является их упругость, зависящая от доли сшивающих агентов в сетке (ее размера ячейки).
Коллегами из Германии было экспериментально обнаружено, что уменьшение упругости наногеля приводит к увеличению времени циркуляции препарата в крови лабораторных мышей. Была выдвинута гипотеза о том, что при контакте с мембраной клеток-макрофагов происходит деформация полимерных частиц, что затрудняет процесс их поглощения. Для подтверждения данной гипотезы сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ провели компьютерное моделирование взаимодействия частиц наногеля с различной упругостью с модельной мембраной клетки. Моделирование проводилось на суперкомпьютере «Ломоносов-2».
Результаты подтвердили выдвинутое ранее предположение — при контакте с мембраной «мягкие» (менее сшитые) наногели претерпевали уплощение, в то время как более «жесткие» частицы практически не деформировались и поглощались мембранами.
«Мы надеемся, что это исследование в дальнейшем позволит увеличить эффективность метода адресной доставки препаратов. Помимо ценности в области медицины, данная работа позволила нам лучше понять некоторые аспекты физики наногелей, которые могут найти применение и в других областях», — рассказал Рустам Гумеров, кандидат физико-математических наук, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ.