Ученые создали уникальные нанокапсулы для адресной доставки лекарств

Исследование пока носит фундаментальный характер

Международная группа исследователей при участии физиков из МГУ имени М.В.Ломоносова разработала совершенно новый тип носителя лекарств для их адресной доставки к больному органу - гелевые нанокапсулы с двойной оболочкой. Результаты работы ученые опубликовали в журнале Scientific Reports.

Способ изготовления наноконтейнеров и их структура в зависимости от температуры. Источник: Игорь Потемкин/Scientific Reports. Изображение с сайта msu.ru

Исследование пока носит фундаментальный характер. Однако один из авторов исследования Игорь Потемкин (профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ) утверждает, что в ближайшие годы на основе этой работы станет возможным создание нанокапсул, которые будут идеальными носителями для адресной доставки лекарств, а их производство будет относительно дешевым.

Адресной доставкой лекарств ученые занимаются уже давно, множество лабораторий мира работают над их созданием, поскольку перспективы этого направления огромны. Создано множество «наноэкипажей» для доставки лекарств по нужному адресу, но перед учеными все еще стоит множество проблем. Главной из них многие исследователи считают проблему того, как заставить лекарство начинать действовать только тогда, когда оно попадет в нужное место. 

«Многие существующие носители инкапсулируют лекарства за счет дальнодействующего электростатического взаимодействия - заряд носителя противоположен заряду лекарства. У нас же никакой электростатики нет, все здесь контролируется температурой - и заполнение внутренней полости, и ее запирание, и высвобождение ее содержимого там, где это требуется. Поэтому сами лекарства могут быть как заряженными, так и нейтральными», - комментирует один из российских соавторов статьи, доктор физико-математических наук Игорь Потемкин.

По словам авторов статьи, существуют и другие стимулы для высвобождения лекарств, например, внешнее магнитное поле, кислотность среды (pH), однако в каждом случае, как и в случае с электростатикой, исследователи сталкиваются с проблемой преждевременного выпуска лекарств.

Ученые решили использовать структуры, которые ранее практически не исследовались, - гелевые нанокапсулы. Основной проблемой, прежде резко снижавшей интерес к ним, было то, что такие капсулы, едва появившись, тут же слипались со своими соседками (теряли коллоидную стабильность) при попытке «загрузки» их лекарствами, что делало доставку невозможной (или малоэффективной). Ученым удалось решить эту проблему, создав носитель, внутренняя полость которого, словно яйцо с двумя скорлупами, окружена двумя оболочками разного химического состава. Внешняя пористая оболочка играет защитную (стабилизирующую) роль и препятствует слипанию нанокапсул, а поры внутренней оболочки могут открываться и закрываться в зависимости от температуры за счет изменения взаимодействия между ее мономерными звеньями.

В момент заполнения полости поры открыты, и лекарство всасывается в нее как в губку, затем температура меняется, поры внутренней оболочки закрываются, и лекарство отправляется в путь. В дальнейшем поры смогут открыться вновь только там, где это позволит температура.

Приготовление двухслойных капсул в этом эксперименте сводилось к послойному синтезу двух полимерных оболочек разного химического состава вокруг ядра из оксида кремния, а по окончании синтеза это ядро химическим образом растворялось, оставляя вместо себя пустое пространство.

Основная трудность этой работы заключалась в том, что исследователи во многом шли вслепую, не зная наверняка, как поведет себя их нанокапсула, не «схлопнется» ли ее полость, оставшаяся после удаления кремниевого ядра, достаточного ли размера окажутся поры оболочек для того, чтобы всосать в себя транспортируемое вещество, а затем высвободить его там, где требуется, надежно ли оно будет заперто во время транспортировки. К счастью, все эти опасения оказались напрасными — в ответ на изменения температуры поры открывались и закрывались, «по дороге» (в эксперименте, настоящей «дороги» не было - ученые измеряли возможные потери из полости по мере течения времени) содержимое капсул практически не терялось, а внутренняя полость не только не схлопывалась - она становилась даже больше первоначального размера кремниевого ядра.

Изготовление наногелевых капсул и связанные с ними измерения проводились в Европе, главным образом в Германии, а российские ученые из МГУ, Игорь Потемкин и его коллега Андрей Рудов, работали над компьютерным моделированием, с помощью которого исследователи изучали зависимость структуры нанокапсул от температуры. Также физиками МГУ с помощью компьютерного моделирования был продемонстрирован способ инкапсулирования и высвобождения транспортируемых молекул при изменении температуры.

На данном этапе работа носила чисто фундаментальный характер и была предназначена в первую очередь для демонстрации эффективности концепции. Эксперименты проводились в диапазоне температур 32-42°C. Это несколько больше диапазона температур, благоприятных для человека, хотя в дальнейшем, утверждает Игорь Потемкин, этот диапазон легко можно будет сузить.

Совместные работы группы рассчитаны еще на четыре года. «Осталось еще много вопросов, - комментирует ученый. - Например, мы «поймали» структуру, в которой полость не схлопывается по мере коллапса (то есть в момент закрытия пор). Теперь осталось понять, как это получается, как влияет плотность сшивки слоев, т.е. какое минимальное количество сшивателя не приводит к схлопыванию полости, и так далее».

Потемкин уверен, что в любом случае созданные исследовательской группой наноконтейнеры представляют собой идеальные носители для адресной доставки лекарств. Более того, их синтез не отличается сложностью и относительно дешев. Хотя на данном этапе исследований его конкретную стоимость назвать сложно, в планах коллаборации уже сейчас стоит создание крупнотоннажного, приемлемого с коммерческой точки зрения, производства микрогелей.