Forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik och deras kollegor från Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry och Prokhorov General Physics Institute vid Ryska vetenskapsakademin har utvecklat en banbrytande teknologi för att lösa ett nyckelproblem som har förhindrat introduktionen av nya läkemedel i klinisk praxis i decennier. Den nya lösningen förlänger blodcirkulationen för praktiskt taget alla nanomediciner, öka dess terapeutiska effektivitet. De ryska forskarnas studie publicerades i Nature Biomedicinsk teknik och visas i tidskriftens avsnitt Nyheter och vyer.

Utvecklingen av medicinsk kemi sedan slutet av 1800-talet har lett till övergången från traditionell medicin till läkemedel med strikt definierade kemiska formler. Trots att han är cirka 150 år gammal, detta paradigm ligger fortfarande till grund för den absoluta majoriteten av moderna mediciner. Deras aktiva molekyler tenderar att utföra en enkel funktion:aktivera eller inaktivera en viss receptor.

Dock, sedan 1970-talet, många laboratorier har letat efter nästa generations läkemedel som skulle implementera flera komplexa åtgärder samtidigt, till exempel, identifiera cancerceller via en rad biokemiska signaler, signalerar tumörens plats till läkaren, och därefter förstöra alla maligna celler via toxiner och uppvärmning.

Eftersom en molekyl inte kan utföra alla dessa funktioner, en större supramolekylär struktur, eller en nanopartikel, krävs. Dock, trots den enorma variation av nanomaterial som har utvecklats hittills, endast de enklaste med mycket specifika funktioner har gjort det till klinisk praxis. Det största problemet med att använda terapeutiska nanopartiklar har att göra med immunsystemets fantastiska effektivitet. Under årtusenden, evolutionen har fulländat den mänskliga kroppens förmåga att eliminera främmande enheter i nanostorlek, från virus till rökpartiklar.

När det administreras i rimliga doser, de flesta konstgjorda nanopartiklar rensas bort från blodomloppet av immunsystemet på bara minuter eller till och med sekunder. Det betyder att oavsett hur sofistikerade drogerna är, majoriteten av dosen kommer inte ens att ha en chans att komma i kontakt med målet, men kommer att påverka friska vävnader, vanligtvis på ett giftigt sätt.

I deras senaste tidning, ett team av ryska forskare under ledning av Maxim Nikitin, som leder Nanobiotechnology Lab vid MIPT, föreslagit en banbrytande universell teknologi som avsevärt förlänger blodcirkulationen och förbättrar den terapeutiska effektiviteten hos olika nanoagens utan att behöva modifiera dem.

Tekniken utnyttjar det faktum att immunförsvaret ständigt eliminerar det gamla, "utgångna" röda blodkroppar - cirka 1% per dag hos människor - från blodomloppet. "Vi antog att om vi något intensifierade denna naturliga process, vi kunde lura immunförsvaret. Medan det blir fullt upp med att rensa röda blodkroppar, mindre uppmärksamhet ägnas åt rensningen av de terapeutiska nanopartiklarna. Viktigt, vi ville distrahera immunförsvaret på det mest skonsamma sättet, helst via kroppens medfödda mekanismer snarare än genom konstgjorda ämnen, " sa Maxim Nikitin.

Teamet hittade en elegant lösning, vilket innebar att injicera möss med röda blodkroppsspecifika antikroppar. Dessa molekyler utgör grunden för däggdjurens immunsystem. De känner igen de enheter som måste avlägsnas från kroppen, i detta fall RBC. Hypotesen visade sig vara riktig, och en liten dos antikroppar – 1,25 milligram per kilo kroppsvikt – visade sig vara mycket effektiv, utöka blodcirkulationen av nanopartiklar dussintals gånger. Avvägningen var mycket måttlig, med mössen som bara uppvisade en minskning med 5% i RBC-nivåer, vilket är hälften av det som kvalificerar sig som anemi.

Forskarna fann att deras tillvägagångssätt, kallas cytoblockaden av det mononukleära fagocytsystemet, var universellt tillämplig på alla nanopartiklar. Det förlängde cirkulationstiderna för små kvantprickar som bara mätte 8 nanometer, medelstora 100 nanometer partiklar, och stora mikron, såväl som de mest avancerade nanoagensen som godkänts för användning på människor, polymerbelagda "stealth"-liposomer förklädda under en mycket inert polyetylenglykolbeläggning för att gömma sig från immunsystemet. På samma gång, cytoblockaden försämrar inte kroppens förmåga att avvärja bakterier (naturliga mikropartiklar) i blodomloppet, både i små doser och vid sepsis.

Det finns ett brett utbud av nanopartikeltillämpningar som möjliggörs av den nya tekniken. I en serie experiment på möss, forskarna uppnådde en dramatisk förbättring av den så kallade aktiva leveransen av nanoagens till celler.

Det handlar om nanopartiklar utrustade med en speciell molekyl för att känna igen målceller. Ett exempel skulle vara att använda antikroppen mot CD4-receptorn som identifierar T-celler. Läkemedelstillförsel till dessa celler skulle vara användbar för behandling av autoimmuna och andra sjukdomar. Induktionen av en cytoblockad hos möss gav en ökning av nanopartikelcirkulationstiden från de vanliga tre till fem minuterna till över en timme. Utan cytoblockad, rensningen var för snabb, och ingen bindning av målcellen kunde uppnås, men efter cytoblockad, Medlen visade exceptionellt hög målinriktningseffektivitet i nivå med den som uppnåddes in vitro. Experimentet belyser den enorma potentialen hos den nya tekniken, inte bara för att förbättra prestandan hos medel i nanostorlek, men för att möjliggöra de som tidigare var helt ineffektiva in vivo.

Teamet fortsatte med att demonstrera användbarheten av deras teknologi för cancerterapi, med cytoblockaden som möjliggör upp till 23 gånger effektivare magnetiskt styrd leverans av nanopartiklar till tumören. Denna leveransteknik använder ett magnetfält för att styra, fokusera och behålla magnetiska medel i en tumör för att minska systemisk toxicitet. Sådan leverans är tillgänglig för nanopartiklar men inte molekyler. Studien rapporterar en effektiv behandling av melanom med liposomer laddade med magnetit och kemoterapiläkemedlet doxorubicin, som var helt ineffektiva utan användning av antikroppar mot röda blodkroppar. Förbättrad magnetisk leverans visades för fem typer av tumörer av olika karaktär, inklusive melanom och bröstcancer.

"Vi observerade en förbättrad nanoagentleverans med varje typ av cancer som vi gjorde experiment för. Det är särskilt viktigt att metoden fungerade på mänskliga tumörceller som introducerades i möss, " sa studiens medförfattare Ivan Zelepukin, en juniorforskare vid RAS Institute of Bioorganic Chemistry och MIPT.

I synnerhet, den nya teknologin möjliggjorde en terapeutisk förbättring för ett kommersiellt tillgängligt liposomalt medel som godkänts för användning på människor. Detta innebär att cytoblockaden öppnar för nya terapeutiska möjligheter samtidigt som den förbättrar befintliga behandlingar.

Författarna till artikeln nämner att den förbättrade nanopartikelprestandan var nära korrelerad med förlängningen av blodcirkulationstiden. Den korrelationen kunde fastställas med hjälp av en mycket känslig metod för kvantifiering av magnetiska partiklar som utvecklats av teamet. Det gör det möjligt att detektera kinetiken för eliminering av partiklar från blodomloppet på ett icke-invasivt sätt – det vill säga utan att ta blod.

"Den metoden gjorde mer än att vi kunde göra realtidsmätningar av partikelinnehållet i blodomloppet. Det möjliggjorde hela studien, eftersom det inte skulle ha varit möjligt att mäta ett så enormt antal kinetiska nanopartikelprofiler med någon annan befintlig metod inom rimlig tid, sade Petr Nikitin, en medförfattare till studien och chef för Biophotonics Lab vid General Physics Institute of RAS.

Den nyutvecklade tekniken är särskilt lovande när det gäller översättning för klinisk användning, eftersom anti-D-antikropparna, som binder till RhD-positiva röda blodkroppar, har länge varit godkända för behandling av immun trombocytopeni och förebyggande av rhesussjukdom. Därför, bedömning av den nya tekniken hos människor kan påbörjas inom en snar framtid med de redan godkända medicinerna.

"Det råder ingen tvekan om att den kombinerade verkan av nanoläkemedlen med de befintliga anti-D eller förbättrade anti-RBC-antikropparna från nästa generation bör undersökas i strikta kliniska tester. vi känner oss mycket optimistiska om denna teknik och dess tillämpningar på allvarliga sjukdomar som kräver riktad läkemedelsleverans, inklusive cancer, ", tillade Maxim Nikitin. "Nu när denna komplexa sjuåriga studie har publicerats, vi kommer att göra allt för att översätta det till klinisk praxis. Av denna anledning, vi söker medarbetare och aktiva kollegor som är intresserade av att gå med i teamet."

Eftersom cytoblockadtekniken är universell när det gäller de kompatibla nanoagensen och inte kräver deras modifiering, den har potential att bli betydligt mer produktiv än PEGylering, som utvecklades på 70-talet och har sedan dess gett upphov till en mångmiljardindustri av läkemedel med "förlängd cirkulation", med dussintals kliniskt godkända mediciner.

Författarna tror att den föreslagna tekniken kan öppna dörrar för in vivo-användning av de mest avancerade nanoagenterna med primärt fokus på funktionalitet snarare än smygegenskaper. Nya biomedicinska nanomaterial tillverkade enligt de mest progressiva idéerna inom materialvetenskap kan omedelbart introduceras i biovetenskaplig forskning in vivo och sedan snabbt fulländas för klinisk användning.