Конкурс «био/мол/текст»-2014

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».

---

Главный спонсор конкурса — дальновидная компания «Генотек».
Конкурс поддержан ОАО «РВК».

---

Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.

Разработка лекарств направлена на то, чтобы они действовали не на всё сразу, а били точно в цель. Это, конечно, идеал. Большинство активных веществ таблеток, мазей и всего прочего может взаимодействовать не только с зараженными органами и тканями, но еще с десятком типов здоровых клеток, оказавшихся поблизости или связанных с пострадавшими общими кровеносными сосудами. Отсюда возникают побочные действия, а эффективность самого лекарства снижается, потому что оно частично «тратится впустую».

В несколько бóльших деталях, чем приводится в этой статье, с принципами рационального дизайна лекарств можно ознакомиться в статье «Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства» [2]. — Ред.

Здесь на помощь приходят новые технологии, помогающие сузить область возможного действия лекарства и доставить его точно до той клетки, которой оно необходимо. Какие методики станут доступны уже в обозримом будущем?

Наночастицы и магнит спасут от смерти

В мире самых маленьких все по-другому. Если золото предстанет не в форме красивого колечка, а в виде частиц диаметром в миллионы раз меньшим, оно покажется нам темно-красным или даже черным. Наночастицы нынче так широко используют именно потому, что они ведут себя не так, как большие объекты вроде капсулы для проглатывания. По отношению к их объему площадь у наночастиц просто гигантская, а значит, они могут абсорбировать на своей поверхности огромное количество веществ . К тому же, они легче диффундируют. Магнитные свойства веществ в наночастице отличаются от таковых у куска того же вещества большего размера (и зачастую оказываются сильнее, чем у последнего).

Интересным примером того, как наночастицы демонстрируют принципиально иные свойства в зависимости от своего размера, являются квантовые точки: «Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии» [3]. — Ред.

Чаще всего основа наночастицы — каркас размером несколько стомиллионных сантиметра. Он может состоять из соединений металлов, например, цинка, золота или серебра. К этой основе крепятся молекулы лекарства, которые сверху могут быть еще покрыты защитным слоем. Он нужен для того, чтобы максимальное количество действующего вещества дошло до точки назначения и не было переварено в желудке или разрушено печенью .

На границе живой материи организма и искусственно введенных в него наночастиц происходит целый спектр интересных явлений, часть из которых вполне может использоваться в медицинских целях, а часть приводит к токсичности наночастиц и должна быть как-то обойдена: «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [4]. — Ред.

Если сделать наночастицы из металла, который намагничивается, можно направлять их в определенное место в организме, а после того, как работа будет сделана, выводить оттуда все частицы без остатка с помощью магнита. Именно так можно будет бороться с сепсисом. Это заболевание заканчивается смертью в половине случаев, а треть выживших остается инвалидами на всю жизнь. При сепсисе бактерии попадают в кровоток и быстро разносятся по всему организму, после чего уничтожить их антибиотиками и другими классическими методами почти невозможно. Однако исследования с помощью миниатюрного устройства, пропускающего микропотоки жидкостей через градиентное магнитное поле, показали, что зараженную кровь реально очистить от бактерий [5], [6]. Микроорганизмы прикрепляются к наночастицам и примагничиваются к источнику поля, покидая кровь (рис. 1). Осталось проверить, сработает ли система в живых организмах.

Разумеется, вариантов наночастиц гораздо больше, и применяются они не только в экспериментах с моделью сепсиса [7–9]. Об этом гораздо более подробно было рассказано ранее в статье «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц» [10].

Когда жир полезен для здоровья

Жир в умеренных количествах — не просто хорошо, а жизненно необходимо. Впрочем, правильнее сказать «липид» — органическая молекула, которая не растворяется в воде. В это понятие входят не только жиры, но и многие другие соединения со сходными свойствами. По сути, любая клетка — это питательный бульон, и он не расплывается во все стороны только потому, что окружен мембранами из липидов, которые его не пропускают .

Достаточно подробно химические и физические свойства липидов, а также фундаментальное значение мембран в биологических процессах были разобраны в статье «Липидный фундамент жизни» [11]. — Ред.

Маленький липидный пузырек размером с твердую наночастицу, внутрь которого можно поместить нужные ДНК, белки или другие вещества, называется липосомой (рис. 2). Один из надежных способов доставить лекарство по назначению — поместить его в липосому. Липиды почти не перевариваются в желудке, а значит, действующее вещество в неизменном виде проходит в кишечник, где желчные и кишечные ферменты расщепляют липид, а лекарство высвобождается и всасывается. Впрочем, липосомы не обязательно вводить перорально: вполне подойдет и инъекция в кровеносный сосуд или под кожу. И тот, и другой способы применяются, если речь идет о нановакцинах. Также липосомы помогают при раке, атеросклерозе, остром респираторном стресс-синдроме и не только [12].

Есть и более «легкая» версия липида-переносчика: жирная кислота. Она не обволакивает молекулу лекарства со всех сторон, но присоединяется к ней и тянет за собой. Вещества (например, альбумин), соединенные с жирными кислотами, более стабильны и дольше остаются в организме, а значит, препараты на их основе можно принимать реже.

Все дело в волшебных пузырьках

Еще один способ перенести лекарственное вещество через мембрану клетки — сделать в этой мембране отверстие. Тут на помощь исследователям приходит ультразвук. В организм вводятся микропузырьки газов, покрытые оболочкой из липидов, белков или молекул искусственных полимеров [13]. Поскольку газы могут сжиматься и расширяться, размером пузырьков легко управлять. Когда пузырьки оказываются вблизи конкретного органа или ткани, на них локально действуют ультразвуковыми волнами разной частоты и силы.

Режимов воздействия много (рис. 3). Например, размер пузырька можно сразу увеличить до максимума, чтобы он лопнул, а можно заставить его ритмично сжиматься и расширяться. Итог будет один — мембрана клетки вблизи пузырька порвется. (Этот процесс называется сонопорация — дословно «протыкание звуком».) Если в эту же область ввести лекарство, которое не пускают оболочки клеток, оно сможет беспрепятственно зайти внутрь через получившееся отверстие. Иногда обходятся без микропузырьков, но в таком случае эффективность метода может быть ниже.

Ультразвук берет барьеры

Мозг — весьма и весьма чувствительный орган. Он требует регулярного и качественного питания, кислорода и постоянства своего окружения. Его нужно защищать почти от чего угодно, и гематоэнцефалический барьер, он же ГЭБ, отлично с этим справляется.

Суть ГЭБ такова. В центральной нервной системе кровеносные сосуды отделены от нейронов прослойкой отростков нейроглии — особого типа нервных клеток, чьи главные (но далеко не единственные!) цели — питать и защищать нейроны. Через нейроглию проходят все вещества, которые может отдать капилляр. Около 98% больших молекул не доходит до самих нейронов через ГЭБ, хотя он, конечно же, пропускает глюкозу и кислород. С одной стороны, это хорошо, потому что в мозг не попадают яды и ненужные там гормоны и нейромедиаторы. С другой стороны, это плохо, поскольку лекарства тоже остаются за бортом.

Можно специально повредить гематоэнцефалический барьер, если ввести в артерию помимо лекарства вещества, меняющие осмотическое давление (солевой баланс) крови. В этом случае препарат окажется почти во всех частях мозга, но, скорее всего, не только там: ведь все сосуды взаимосвязаны. Другой вариант — вовсе обойти ГЭБ, установив имплантат с лекарством прямо в мозг или на его поверхность. Но подобные процедуры делаются под общим наркозом, их невозможно проводить часто, да и мало кто согласится на такое вмешательство в пространство своей головы.

В 2000 году ученые из Бостона и Гарварда попробовали проделать отверстия в гематоэнцефалическом барьере кроликов с помощью микропузырьков с газом и коротких серий ультразвуковых волн, сфокусированных на определенной точке в головном мозге [14]. Попытка увенчалась успехом, а главное — как показали результаты МРТ и гистологических исследований, нейроны не были повреждены. После этой работы испытания проводили в моделях болезней Альцгеймера, Паркинсона, хореи Хантингтона, нейробластомы на грызунах и нечеловекообразных обезьянах. Через ГЭБ удалось переправить наночастицы золота, иммуноглобулин G, противоопухолевые препараты, пероксидазу хрена, клеточные красители и многое другое.

Клинических исследований ультразвукового метода пока не было, однако есть множество оснований полагать, что способ подойдет и людям. Для этих процедур не нужно вскрывать черепную коробку — будет достаточно одной локальной инъекции в кровь. Воздействие можно повторять достаточно часто, а за счет того, что волны ультразвука легко сфокусировать в одной точке, нет поводов бояться, что лекарство проникнет не туда, куда нужно. Правда, наблюдать за результатами процедуры будет сложнее, чем в случае макак и крыс: иммуногистохимический анализ срезов мозга вряд ли придется по душе людям-пациентам, а МРТ — удовольствие не из дешевых.

Способ «клетка в клетке»

Считать другого по умолчанию чужаком вполне естественно. Из этой логики исходят и животные, и их составляющие, например, клетки иммунной системы. Пришелец, когда он появится, будет в прямом или переносном смысле обнюхан, после чего атакован со всей непримиримостью. Вот только необходимо это не всегда.

У любителей монгольских песчанок, которые хотят подружить пару питомцев, есть прием «клетка в клетке». Одно животное сажают в маленькую клетку и ставят в более крупную, где его уже поджидает второй зверь. Перегородка не мешает грызунам обнюхивать друг друга, барабанить лапками и переругиваться писком, но не дает случиться серьезным дракам. Мало-помалу животные привыкают друг к другу, и через какое-то время их можно селить вместе в одну большую клетку.

Забавно, что сейчас существует похожий способ доставки лекарств. Несколько клеток, выделяющих нужные вещества, помещаются под общую оболочку из полимерного соединения, которая позволяет узницам получать кислород и пищу извне и выделять в среду продукты своей жизнедеятельности [15]. При этом, как и в случае с ГЭБ, крупные молекулы, например, антитела, и клетки иммунной системы не могут преодолеть защиту капсулы и навредить чужеродным клеткам. Способ уже показал свою эффективность при лабораторных исследованиях анемии, регенерации сердечной мышцы, костей и хрящей с помощью отдельных веществ, доставки целых стволовых клеток при борьбе с опухолями. Микроконтейнеры с клетками обычно вводят непосредственно в те области организма, где нужно их действие.

Трава лучше шприца

Никто не любит прививки. Сам себе их не сделаешь — нельзя, если нет медицинского образования. А в поликлинике все время получается больно. Наверное, поэтому сейчас так популярно антинаучное антипрививочное движение. К тому же, вакцина может испортиться, если хранить ее не в холоде, и перевозить такие препараты по всем правилам довольно сложно. Диабетикам тоже нелегко: за всю жизнь им приходится делать десятки тысяч инъекций инсулина, и от них никуда не деться.

К счастью, участь нелюбителей уколов можно облегчить. Вакцины, а также инсулин и другие белки можно вводить перорально — грубо говоря, съедать. Но как сделать, чтобы лекарства не переварились в желудке? Ответ — производить их в клетках растений и эти же клетки принимать внутрь. Можно, например, генетически модифицировать пластиды клеток латука так, что они будут вырабатывать инсулин или антигены возбудителей чумы, холеры или малярии [16]. Пациенты (пока что их роль выполняют мыши) смогут проглатывать порошок из лиофилизированных (мягко высушенных) клеток латука. Дойдя до кишечника, эти клетки будут переварены местной микрофлорой, и лекарство высвободится (рис. 4).

Преимуществ «таблеток из травы» перед инъекциями много. Во-первых, принимать их совсем не больно, и лицензия медработника для этого не нужна. Во-вторых, клетки растений, которые вырабатывают нужные вещества, очень редко заражаются инфекциями, опасными для человека, в отличие от клеток из культур бактерий или тканей животных. А ведь именно последние сейчас производят большую часть пептидов, гормонов и других веществ, используемых для лечения. В-третьих, оболочку растительных клеток можно переварить только в кишечнике, а у клеток животных, которые, по идее, можно было бы использовать подобным образом, такой защиты нет. Наконец, эти лекарства легко перевозить, для них не нужен холодильник, и они долго не портятся. Это особенно важно для развивающихся стран, где менталитет и уровень жизни скорее заставят купить телевизор или смартфон, чем холодильник, а климат весьма жаркий.

Не жди счастливого конца

Все, что касается болезней — темы опасные и неблагодарные. Мы пишем новости медицины и обзоры, касающиеся здоровья человека, заканчивая их неизменным «вот скоро это новое чудо-открытие спасет мириады жизней или хотя бы облегчит их». Факторов, которые могут помешать такому счастливому окончанию событий, не меньше, чем ждущих исцеления. Число лекарств и методов лечения, эффективных для животных, но провальных на стадии клинических испытаний, весьма значительно, и мы ничего не можем этому противопоставить. Таковы законы природы, если угодно. Однако суть не в том, чтобы оправдать надежды всех страждущих или обратить в свою веру приверженцев совсем уже нетрадиционных учений. Цель таких «обзоров будущего», как этот — показать, что ученые не стоят на месте и действительно делают все возможное на благо человечества. Невозможное, как известно, требует чуть больше времени, чем все остальное.

Литература

1. Alidad Amirfazli. (2007). Magnetic nanoparticles hit the target. Nature Nanotech. 2, 467-468;
2. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
3. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
4. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
5. Ruxana T. Sadikot. (2014). The potential role of nano- and micro-technology in the management of critical illnesses. Advanced Drug Delivery Reviews. 77, 27-31;
6. Jung-Jae Lee, Kyung Jae Jeong, Michinao Hashimoto, Albert H. Kwon, Alina Rwei, et. al.. (2014). Synthetic Ligand-Coated Magnetic Nanoparticles for Microfluidic Bacterial Separation from Blood. Nano Lett.. 14, 1-5;
7. Randall Toy, Lisa Bauer, Christopher Hoimes, Ketan B. Ghaghada, Efstathios Karathanasis. (2014). Targeted nanotechnology for cancer imaging. Advanced Drug Delivery Reviews. 76, 79-97;
8. Maxim P. Nikitin, Victoria O. Shipunova, Sergey M. Deyev, Petr I. Nikitin. (2014). Biocomputing based on particle disassembly. Nature Nanotech. 9, 716-722;
9. Elly van Riet, Akira Ainai, Tadaki Suzuki, Gideon Kersten, Hideki Hasegawa. (2014). Combatting infectious diseases; nanotechnology as a platform for rational vaccine design. Advanced Drug Delivery Reviews. 74, 28-34;
10. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц;
11. Липидный фундамент жизни;
12. Michael J. Hackett, Jennica L. Zaro, Wei-Chiang Shen, Patrick C. Guley, Moo J. Cho. (2013). Fatty acids as therapeutic auxiliaries for oral and parenteral formulations. Advanced Drug Delivery Reviews. 65, 1331-1339;
13. I. Lentacker, I. De Cock, R. Deckers, S.C. De Smedt, C.T.W. Moonen. (2014). Understanding ultrasound induced sonoporation: Definitions and underlying mechanisms. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 49-64;
14. Muna Aryal, Costas D. Arvanitis, Phillip M. Alexander, Nathan McDannold. (2014). Ultrasound-mediated blood–brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 94-109;
15. G. Orive, E. Santos, J.L. Pedraz, R.M. Hernández. (2014). Application of cell encapsulation for controlled delivery of biological therapeutics. Advanced Drug Delivery Reviews. 67-68, 3-14;
16. Kwang-Chul Kwon, Dheeraj Verma, Nameirakpam D. Singh, Roland Herzog, Henry Daniell. (2013). Oral delivery of human biopharmaceuticals, autoantigens and vaccine antigens bioencapsulated in plant cells. Advanced Drug Delivery Reviews. 65, 782-799.