Научная
деятельность
Университет ИТМО

Троянский конь для бактерий: ученые ИТМО приблизились к созданию систем доставки лекарств, учитывающих форму патогена

Исследователи создали системы доставки лекарственных препаратов на основе полых частиц карбоната кальция, напоминающие по форме бактерию E. coli K12. Такой подход может позволить в дальнейшем разработать носители, способные восприниматься патогенами, как собственные клетки, встраиваться в бактериальные биопленки и контролируемо высвобождать терапевтическое средство, когда это необходимо.

Работа ученых опубликована в журнале Chemical Communications, входящего в авторитетный Nature Index.

Карбонат кальция ― сравнительно простое и хорошо известное человеку вещество. Оно есть в меле, известняке, мраморе, входит в состав яичной скорлупы, а также зарегистрировано как белый пищевой краситель под номером Е170. В аптеках можно найти массу биологических добавок с этим веществом в составе.

«Мы разрабатываем материал под конкретную задачу, а именно ― для борьбы с бактериальными инфекциями, ― рассказывает инженер Химико-биологического кластера, аспирант Университета ИТМО Никита Серов. ― Карбонат кальция ― материал очень доступный, по нему много экспериментальных данных, он очень дешевый, его можно купить в любом химическом магазине. При этом он очень биосовместимый. Если мы вспомним, какие элементы у нас представлены в крови и других биологических жидкостях, то поймем, что кальций является одним из наиболее представленных ионов: он участвует в передаче нервных импульсов, в сокращении мышц. В то же время, карбонат-ионы, получающиеся при взаимодействии воды с растворенным углекислым газом, при взаимодействии с ионами кальция дают уже знакомый нам материал. По этой причине карбонат кальция нашему организму знаком, и очень давно».

Карбонат кальция. Источник: shutterstock.com
Карбонат кальция. Источник: shutterstock.com

Капсула в форме бактерии

Однако мало найти дешевый и биосовместимый материал, из которого можно сделать «носитель» для антибиотика или другого препарата. Нужно сделать так, чтобы вещество надежно удерживалось в нем пока не достигнет цели, и, напротив, легко «выгружалось», прибыв к месту назначения.

В крови человека веществу предстоит столкнуться с иммунными клетками, которые постараются избавиться от инородного объекта, попавшего в организм. Чтобы этому противостоять, разработчикам необходимо было проанализировать и найти идеальную форму и размер «носителя».

«Во множестве работ было показано, что форма объекта определяет, как на него среагируют иммунные клетки, ― объясняет Никита Серов. ― У нашего объекта, к примеру, очень большая поверхность. Чтобы иммунные клетки успешно атаковали объект, им нужно обхватить его. Большая площадь не позволяет им это сделать ― в результате иммунный ответ становится слабее, что позволяет избежать разрушения капсулы или побочных эффектов».

Иллюстрация из статьи. Источник: pubs.rsc.org
Иллюстрация из статьи. Источник: pubs.rsc.org

Микрокапсула имеет размер приблизительно 5 микрометров в длину и форму, схожую с формой бактерий, чем отчасти и вдохновлялись исследователи при разработке материала. Это позволяет ей свободно циркулировать по кровеносным сосудам к очагу инфекции, защищая антибиотик под сравнительно толстой оболочкой из карбоната кальция. Однако, прибыв к месту воспаления, капсула может быстро начать работать. Дело в том, что многие бактерии для своей жизни предпочитают локально закислять среду вокруг себя. Столкнувшись с повышенной кислотностью, капсула, нерастворимая в воде, начинает быстро разрушаться, моментально выпуская лекарство.

«У наших частиц достаточно немного растворить стенку, и содержимое выходит оттуда моментально, создавая большие локальные концентрации терапевтического вещества, в то время как обычно такие конструкции должны полностью раствориться, чтобы вышло всё лекарство», ― добавляет Никита Серов.

Антибиотик без антибиотика

Пока эксперименты с антибиотиками проведены в пробирках. Эффективность вещества проверяли на живых бактериях. Сейчас исследования продолжаются: в частности, ученые пытаются создать специальное покрытие, которое позволит капсуле избирательно прилипать к бактериям и более активно накапливаться в образуемых ими колониях, называемых биопленками, борьба с которыми и является одной из основных целей исследования.

Никита Серов
Никита Серов

Как отмечают ученые, это только первый этап работ. В будущем они планируют разработать капсулу для адресной доставки противобактериального вещества, не содержащего собственно антибиотика. Предполагается доставлять в биопленку вещество, которое не позволит ей расти ― после завершения жизненного цикла уже существующих в месте воспаления бактерий это должно привести к выздоровлению.

«Так как существуют и постоянно образуются устойчивые к антибиотикам штаммы, от антибиотиков желательно уходить, ― объясняет Никита Серов. ― Есть молекулы, которые мешают бактериям "общаться" друг с другом. Нарушая это "общение", они мешают бактериям образовывать биопленки, которые являются основной проблемой в месте воспаления. Их мы и планируем использовать в будущих исследованиях».

Статья: N.S. Serov, D.D. Darmoroz, A.V. Lokteva, I.Y. Chernyshov, E.I. Koshel, V.V. Vinogradov One-pot synthesis of template-free hollow anisotropic CaCO3 structures: towards inorganic shape-mimicking drug delivery systems. Chemical Communications, 2020/10.1039/D0CC05502F