Курьер внутри тела: как нанокапсулы с умными лекарствами изменят медицину

Обычный ультразвуковой аппарат может распечатывать «посылку с лекарствами» в нужном месте организма. Все, что необходимо — технология создания нанокапсул, описанная в научном журнале Frontiers in Molecular Biosciences.

Огонь по площадям 

Представьте, что руководитель сообщает: у нас заболел сотрудник, поэтому с сегодняшнего дня все должны лечиться от его заболевания. Не важно, что вы здоровы, мы — команда и страдать будем вместе. Абсурд? Нет, всего лишь метафора традиционной лекарственной терапии. Если в дружном коллективе, именуемом человеческим организмом, заболевает один сотрудник-орган, достается всем. 

Допустим, вы пьете таблетки от кашля, разжижающие мокроту. Из пищеварительного тракта препарат всасывается в кровь и разносится кровотоком по всему организму. От него требуется только попасть в бронхи. Но помимо этого он оказывается в сердце, печени и левой пятке. Мозг защищен от непрошенных гостей гематоэнцефалическим барьером, но некоторые вещества проникают даже туда.

У любого серьезного препарата длинный список возможных побочных эффектов. Львиная доля этих эффектов связана с действием не на тот орган, которому требуется лечение. Более того, сухое утверждение «от этой болезни нет лекарств» довольно часто означает «лекарства есть, но их побочное действие на организм страшнее болезни».

Посылка по адресу

Множество научных групп по всему миру работает над адресной доставкой лекарств к «больному месту». Это непростая задача, если мы не собираемся вонзать иглы во внутренние органы пациента. При глотании или инъекции препарат попадает в кровь и с ней разносится по всему организму. Как сделать, чтобы он срабатывал только там, где надо?

Одно из возможных решений — создать для лекарства упаковку, которая разрушается только в ответ на сигнал. Таким сигналом может быть, например, ультразвук. Ультразвуковые лучи можно сфокусировать глубоко внутри тела с точностью до миллиметров. Кроме того, ультразвук давно используется в медицине и при должном применении считается безопасным. 

Хотя капсулы с лекарством разносятся по всему телу, они открываются только в фокусе ультразвуковых лучей. В остальном организме нераспечатанные посылки постепенно съедают иммунные клетки-макрофаги. Макрофаги предназначены для уничтожения бактерий, погибших клеток, твердых частиц и прочего микроскопического мусора. Клетка обволакивает «жертву» и разлагает ее особыми веществами. Предполагается, что лекарство из капсулы при этом будет разрушено и не попадет в кровь.

Так, во всяком случае, гласит теория. На практике трудно создать микроскопическую упаковку, которая эффективно разрушается ультразвуком, но при этом остается стабильной без его воздействия.

Заверните в полимер

Авторы новой статьи создали капсулы диаметром в десятые доли микрометра. Стенка контейнера состоит из биосовместимого полимера PEG:PDLLA. Капсула заполнена лекарством, смешанным с жидкими перфторуглеводородами (ПФУ) — соединениями углерода и фтора. Ультразвук превращает ПФУ в газ. Давление газа распирает капсулу изнутри, и в стенке появляются поры, через которые изливается лекарство.

Эта идея не нова, но другие научные группы использовали ПФУ с низкой температурой кипения — обычно даже ниже температуры человеческого тела. Такие жидкости как бы остановились в шаге от превращения в газ. Ультразвук нарушает равновесие, испаряя жидкость.

Проблема в том, что столь хрупкое равновесие могут нарушить и другие факторы. Авторы обнаружили, что капсулы с низкокипящими ПФУ даже при комнатной температуре всего за сутки увеличиваются в объеме более чем вдвое. За их стабильность внутри человеческого тела поручиться невозможно.

Авторы новой работы первыми решили использовать ПФУ с температурой кипения 142°C. Заполненные им капсулы увеличивались на считанные проценты в сутки.

Но испарит ли  ультразвук столь стабильное вещество? Авторы проверили это в экспериментальной установке. Капсулы были погружены в органическую жидкость гексан. Экспериментаторы загружали наноконтейнеры тремя препаратами: анестетиками пропофолом и кетамином и иммунодепрессантом мотефилом микофенолата. Все три препарата выделялись в окружающую жидкость под действием ультразвука частотой 300 килогерц и не выделялись без ультразвука.

Подчеркнем, что этот опыт проходил «в пробирке», а не живом организме. Кровь, насыщенная разнообразными белками и клетками — гораздо более сложная среда, чем гексан. Эффективность ноу-хау еще предстоит проверить на животных.

Пока же авторы частично подтвердили безопасность своей методики. В течение шести недель они еженедельно вводили нанокапсулы с пропофолом макаке-резусу. Обезьяну не облучали ультразвуком. Экспериментаторы хотели убедиться, что капсулы не деградируют в организме и не выделяют препарат сами по себе.

Пропофол — сильный седативный препарат, он резко меняет поведение приматов. Однако обезьяна вела себя как обычно. Ни один из биохимических показателей крови также не выявил попадания в организм посторонних веществ. Это обнадеживает, хотя эксперимента на одном животном недостаточно для уверенных выводов.

Логистические решения

Адресная доставка лекарств — огромная область исследований, и использование ультразвука — лишь одно из ее направлений. Многие ученые работают над созданием наноконтейнеров из белков и жироподобных веществ липидов. Такие наночастицы по сути копируют природные объекты — вирусы. Подобно вирусам, они могут быть избирательно нацелены на клетки определенных органов и тканей. Так, вирус энцефалита поражает нервные клетки, ВИЧ — иммунные, а «простудные» вирусы предпочитают эпителий органов дыхания. Для распознавания целевых клеток и проникновения в них у вирусов есть специальные белки-рецепторы. Теоретически можно скопировать этот биохимический механизм, нагрузив оболочку лекарством вместо вирусной ДНК. На практике это, разумеется, сложная задача.

Есть и более экзотические идеи. В 2019 году ученые испытали на мышах любопытную методику. После голодания животные глотали порцию микроскопических шариков, и те двигались по пустому пищеварительному тракту естественным путем. Экспериментаторы следили за движением с помощью специальной техники. Когда устройства достигали нужного участка, их активировали лучом инфракрасного лазера, хорошо проникающим сквозь живые ткани. Капсулы прилипали к стенкам кишечника и высвобождали лекарство. Метод мог бы подойти для точечной терапии опухолей кишечника, но другие органы так, конечно, не вылечить. Другие ученые разрабатывают металлических микророботов, управляемых магнитным полем.

Ни одна из множества многообещающих идей пока не вошла в медицинскую практику. Но судя по упорству, с которым ученые работают над адресной доставкой лекарств, она обязательно станет частью медицины XXI века. И тогда традиционный для нынешней терапии «огонь по площадям» станет таким же анахронизмом, как кровопускание.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора