Сопровождение грузов

Необычно большие неорганические молекулы — полиоксометаллаты — могут лечь в основу новых систем пролонгированной доставки лекарств. Гигантские комплексы из атомов переходных металлов и кислорода способны модифицировать структуру гидрогелей так, чтобы обеспечить медленное и равномерное высвобождение помещенных в гель препаратов. Вместе с УрФУ рассказываем, как на основе полиоксометаллатов строят системы, которые в будущем составят конкуренцию бинтам и уколам.

Вовремя и не больно

Терапия многих заболеваний и состояний часто осложняется не отсутствием лекарств, а несовершенными методами их доставки в организм. Сегодня эффективные гормональные и антиретровирусные препараты способны надолго продлить срок жизни людям с диагнозами, которые раньше считались приговором. Однако их постоянный прием сложно контролировать, особенно когда речь идет о детях, да и сами по себе инъекции — очень неприятная процедура.

Решить или хотя бы облегчить эту проблему можно с помощью устройств пролонгированной доставки лекарств. Они выглядят по-разному: например, как обычные таблетки или капсулы, в которые действующее вещество помещается так, чтобы препарат высвобождался постепенно. Давно используются мембранные полимерные имплантаты, постепенно высвобождающие препарат на слизистые оболочки, и подкожные импланты, поставляющие действующее вещество в кровь. Существуют также пластыри с микроиглами для пролонгированной трансдермальной доставки лекарств.

Одна из наиболее распространенных концепций таких устройств — биосовместимые гидрогели с начинкой из лекарства. Гель вводят под кожу, где жидкости тела постепенно проникают в его поры, вымывая или химически высвобождая препарат.

Управление свойствами

Главная задача создателей гидрогелевых устройств для пролонгированной доставки лекарств — научиться управлять скоростью высвобождения препарата. Она должна быть не слишком быстрой и постоянной в течение всего срока действия устройства. Для этого ученые учатся создавать гидрогели с заданными характеристиками. Одно из решений для управления их свойствами — темплаты. Это объекты (большие молекулы, наноразмерные кластеры или кристаллы, надмолекулярные ансамбли, такие как мицеллы или комплексы белков), способные задавать структуру своему окружению. За счет межмолекулярных взаимодействий полимерные молекулы, из которых состоит гель, определенным образом организуются вокруг темплата.

В качестве темплатов могут выступать различные структуры, как правило обладающие устойчивой геометрией и при этом достаточно активные, чтобы образовывать межмолекулярные связи со своим окружением. В качестве темплатов используются как эмульсии органических молекул, скажем ПАВы, так и неорганические структуры. В гидрогелевых химических сенсорах, например, применяются кремниевые частицы, вокруг которых определенным образом выстраивается матрица органического полимера. 

Особый интерес для создателей гелей представляют большие молекулы сложной, но управляемой геометрии, имеющие текстурированную поверхность, которую можно модифицировать за счет: 

• ковалентных связей;
• водородных связей; 
• ван-дер-ваальсовых взаимодействий; 
• хаотропного эффекта, связанного с нарушением водородных связей в водном растворителе. 

К таким объектам относятся нанокластерные полиоксометаллаты, достигающие в диаметре порядка трех нанометров.

Металлические великаны

В школьном курсе химии рассказывают, что неорганические молекулы обычно небольшие, а органические, наоборот, могут состоять из сотен и даже тысяч атомов. Полиоксометаллаты (ПОМ) — исключение из правил: это неорганические соединения, состоящие иногда из сотен атомов (самый большой ПОМ — Мо₃₆₈, он имеет форму лимона или мяча для регби). В их состав входят атомы переходных металлов (чаще всего говорят о соединениях молибдена, ванадия, железа, вольфрама), кислорода и меньшего количества атомов других неметаллов — например, серы, фосфора, кремния, мышьяка и др. Это одни из самых крупных известных неорганических молекул.

Некоторые полиоксометаллаты были выделены еще двести лет назад (классический пример — молибденовые сини, группа полиоксомолибдатов), однако к расшифровке их молекулярной структуры приступили только в 30-е годы XX века, и только к 90-м годам, используя методы рентгеновского анализа, ученые из Билефельдского университета в Германии получили их точные структурные модели. Выяснилось, что огромные (по меркам неорганической химии) полиоксометаллатные молекулы — или, как их еще называют, макроанионные кластеры — представляют собой объекты сложной, но устойчивой геометрии, возникающие в процессе самосборки в водных растворах.

В зависимости от условий полиоксометаллаты собираются в структуры разной величины и формы. Вместе с выраженной активностью в окислительно-восстановительных реакциях устойчивая и разнообразная геометрия сделала исследование ПОМ перспективным направлением современной химии. На их основе предлагают создавать химические сенсоры, катализаторы, умные материалы, а еще системы пролонгированной доставки лекарств.

Путь первый: зафиксировать, доставить, высвободить

В лаборатории функционального дизайна нанокластерных полиоксометаллатов УрФУ исследуют различные способы обратимой иммобилизации препарата в гидрогеле с помощью полиоксометаллатов.

«Первый способ связан с электрическим связыванием биоактивных молекул в катионной форме с поверхностью наноразмерных ПОМ, — рассказывает заведующий лабораторией Кирилл Гржегоржевский. — Наши ПОМ — это анионные кластеры, поэтому они способны электростатически связываться с частицами, несущими положительный заряд. С одной стороны, такой подход позволяет выбрать любую катионную молекулу для доставки, а с другой — есть много препаратов в некатионной форме, и это выступает как ограничивающий фактор». 

В условиях рН, близкого к физиологическому значению для человека (7,4) некоторые полиоксометаллаты постепенно разрушаются и высвобождают препараты, которые были с ними связаны. Некоторых успехов группа Гржегоржевского добилась совсем недавно: им удалось иммобилизовать противоопухолевый препарат-цитостатик доксорубицин на поверхности железо-молибденового полиоксометаллата со структурой кеплерата {Mo₇₂Fe₃₀}. При pH=7,4, характерном для человеческой крови, наблюдалось постепенное разрушение комплекса и высвобождение препарата, который затем вступал во взаимодействие с ДНК, выполняя свою цитостатическую функцию.

На поверхности полиоксометаллатов можно фиксировать не только лекарства, но и другие вещества — например, катионные красители, которые послужат индикаторами освобождения ПОМ от «нагрузки». В экспериментах, проведенных лабораторией УрФУ, хорошо показал себя комплекс c флюоресцирующим красителем родамином Б. Изменение окраски гидрогеля по мере разрушения ПОМ в присутствии красителя, связанного с полимерной матрицей материала, в будущем можно будет использовать как индикатор выхода лекарства, оценивая его остаточную концентрацию и подсказывая, когда нужно заменить гидрогель, объясняет Гржегоржевский.

Гибкая структура гидрогеля, состоящая из полимерных волокон, позволяет дополнительно стабилизировать ПОМ и сделать его рН-зависимое разрушение более постепенным. Кроме того, попадая в гидрогель, ПОМ ведут себя как темплаты, то есть влияют на взаимное расположение окружающих полимерных нитей, управляя в том числе проницаемостью геля для жидкостей. А гель, в свою очередь, продлевает срок жизни ПОМ и его комплекса с лекарством или красителем: он разрушается не сразу, а по мере проникновения жидкости в поры геля.

Путь второй: спрятать в пироге

За счет электростатического притяжения на поверхности полиоксометаллата можно закрепить только молекулы лекарств, обладающих определенным распределением зарядов. Это сильно сужает круг препаратов, которые можно использовать подобным образом. Но есть и второй способ: можно создать универсальный носитель, на котором надежно разместятся произвольные молекулы, с тем чтобы постепенно высвободиться при кислотности и температуре человеческого тела.

Первые шаги к созданию такого универсального носителя уже делаются в лаборатории УрФУ. Описание разработки еще готовится к публикации, но Кирилл Гржегоржевский рассказал N + 1 об общих принципах ее работы. Концепция предполагает размещение ПОМ и полезной нагрузки в ячейках между взаимопроникающими полимерными сетками. Часть сеток изготавливают из полиакриламида, часть — из хитозана.

Чистый хитозан с ПОМ образует нерастворимые комплексы, которые выпадают в осадок. Второй полимер — полиакриламид — помогает этого избежать и сохранить гелевую структуру. ПОМ и лекарственный препарат оказываются между полимерными сетками, как начинка пирога между тестом.

Когда вся конструкция — с полимерными сетками, полиоксометаллатом и лекарством — попадает в организм, в гель начинает постепенно проникать жидкость с высоким pH. В щелочной среде ПОМ нестабильны; они разрушаются и выходят из полимерной структуры, оставляя поры. Постепенно проницаемость геля увеличивается, и в поры попадает жидкость, которая увлекает с собой препарат. Такой способ доставки не требует специфического взаимодействия ПОМ с лекарством, важна только его способность разрушаться при определенной кислотности.

Одежда для ран

Способность ПОМ задавать структуру окружающего геля интересна как сама по себе, так и в свете возможных медицинских применений. Гидрогели с полиоксометаллатами могут стать основой имплантов, медленно высвобождающих лекарство, а могут найти применение в качестве заживляющих пластырей для ран и ожогов, в англоязычной литературе известных как wound dressings.

По словам Кирилла Гржегоржевского, отдельный интерес представляют многослойные гелевые структуры, нагруженные разными препаратами и постепенно высвобождающие их на пораженные участки тела. Такие сложно устроенные заплатки могут доставлять к поврежденным тканям антисептики, обезболивающие, противовоспалительные препараты, одновременно защищая рану или ожог от ультрафиолета, высыхания или механических воздействий.

Сейчас в разработке в лаборатории Гржегоржевского находится многослойный материал для пролонгированной доставки биоактивных веществ к поврежденным участкам. Предполагается, что слоев у материала будет четыре:

1. Терминальный слой, обращенный к коже, который имитирует структуру внеклеточного матрикса и служит высвобождению анестетиков и антибиотика.
2. Слой, предотвращающий преждевременное высвобождение препаратов из третьего слоя.
3. Слой, содержащий вещества, способствующие регенерации на более позднем этапе заживления.
4. Защитный слой, предохраняющий рану от высыхания, ультрафиолета, грязи, вирусных частиц, бактерий и механических повреждений.

Для того чтобы такие материалы появились, ученым предстоит сначала опробовать работоспособность начиненных лекарствами гелей in vitro. Для этого приходится решать и почти инженерные задачи. Группа Гржегоржевского адаптировала технологию синтеза биосовместимого полиакриламида — без использования токсичных инициаторов полимеризации, которые делают готовый продукт опасным для здоровья. Вместо обычно применяемого в промышленности персульфата аммония в УрФУ используют безвредный витамин B — рибофлавин.

«Одно из преимуществ такого подхода к созданию систем пролонгированной доставки заключается в том, что все компоненты по отдельности биосовместимы, — объясняет Гржегоржевский. — Хитозан абсолютно безвреден, полиакриламид, полученный по нашей технологии, не содержит токсичных остатков реагентов. Биологическая активность полиоксометаллатов неплохо изучена; показано, что это малотоксичные вещества. Мне кажется, что сконструированные из таких компонентов материалы имеют большую вероятность найти применение в медицине».