Биоразлагаемый имплантат с лекарствами от ВИЧ испытали на мышах
Американские ученые разработали первый биоразлагаемый имплантат с лекарствами от ВИЧ и испытали его на мышах. Имплантат необходимо вводить в жидком виде под кожу, где он застывает с лекарством внутри, а затем медленно разлагается и высвобождает лекарство в кровь. Исследователи проверили, что имплантат остается в рабочем состоянии по меньшей мере в течение года и поддерживает в крови мышей постоянную концентрацию противовирусных лекарств. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Для борьбы с ВИЧ разработано уже несколько поколений антиретровирусных препаратов, и многим людям они помогают держать инфекцию под контролем. Но для того, чтобы лекарства оставались эффективными, необходимо принимать их регулярно — и каждый случай, когда пациент забыл или не смог принять лекарство, ослабляет защиту организма против вируса.
Чтобы облегчить жизнь ВИЧ-инфицированным людям, Рахима Бенхаббор (Rahima Benhabbour) с коллегами из Университета Северной Каролины в Чапел Хил разработали долгосрочный имплантат.
В его основе лежат два вещества: органический растворитель N-метил-2-пирролидон (NMP) и полимер поли(DL-лактид-ко-гликолид) (DLGA). Когда их смесь помещают в раствор, NMP проникает в него, концентрация DLGA возрастает, и материал затвердевает. Таким образом, можно инъецировать смесь под кожу пациенту, и твердый имплантат образуется там самостоятельно. Если же в состав смеси входит лекарство, то оно застывает внутри полимера.
Для экспериментов ученые отобрали 14 антиретровирусных препаратов. Из них шесть оказались достаточно хорошо растворимы в MLP, чтобы войти в состав имплантата. Примечательно, что в эти шесть лекарств попали препараты из разных классов: блокаторы вирусной протеазы, интегразы и обратной транскриптазы.
Исследователи проверили, что все эти препараты хорошо растворимы в смеси и не разлагаются в растворе со временем. Чтобы подтвердить, что лекарства выдерживают длительное хранение, их проверяли на культуре клеток, зараженных ВИЧ: в них они сохраняли свою активность.
Затем исследователи начали создавать из смеси настоящие имплантаты. Сначала смесь вводили в обычный фосфатный буфер, чтобы проследить за процессом застывания полимера: лекарства действительно оказывались внутри него. Со временем полимер растворялся, а структура имплантата и скорость деградации зависела от соотношения NMP и DLGA в смеси. Чем выше была концентрация NMP, тем более равномерно лекарство было распределено внутри полимера, и тем быстрее разлагался сам полимер.
Наконец, препарат проверили на животных — иммунодефицитных мышах. Ученые ввели мышам смесь подкожно и измеряли концентрации препарата в течение нескольких месяцев. Они обнаружили, что концентрация лекарств в крови резко снижается в первые дни после инъекции, а затем стабилизируется и остается почти неизменной в течение периода от нескольких месяцев до года.
У нескольких животных исследователи извлекли имплантат 4 месяца спустя, чтобы продемонстрировать, что его можно безопасно удалить, а концентрации препаратов после этого снижаются. Это может быть полезно в случае полной отмены лечения или перехода на новую схему.
Таким образом, новый имплантат показал свою способность снабжать организм животного лекарством в течение года. Более того, ученые попробовали загрузить в него три препарата одновременно в разных количествах — и все они высвобождались в кровь в ожидаемых концентрациях. Это может стать решением для комплексной терапии, когда врач назначает несколько лекарств сразу, чтобы вирус не приобрел устойчивость к одному из них.
Ранее ученые уже создавали разные варианты имплантатов: например, с помощью 3D-печати предлагали подбирать форму имплантата под схему лечения и порядок высвобождения препаратов.
Полина Лосева
Но увеличиться в размерах им не удалось
Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре. Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10−8 против 3,13 × 10−8 (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально). Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ22 = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила. Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались. Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки. Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы. В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.