Бактериальные инфекции, такие как пневмония, туберкулез и бронхит, представляют собой серьезную угрозу для здоровья. Традиционно для их лечения применяются антибиотики, однако эти препараты обладают существенными недостатками. При стандартном приеме в виде таблеток или инъекций лекарственное вещество распределяется по всему организму, что может приводить к недостаточному его содержанию в пораженных легких. Для достижения необходимого терапевтического эффекта требуется увеличение дозы или продление курса лечения, что, в свою очередь, может вызывать нежелательные побочные эффекты, например, негативное воздействие на печень, и, самое важное, способствовать формированию устойчивости бактерий к антибиотикам. Микроорганизмы приобретают способность нейтрализовать действие лекарственных средств, усложняя процесс лечения. Создание эффективных методов адресной доставки медикаментов непосредственно в пораженные органы является актуальной задачей современной медицины и фармацевтики. Один из таких подходов был разработан учеными Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ в сотрудничестве с коллегами из других научных учреждений. В числе разработчиков – профессор НИЯУ МИФИ Сергей Деев, студент НИЯУ МИФИ Данила Похоруков и выпускница МИФИ, сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН Ольга Грязнова.
Для доставки антибиотика рифампицина ученые предлагают использовать наноматериалы, известные как металло-органические каркасы (МОКС). Эти структуры можно сравнить с микроскопическими «конструкторами» или «губками», отличающимися исключительной пористостью.
Основой этой структуры служат ионы металла (в данном случае – хрома), а роль соединительных элементов выполняют органические молекулы-линкеры.
В структуру этих наногубок помещается значительное количество лекарственного вещества. Примечательно, что их способность к накоплению настолько велика, что масса антибиотика может быть больше массы самой частицы-носителя (в рамках этого исследования – до 127%).
Наночастицы, содержащие антибиотик, вводятся в кровоток. Главная особенность этих частиц заключается в их способности избирательно концентрироваться в тканях легких. В ходе эксперимента было установлено, что концентрация в лёгочной ткани в десять раз превышает концентрацию в других органах. Достигнув целевого участка, наночастицы начинают постепенно высвобождать лекарственное вещество, что обеспечивает продолжительное терапевтическое воздействие непосредственно в области инфекции.
«Капилляры легких – это наиболее мелкие кровеносные сосуды в теле человека, их диаметр составляет примерно 6-8 микрометров, что меньше, чем у эритроцитов, транспортирующих кислород. При разработке препаратов для воздействия на легкие обычно применяются частицы размером около 1000 нанометров, чтобы они задерживались в капиллярах. Однако, согласно результатам одного из наших предыдущих исследований, частицы МОКС, содержащие железо вместо хрома, демонстрируют быстрое накопление в легких, всего за 1-2 цикла кровообращения. Этот результат оказался неожиданным, поскольку частицы такого размера (100-200 нанометров) обычно преимущественно скапливаются в печени. Выяснилось, что все частицы МОКС в основном накапливаются в легких, что, вероятно, связано с их уникальной структурой и химическим составом, — пояснила Ольга Грязнова.
После достижения цели каркас начинает медленно высвобождать лекарственное вещество, что обеспечивает продолжительное терапевтическое действие непосредственно в месте инфекции. Попадая в кровоток, наночастицы стимулируют иммунную систему к их поглощению и уничтожению. МОКС на основе хрома отличаются высокой стабильностью и не подвергаются разрушению в кровотоке. Разрушение частиц должно происходить уже после их поглощения иммунными клетками в кислой среде лизосом.
Благодаря такому воздействию лекарственное средство проявляет активность в целевом месте, что способствует усилению его эффекта и потенциально позволяет уменьшить общую дозировку. Продлённое высвобождение обеспечивает длительное действие препарата, что имеет большое значение при терапии хронических инфекций. Кроме того, поскольку лекарство преимущественно скапливается в лёгких, его неблагоприятное воздействие на другие органы, такие как печень, сведено к минимуму.
Точное и целенаправленное лечение позволяет ускорить процесс выздоровления и препятствует развитию устойчивости у бактерий.
Результаты экспериментов, выполненных на клеточных культурах и животных, свидетельствуют о многообещающем потенциале и безопасности данной методики. Данное базовое исследование создаёт возможности для разработки инновационных и действенных антибактериальных средств, способных помочь пациентам, страдающим от тяжёлых заболеваний лёгких.
Ученые продолжают работу над изучением того, как МОКС попадают в легкие, как разрушаются и выводятся из организма. Эта работа может привести к созданию новых, более действенных антибактериальных лекарств, способных спасать жизни людей, страдающих от серьезных легочных инфекций. В будущем предполагается применение МОКС и в онкологии для лечения рака легких.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского научного фонда. Его итоги были доведены до сведения научного сообщества в публикации в международном журнале Biomedical Materials.