Ученые из МФТИ, НИЦ «Курчатовский институт», ИОХ РАН и ИПМех РАН разработали метод определения размеров и формы молекул полимеров в растворах на основе данных ядерного магнитного резонанса. Метод будет использован для развития физической химии растворов и медицины, в частности, для получения систем адресной доставки лекарств. Результаты исследований опубликованы в журнале Fluid Dynamics.
Исследования возможностей адресной доставки лекарств еще в конце XIX века начал Пауль Эрлих — основоположник химиотерапии, лауреат Нобелевской премии за работы в области иммунологии. Он хотел получить лекарственный препарат, который в организме избирательно убивает раковые клетки, но при этом не повреждает здоровые. Такой препарат Пауль Эрлих называл «волшебной пулей». Чтобы «волшебная пуля» поразила мишень, т.е. опухоль, необходимо вести работу в двух направлениях: синтезировать новые противоопухолевые лекарства и системы их адресной доставки к мишени с помощью управляемых носителей, например, других молекул или частиц.
С тех пор прошло более 100 лет, но вопрос создания «волшебной пули» не потерял своей актуальности. Наоборот, персонализированная медицина, под которой понимают методы диагностики и лечения человека с учетом его индивидуальных особенностей, является приоритетным направлением научно-технологического развития России. Выход медицины на новый передовой уровень во многом зависит от ученых-химиков, занимающихся разработкой способов адресной доставки лекарств.
Коллектив ученых из четырех ведущих научных организаций России: МФТИ, НИЦ «Курчатовский институт», ИОХ РАН и ИПМех РАН — работает над созданием биоразлагаемых наноконтейнеров, в которые будут помещены лекарственные средства. Необходимо, чтобы строение и состав материала защитного контейнера обеспечивали перемещение и контролируемое высвобождение лекарств в определенных тканях организма в нужный момент времени, причем сам материал контейнера оставался химически инертным в ходе взаимодействия лекарств с биологическими жидкостями и клетками. Иными словами, наноконтейнер должен доставлять лекарства к больному органу, но не мешать процессу лечения.
Один из этапов синтеза материала для наноконтейнера — это отбор молекул полимера, принимающих в заданном растворителе линейную, т.е. стержневую, форму. Для решения данной задачи ученые разработали метод, позволяющий на основе данных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) о диффузионной подвижности растворенного полимера определять форму и размеры его молекул. Следует пояснить, что явление ЯМР наблюдается при взаимодействии внешнего магнитного поля с магнитным полем ядра какого-либо атома, число протонов и нейтронов в котором не является четным. Например, на ЯМР-спектрах у водорода регистрируется пик, а у дейтерия — нет.
Для отработки методики отбора молекул ученые исследовали двухкомпонентную систему, в которой растворителем является дейтерохлороформ CDCl3, а растворенным веществом — полиэтиленгликоль HO-(CH2-CH2-O)10-H.
«Выбор именно такого растворителя, а не традиционно применяемого хлороформа CHCl₃, продиктован тем, что в разработанном нами методе улавливается сигнал от протонов, входящих в состав растворенных молекул полимера», — поясняет Александр Максимычев, профессор кафедры общей физики МФТИ.
Ученые отмечают, что использование полиэтиленгликоля, молекулы которого состоят из 10 звеньев, в свою очередь, связано с тем, что молекула с малым числом звеньев, как правило, линейная, а с большим — шарообразная.
«Для измерения коэффициента диффузии молекул полиэтиленгликоля в дейтерохлороформе применялась специальная методика, в которой в зависимости от времени измерялся спад интенсивности сигналов спинового эха», — говорит Валерия Иванова, младший научный сотрудник лаборатории фотоники квантово-размерных структур МФТИ.
Спиновое эхо — это спонтанное возникновение сигнала ЯМР и электронного парамагнитного резонанса после подачи на образец последовательности импульсов радиочастотного поля. Коэффициент диффузии — это количественная характеристика скорости самопроизвольного перемещения частиц вещества, в ходе которого концентрация по всему занимаемому объему выравнивается.
В ходе исследований ученые установили, что затухающий сигнал спинового эха от растворенных шарообразных макромолекул описывается одним слагаемым, экспоненциально убывающим со временем. Если молекула имеет форму стержня, то затухающий сигнал спинового эха содержит уже два экспоненциальных слагаемых, соответствующих двум коэффициентам диффузии, которые различаются примерно в два раза. Это обусловлено тем, что при мольной доле стержнеообразных молекул полиэтиленгликоля в растворе большей 0,05 длина молекул превышает расстояние между их центрами и вращение становится затрудненным.
Зависимость величин коэффициентов диффузии D1 и D2 от мольной доли линейных молекул полиэтиленгликоля, растворенных в дейтерохлороформе. Источник: Fluid Dynamics.
Можно ожидать, что разработанный метод определения размеров и формы молекул, кроме применения в медицине, будет полезен для развития физикохимии растворов. В перспективе метод позволит исследовать более сложные полимерные системы, например, алифатические лигандные оболочки нанокристаллов и мицеллы — частицы в коллоидных растворах.
Работа проведена при частичной поддержке гранта Российского научного фонда № 23-19-00451.
