Ученые из МФТИ вместе с коллегами из Канады разработали процесс получения лекарств на основе наночастиц из биосовместимых, биоразлагаемых и экономически доступных реагентов. Препараты имеют длительный период удержания в суставах. Внутрисуставные инъекции этих лекарств могут стать надежной альтернативой операциям по эндопротезированию. Результаты исследований опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Под остеоартритом понимают группу хронических заболеваний суставов, при которых страдает хрящ, суставная сумка, связки и околосуставные мышцы. Поражает остеоартрит в основном крупные суставы: коленные, тазобедренные и суставы позвоночника. Согласно статистическим данным, остеоартритом болеет примерно 10 % населения земного шара, т.е. более 800 млн человек.
Терапия остеоартрита комплексная, при тяжелом течении включает в себя внутрисуставные инъекции раствора гиалуроната натрия — натриевой соли гиалуроновой кислоты, нашедшей также широкое применение в косметологии. Гиалуронат натрия выступает протезом синовиальной жидкости. Синовиальная жидкость — это биологическая жидкость внутри сустава, необходимая для смазки и амортизации. Терапевтический эффект достигается, если регулярно повторять курсы лечения, потому что препараты быстро выводятся из организма. Для решения данной проблемы ученые из МФТИ вместе с коллегами из Канады занимаются исследованиями лекарств на основе наночастиц с длительным периодом удержания в суставах.
Софья Морозова, участник исследования. Фото Анастасия Каплина
Сначала ученые выделили наночастицы фитогликогена размером 40,9 ± 7,3 нм. Следует пояснить, что фитогликоген — это разветвленный полисахарид, содержащийся в зернах сладкой кукурузы и сходный по строению и свойствам гликогену животного происхождения, который накапливается в мышцах и печени и служит энергетическим запасом для организма. Затем ученые синтезировали углеродные наночастицы или углеродные квантовые точки, которые получили свое название благодаря размеру, близкому к длине волны электрона, а именно 1—10 нм.
После получения была выполнена функционализация наночастиц, т.е. закрепление на их поверхности аминогрупп —NH2. Источником аминогрупп выступал спермин — алифатический полиамин, содержащийся во всех клетках, имеющих ядро, в частности, в клетках человека, животных и растений. Процесс функционализации трудоемкий: занимает 5 суток, требует нагрева до 45 °C, работы со спиртами — этанолом и метанолом, центрифугирования и сублимационной сушки, т. е. удаления воды путем фазового перехода изо льда сразу в пар, минуя жидкое состояние.
Следующим шагом являлась конъюгация или сцепление наночастиц фитогликогена и углерода за счет адгезионных сил. Для этого углеродные квантовые точки активировали в растворах производных карбодиимида и пирролидина при pH = 5. Непосредственно конъюгация проводилась в темноте, по истечении часа к смеси добавляли гидроксид натрия до достижения pH ≈ 9. После этого смесь разделяли на составляющие с помощью мембранного метода и проводили сублимационную сушку.
Финальным этапом работы ученых стало исследование строения и свойств полученных конъюгантов — структур, представляющих собой комбинацию наночастиц углерода и фитогликогена с закрепленными на поверхности аминогруппами. Для того чтобы результаты были достоверными, опыты проводились в условиях, максимально приближенных к естественным, т. е. к тем, в которые попадает препарат при введении в организм. Методы исследований, требующие стабилизации либо кристаллизации, не использовались.
Размер конъюгантов, определенный методом криоэлектронной микроскопии в ультратонком слое аморфного льда, составил 43,1 ± 6,6 нм (Рисунок 1). Спектрофотометрические исследования (Рисунок 2) показали, что излучение с длиной волны менее 400 нм конъюганты поглощают и рассеивают сильнее, чем углеродные квантовые точки. Пик поглощения света у конъюгантов наблюдается при длине волны 532 нм, тогда как у углеродных квантовых точек — при 555 нм.
Рисунок 1. Изображение конъюгантов, наночастицы фитогликогена — углеродные квантовые точки, полученное методом криогенной просвечивающей электронной микроскопии. Источник: Advanced Functional Materials.
Рисунок 2. Спектры поглощения (черный цвет) и фотолюминесценции (красный цвет) углеродных квантовых точек (пунктирная линия) и конъюгантов, наночастицы фитогликогена — углеродные квантовые точки (сплошная линия). Источник: Advanced Functional Materials.
«Полученные конъюганты выдерживают внутрисуставное давление, равное 0,5—5,0 МПа, обеспечивают низкий коэффициент трения суставных поверхностей, лежащий в диапазоне 10-3 —10-2, и удерживаются хрящом за счет электростатических сил, — поясняет Софья Морозова, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ. — Углеродные квантовые точки, функционализированные аминогруппами, выступают метками, светящимися в красной области спектра, что позволяет отслеживать процессы, происходящие с лекарственным препаратом с момента поступления и до выведения из организма».
Для определения периода удержания конъюгантов в суставе ученые ставили опыты на 8-недельных мышах-самцах. Им делали инъекцию в коленный сустав и наблюдали за состоянием. Было установлено, что конъюгант выводится из организма мыши на 13 сутки, тогда как гиалуронат натрия — уже на 4 сутки (Рисунок 3).
Рисунок 3. Изображения коленных суставов мышей после внутрисуставной инъекции препаратом на основе: гиалуроната натрия (слева, в зеленой рамке) и конъюгантов, наночастицы фитогликогена — углеродные квантовые точки (справа, в красной рамке). Источник: Advanced Functional Materials.
Следует подчеркнуть, что фитогликоген и углеродные квантовые точки являются биосовместимыми и биоразлагаемыми, а их применение в фармацевтической отрасли — экономически выгодным. Можно ожидать, что в ближайшем будущем внутрисуставные инъекции препаратов на основе полученных учеными конъюгантов станут надежной альтернативой операциям по эндопротезированию.
