Skafandras vaistams ir vakcinoms. Mokslininkai pralaužė kliūtis link pažeistų ląstelių

VILNIUS, sausio 6 — Sputnik. Esant daugeliui pavojingų ligų, tame tarpe vėžiui, vaistas turi būti tiekiamas tiesiai į ląstelę. Tai taip pat taikoma vakcinoms, kuriomis siekiama sukurti T ląstelių imunitetą, rašoma RIA Novosti straipsnyje.

Tačiau patikima kliūtis kliudo viskam, kas svetima organizme. Apie tai, kaip mokslininkams pavyksta jas apeiti ir nukreipti gydomąsias molekules kur tik reikia, Jaunimo suvažiavime pasakojo Šiaurės Karolinos universiteto Vaistų pristatymo nanotechnologijų centro ir Nanomedicinos instituto direktorius profesorius, Maskvos valstybinio Lomonosovo universiteto Bionanomedžiagų cheminio projektavimo laboratorijos vadovas Aleksandras Kabanovas.

RNR liposomose

Daugelis retų genetinių ligų atsiranda dėl genų, koduojančių baltymus, irimo. Į ląstelę patekus koreguotai DNR ar RNR, paciento būklė gali palengvėti arba visiškai išgyti. Būtent tai daro genų terapija.

Ląstelę supa neigiamo krūvio lipidinė membrana, pro kurią DNR ir RNR molekulės negali prasiskverbti pačios: jos yra labai didelės, taip pat neigiamai įkrautos. Yra du sprendimai – naudoti dirbtinius virusus arba sintetinti nevirusinius nešiklius.

1985 metais amerikiečių mokslininkas Philipas Felgneris pasiūlė nukleino rūgščių tiekimą į ląstelę naudojant katijoninius lipidus. Idėja buvo supakuoti DNR arba RNR į liposomas – skysčiu užpildytas sferines daleles, kurių skersmuo mažesnis nei 100 nanometrų. Jų apvalkalas susideda iš hidrofobinių organinių molekulių – lipidų.

Teigiamai įkrauti katijoniniai lipidai sąveikauja su neigiamo krūvio DNR arba RNR grandine ir suspaudžia ją į kompaktišką struktūrą. O ląstelės membrana sulaiko nanodaleles iš aplinkos.

Paaiškėjo, kad jei neigiamas DNR molekulės krūvis bus neutralizuotas, ji spontaniškai susilankstys į toroidinę dalelę. Tai patogu pristatyti. Sulenkti RNR molekulę yra daug sunkiau, be to, ji yra labai nestabili. RNR molekulės į ląstelę buvo pristatytos 1989 m. Tačiau problema buvo išspręsta tik iš dalies. Mechanizmas gerai veikė mėgintuvėlyje, bet ne gyvame organizme.

Visų pirma, katijoninės liposomos buvo toksiškos. Antra, organizme esantys fermentai skaido DNR ir RNR, kurios yra prisirišusios prie liposomų iš išorės. Atsakymo buvo ieškoma apie du dešimtmečius. Pamažu įvairiose laboratorijose pradėti naudoti katijoniniai lipidai, kurie įgyja krūvį tik rūgščioje terpėje.

Tai sumažino toksiškumą. Nukleino rūgšties molekulė buvo patalpinta nanodalelės viduje, taip apsaugodama ją nuo sunaikinimo. Lipidų pagrindu pagaminti nanovektoriai.

Kita problema – labai stiprus imuninis atsakas į sintetinę RNR. Kad patekusi į organizmą nesuirtų, ją reikia chemiškai modifikuoti. Šią technologiją sukūrė Katalin Karikó iš "BioNTech" ir Drew Weissman'as iš Pensilvanijos universiteto. 2018 metais JAV patvirtino pirmąjį RNR pagrindu pagamintą nanopreparatą patisiran. Jį sukūrė "Alnylam Pharmaceuticals", siekdama gydyti retą paveldimą sutrikimą – amiloidinę polineuropatiją – slopindama baltymo transtiretino sintezę.

Prasidėjus COVID-19 pandemijai, šios technologijos padėjo greitai sukurti mRNR vakcinas nuo koronaviruso ir sukurti masinę gamybą: "Pfizer / BioNtech" ir "Moderna" jau pagamino daugiau nei tris milijardus šių vaistų, kurie naudojami beveik 160 pasaulio šalių.

Tokiose vakcinose nešančioji RNR molekulė yra uždaryta keturių junginių lipidinėje membranoje. Tai teigiamai įkrautas katijoninis lipidas, neutralus fosfolipidas, cholesterolis, kuris stabilizuoja visą šį agregatą, ir lipidas su polietilenglikoliu – ilgu "plaukuotu" elementu, neleidžiančiu dalelėms sulipti.

Polietilenglikolis plačiai naudojamas medicinoje ir kosmetikoje – pavyzdžiui, kremuose. Organizmas susikuria prieš jį imunitetą: Vakaruose antikūnų jau turi 80 procentų gyventojų. Mokslininkai baiminasi, kad mRNR vakcinos dėl to taps mažiau veiksmingos, ypač jas naudojant pakartotinai. Vienas iš sprendimų – skirtingų tipų vakcinų derinimas. Kitas – įjungta alternatyva lipidų nanodalelėms.

Pavyzdžiui, polikatijonai yra didelės molekulinės masės junginiai iš teigiamai įkrautų organinių monomerų. Su jomis daug lengviau gaminti nanodaleles nei sistemas su keliais lipidais. Idėją devintajame dešimtmetyje iškėlė Aleksandras Kabanovas, tais metais jaunas TSRS sveikatos apsaugos ministerijos Taikomosios molekulinės biologijos instituto laboratorijos vadovas.

Dabar daugelyje pasaulio laboratorijų polikatijonai naudojami nukleino rūgštims transportuoti į ląsteles. Dabar tai reikia paversti technologija ir jos pagrindu sukurti sistemą, skirtą mRNR pristatyti į žmogaus kūną. Tai gali užtrukti keletą metų.

Vaistų pristatymas į atskirus organus

Ne į visus organus galima patekti vaistais, tiesiog suleidžiant juos į raumenis. Pavyzdžiui, smegenys ir plaučiai nėra prieinami tokiam gydymui. Norint prasiskverbti į jų audinius, reikia pasitelkti kraujotakos sistemą, tačiau yra barjeras – endotelis. Tikslinės molekulės, kurių per daug atsiranda kraujagyslių sienelėse vykstant uždegiminiams procesams ligos židinyje, padės prasiskverbti pro endotelį.

Pavyzdžiui, ICAM-1 ir PECAM-1. Prie nanodalelės paviršiaus turi būti pritvirtintas antikūnas, kuris prisijungs prie šių molekulių. Tyrimus šioje srityje atlieka Vladimiras Muzykantovas iš Pensilvanijos universiteto kartu su Drew Weissman'u. Laboratorinių gyvūnų tyrimai įrodė, kad tikslingas mRNR tiekimas į organus per kraujagysles veikia.

Prieš keletą metų Aleksandro Kabanovo tyrimų grupė JAV išsiaiškino, kad genų ekspresiją žymiai sustiprina polimerai, kurie sąveikauja su ląstelės membrana, bet ne su DNR molekule. Tai poloksamerai – neįkrauti polimerai. Šis metodas buvo naudojamas genams pristatyti naudojant pliką DNR molekulę. Kai jis buvo sušvirkštas į laboratorinės pelės raumenis kartu su poloksameru, ekspresijos lygis – pagaminamo baltymo kiekis – raumenyse padidėjo dešimtis kartų.

O blužnyje ir limfmazgiuose – šimtas. Priežastis ta, kad poloksamerai aktyvina imuninės sistemos ląsteles, makrofagus ir dendritines ląsteles, kurios paima DNR ir nuneša ją į tolimas kūno dalis. Egzosomos – makrofagų išskiriamos ekstraląstelinės pūslelės – genetinę medžiagą pristato tiesiai į ląsteles.

Visų pirma, jie gali prasiskverbti į smegenų kraujagysles. Jau buvo paskelbti tyrimai apie egzosomų naudojimą vaistams tiekti į uždegimines kūno vietas, ypač gydant neurologines ligas. O kai mokslininkai į makrofagus "įkrovė" mažų trukdančių RNR, kurios blokuoja svarbų vėžinių ląstelių geną, ir nusiuntė juos į naviką, piktybinės ląstelės žuvo.

Kelios dešimtys įmonių jau kuria egzosomines vėžio gydymo ir imunizacijos technologijas. Vykdomi primatų tyrimai ir atliekami klinikiniai tyrimai.

Polimerinės micelės

Kitas sunkumas yra susijęs su vaistų pristatymu, kurie naudojami, pavyzdžiui, vėžio chemoterapijoje. Jie dažnai labai blogai tirpsta, todėl negali patekti į kraują ir biologines terpes. Šiai problemai išspręsti Aleksandras Kabanovas ir jo kolegos dar sovietiniais metais pradėjo naudoti blokinius kopolimerus, kurie spontaniškai susirenka į nanodaleles, kurių vidinė pusė yra hidrofobinės grandinės, o išorinė – hidrofilinės.

Hidrofobinės vietos sulaiko blogai tirpias molekules. Šios nanodalelės vadinamos polimerinėmis micelėmis. Dešimtajame dešimtmetyje Kabanovas Kanadoje įkūrė įmonę, kuri pirmoji atliko klinikinius polimerinių micelių tyrimus su vaistu nuo vėžio. Dabar jų pagrindu gaminami vaistai.

Tačiau "balasto" juose dešimt ar net šimtą kartų daugiau nei veikliosios medžiagos. Prieš kurį laiką Kabanovo grupė atrado polimerus, kurie sulaiko didžiulį mažai tirpių molekulių kiekį – iki pusės svorio. Taip tikslingas vaistų pristatymas taps saugesnis ir efektyvesnis. O be to – daugiafunkcis: juk į vieną nanokonteinerį vienu metu galima sudėti kelių vaistų molekules.

Dabar ši technologija bandoma su primatais, o JAV įkurta nauja farmacijos įmonė. 2020 m. kovo mėn., kai prasidėjo pandemija, Kabanovas ir jo Amerikos laboratorijos darbuotojai bandė pritaikyti savo atradimus, kad pristatytų remdesivirą – antivirusinį vaistą iš "Gilead Sciences". Jungtinėse Valstijose ir Rusijoje jis patvirtintas ypač sunkiems COVID-19 atvejams gydyti. Mokslininkai sukūrė polimero nanodaleles, kuriose polimero nešiklis sudaro ne daugiau kaip penkis procentus viso vaisto svorio. Tai patogu naudoti aerozolyje. Ir nors plėtra dar neperėjo į verslą, ji turi didelių perspektyvų.