Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В последнее время наномедицинские технологии приобрели популярность и привлекли внимание научного сообщества из-за их потенциальных возможностей в инкапсуляции различных терапевтических средств и создании таргетной терапии. Так, методы наномедицины традиционно применяются для доставки токсичных лекарств и, в частности, для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов химиотерапии в контексте лечения опухолей. Некоторые носители, созданные из биологических и биосовместимых материалов, были успешно одобрены для клинического использования. Между тем, другие системы на основе полимеров и неорганических материалов, имеющие особенные характеристики доставки, требуют тщательных исследований профиля безопасности перед введением пациентам. На сегодняшний день большинство одобренных наноформуляций основаны на липидных и альбуминовых препаратах, однако использование биосовместимого железа, в комплексе с декстраном и другими биологическими наполнителями, в клиниках постепенно возрастает. Одним из наиболее серьезных препятствий при внедрении нанотехнологий в клиниках является невозможность расширения разработок и производства наноносителей в коммерческих целях. Кроме того, после введения метаболизм этих частиц не исследуется должным образом, а именно, в соответствии с действующими принципами фармакологии, т.к. основное внимание сосредотачивается только на их терапевтических эффектах. Однако в последнее время исследования все больше затрагивают изучение свойств материала частиц и разработку многофункциональных носителей, способных выполнять различные задачи за счет повышения сложности синтетических протоколов и характеристик. Но такая тенденция в исследуемой области зачастую приводит к плохой воспроизводимости синтеза наночастиц между различными лабораториями, что затрудняет рациональное сравнение между различными платформами доставки нанопродукции. По вышеописанным причинам в данном проекте мы предложили предоставить общие принципы оценки метаболизма частиц in vivo в зависимости от их физико-химических и биологических свойств после системного введения. Данная работа посвящена созданию математической модели для экстраполяции общих правил для прогнозирования нацеливания наноносителей на опухоли и определения наилучших биологических условий для применения наномедицинских технологий для лечения рака. За первый год исследований наша научная группа создала разные системы доставки (наночастицы), используя разные материалы и, соответственно, обладающими разными регулируемыми свойствами поверхности. Полученные частицы были охарактеризованы, в частности, по размерам и поверхностным зарядам, по способности воздействовать на опухолевые клетки, а также по их способности доставлять химиотерапевтические средства. Некоторые платформы в настоящее время уже исследуются на предмет их свойств для создания цитостатических эффектов с использованием дистанционного запуска, в то время как другие исследуются с использованием подходов к моделированию для создания рациональной конструкции систем. Так, помимо характеристик, заявленных в задачах проекта, различные частицы также дополнительно охарактеризованы по таким свойствам, как дифференциальная деградация в протеолитических условиях, характеристикой с использованием биомиметических подходов и сборке молекул, и некоторым другим физическим свойствам. Помимо этого, для выполнения другого направления проекта, были использованы клеточные линии рака груди и простаты человека с последующим построением их кривых роста (на мышах), и измерением определенных параметров для предоставления нашей команде математиков для дальнейшей реализации вычислительной модели. В результате была адаптирована математическая модель, построенная ранее, с реализацией системы с параметрами, которые имеют фундаментальное значение для прогнозирования накопления опухолей наночастиц. Также в рамках этой работы мы частично изучили различные методы визуализации, включая обнаружение флуоресценции и микро-КТ, для оценки биораспределения наночастиц. В следующем году мы планируем сгенерировать значительную часть данных о биораспределении, чтобы начать оценку вычислительной мощности математической модели и включить в системную метаболическую переменную, которую мы не смогли включить в этом году. В целом, работа по данному проекту должна помочь в создании трансляционного инструмента (не существующего на данный момент) для определения фармакокинетики инкапсулированного лекарства и ускорения исследований в области доставки лекарств, предоставляя прогностический инструмент анализа in silico для исследователей, работающих в заявленной области.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Учитывая быстрое развитие наномедицины, методы которой применяются для лечения различных заболеваний, включая онкологические заболевания, необходимо проведение большого количества исследований с целью оценки физических, химических и биологических свойств материалов, из которых состоят различные наноносители. В рамках гранта РНФ №21-75-30020 мы предлагаем разработать различные платформы, оценить эффективность доставки ими различных соединений in vitro и in vivo, а также использовать полученные данные для разработки модели, которая может использоваться для анализа и предсказания биораспределения и эффективности наноносителей. В 2021 году наша группа заложила основы данной работы посредством конструирования различных систем доставки (как более ранних, так и систем нового поколения) и проведения анализа различных биологических параметров, характеризующих рост опухолей. Также мы исследовали различные процессы, связанные с доставкой наночастицами лекарственных препаратов, включая нагрузку наночастиц и высвобождение вещества, биосовместимость наночастиц и механизм их деградации. Также нами были определены переменные, которые необходимо учитывать для построения модели для анализа биораспределения наночастиц. В 2022 году мы углубили полученные данные, проанализировав большое количество комбинаций лекарственных препаратов и более глубоко изучив новые методы синтеза с целью повышения биосовместимости, разнообразия и терапевтических свойств получаемых наночастиц. В рамках проведенных экспериментов мы также оценивали различные метаболические переменные, включая повышенную и сниженную концентрацию глюкозы, недостаток сыворотки (in vitro) и обезвоживание (in vivo). Кроме того, мы использовали адресование наночастиц к эпитопам, которые в повышенном количестве экспрессируются раковыми клетками. Мы углубили полученные данные по деградации наночастиц и расширили наш исследовательский интерес на биологию лизосом. В рамках этого направления работы были разработаны и использованы платформы для доставки, что позволило расширить наше понимание биологии и функционирования раковых клеток после интернализации наночастиц. Полученные нами данные указывают на то, что в зависимости от материала, из которого изготовлены наноносители, они оказывают сильное воздействие на раковые клетки, в связи с чем современные догмы, используемые для оценки биораспределения наночастиц, должны быть пересмотрены в зависимости от метаболических условий анализа в экспериментальной модели in vivo и метаболических показателей у различных пациентов в клинической практике. Данная работа также сопровождалась проведением работы по разработке модели для предсказания биораспределения наночастиц в различных условиях и в различных опухолях. В рамках нашей работы мы разрабатываем новые концепции, связанные с доставкой лекарственных препаратов, включая поиск безопасного способа снижения клиренса наночастиц системой мононуклеарных фагоцитов и более глубокое исследование роли фагоцитов в секвестрации наночастиц. Следует также отметить, что будет проведена оценка пользы используемых нами технологий в отношении повышения эффективности доставки лекарственных препаратов и параллельная оценка данных моделирования, подтверждающих полученные результаты экспериментов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Цель гранта РНФ № 21-75-30020 заключалась в оценке свойств наноносителей, создании различных платформ для доставки лекарственных средств и разработке вычислительной модели, прогнозирующей их биораспределение и эффективность. Для достижения этой цели мы протестировали ранее не изученные условия условия, которые могут повлиять на доставку лекарств в реальных клинических ситуациях, включая обезвоживание и высокую концентрацию глюкозы в крови, одновременно исследуя как системное, так и местное введение наноносителей. В первые два года реализации проекта были проведены базовые работы, включая разработку систем доставки, анализ биологических параметров и определение ключевых переменных для разработки вычислительной модели. В этом году наше внимание переключилось на более глубокое изучение токсичности, деградации и физико-химических свойствах наночастиц в зависимости от их материала. Мы исследовали биораспределение в условиях вышеописанных метаболических нарушений, и проверили способность наноносителей насыщать мононуклеарную фагоцитарную систему. Исследование оспорило существующие парадигмы в отношении влияния наночастиц на раковые клетки, подчеркнув острую необходимость анализа биораспределения в различных метаболических условиях. Полученные результаты свидетельствуют о том, что материал наночастиц не является параметром, определяющим специфичность механизма их деградации, фактически неорганические наночастицы диоксида кремния вызывают изменения в лизосомальном компартменте, подобно белковым наночастицам. Мы также проанализировали способность различных наноносителей индуцировать оксидативный стресс в клетках, чтобы определить нетоксические условия введения наноносителей для их тестирования in vivo. В то время как биологические наночастицы оказались безопасными, неорганические наноносители продемонстрировали существенное увеличение оксидативного стресса. Были получены биомиметические протеолипидные везикулы с использованием различных источников, была их совместимость с загрузкой биологических препаратов, включая терапевтическую РНК. С другой стороны, метаболические нарушения могут оказывать значительное влияние распределение наноносителей, что позволит сформулировать стратегию для адресной доставки в конкретные органы и опухоли. Обезвоживание, в частности, перенаправляло частицы в почки, а высокая концентрация глюкозы увеличивала их накопление в околоопухолевой области. В рамках этой задачи была разработана специальная система для формирования кожной складки и прижизненной визуализации, которая будет использоваться в следующем году для сбора дополнительной информации о накопления и клиренса наноносителей. Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации разрабатываемой стратегии насыщения мононуклеарной фагоцитарной системы организма организма и увеличения эффективности накопления белковых наноносителей в опухолях и конкретных органах. В частности, в следующем году будет проанализирована эффективность клиренса мононуклеарной фагоцитарной системы при нескольких небольших предварительных инъекциях наноносителей, поскольку введение большой дозы частиц не дало ожидаемых результатов. Исследование белковой короны показало, что ее формирование зависит от материала, из которого созданы наночастицы. Корона, сформированная на поверхности белковых наночастиц, оказалась очень гетерогенной по составу. С другой стороны, в случае наночастиц диоксида кремния мы наблюдали постоянное присутствие белка ApoA в сформированной белковой короне. Это явление, может быть связано как с различными поверхностными свойствами наноносителей, так и с тем фактом, что диоксид кремния может создавать окислительные условия. Понимание механизма наблюдаемого явления будет первым шагом в разработке новых стратегий адресной доставки, которые могут быть реализованы после внутривенных инъекций частиц. Наконец, были разработаны гибридные системы, состоящие из кремнеземной матрицы, обогащенной наночастицами золота, которые способны генерировать тепло для целей термоабляции, а также измерять температуру окружающей среды, в том числе внутри клетки: другими словами, нанотермометр. Текущая работа направлена на повышение эффективности разрабатываемых систем доставки, оптимизацию протоколов для контролируемого изменения их биораспределения, улучшение их эффективности при системном введении, а также снижение их токсичности при насыщении мононуклеарной фагоцитарной системы. Кроме того, значительные усилия будут сосредоточены на оптимизации технологии, предназначенной для местной инъекции в опухоли и индукции гипертермии. Вычислительные модели были разработаны с учетом полученных данных о биораспределении наноносителей в различных условиях и для различных моделей опухолей, и эта работа будет продолжена в последний год работы для оптимизации модели для анализа биораспределения наноносителей. Тестирование нашей системы показало, что разработанную математическую модель можно адаптировать к различным видам нанотерапии и различным путям введения наноносителей.