КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-73-10143

НазваниеКинетика и механизм образования наноoаэрозолей лекарственных субстанций и их биологическое действие в экспериментах с лабораторными животными

РуководительВалиулин Сергей Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словааэрозоль, наноаэрозоль, доставка лекарственных средств, биологический эффект, доставка в дыхательную систему

Код ГРНТИ31.15.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен расширению возможностей аэрозольной доставки лекарственных веществ при помощи разработки новых аэрозольных лекарственных форм, в том числе содержащих комбинации препаратов разнонаправленного действия, для терапии социально значимых бактериальных инфекций. Исследование эффективности разрабатываемых аэрозольных форм по сравнению с пероральным и внутривенным введением, проводимое путем определения зависимости терапевтического результата на животных моделях от введенной дозы, контролируемой в реальном времени, позволит существенно снизить дозы при сохранении лечебного действия, а следовательно, и минимизировать побочные эффекты препаратов, а также добиться синергизма определенных комбинаций препаратов и существенно уменьшить вероятность развития резистентности патогенных бактерий за счет сокращения времени лечения и увеличения его эффективности. Задачами проекта являются: 1) Исследование механизма образования аэрозольных частиц со-кристаллов изониазид - салициловая кислота при гомогенной нуклеации из пересыщенного пара бинарной системы изониазид - салициловая кислота. 2) Исследование фармакокинетики после ингаляционной доставки частиц со-кристаллов изониазид - салициловая кислота лабораторным животным. 3) Исследование на модели плеврита противовоспалительного действия аэрозольной формы со-кристаллов изониазид - салициловая кислота 4) Исследование механизма образования нано- и субмикронных частиц противогрибковых лекарственных препаратов при ультразвуковом диспергировании раствора этих веществ. 5) Исследование фармакокинетики и специфической активности противогрибковых лекарственных препаратов при их ингаляционной доставке лабораторным животным.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет изучен механизм гомогенной нуклеации из пересыщенного пара противотуберкулезного препарата изониазида и салициловой кислоты. Знание этого механизма дает инструмент для целенаправленного получения комбинированных со-кристаллических аэрозольных форм с заданными размерами частиц. В фармацевтике со-кристаллы традиционно рассматриваются как средство разнообразить доступную кристаллическую структуру конкретных лекарственных веществ с целью улучшения растворимости, повышения биодоступности и/или устойчивости кристаллических лекарственных форм [N. Shan, M. Zaworotko. The role of cocrystals in pharmaceutical science. Drug Discovery Today, 2008, Vol. 13, Issue 9-10, p. 440-446]. Проводятся физико-химические исследования образующихся со-кристаллов [X. Yang, J. Zhu, Zh. Chen, B. Chen, Sh. Jin, D. Liu, D. Wang. Seven cocrystals of pyrazinamide and organic acids by H-bonds and some noncovalent associations. Journal of Molecular Structure, 2022, Vol. 2150, Part 2, 131770]. Для получения со-кристаллов преимущественно используется метод совместной кристаллизации из растворов при испарении [V. D. Vemuri, S. Lankalapalli. Amino acid based Rosuvastatin cocrystals: Towards the improvement of physicochemical parameters. J. Cryst. Growth, 2021, Vol. 570, 126241]. В проекте же со-кристаллы будут получены при помощи нуклеации из пересыщенного пара, что позволит регулировать размер и концентрацию частиц и даст возможность при ингаляционном введении контролировать дозу, а также добиваться преимущественного осаждения этих частиц в нужном отделе респираторной системы. Результаты работы могут использоваться при разработке аэрозольных противотуберкулезных лекарственных форм. Аэрозольная доставка со-кристаллов изониазида и салициловой кислоты представляет интерес для лечения инфекционных специфических плевритов, являющихся ранней стадией туберкулеза. Известно, что непосредственно после интенсивного курса антибактериальной терапии пациенты в результате угнетения иммунной системы подвержены грибковым инфекциям. Одним из результатов проекта будет разработка аэрозольных форм противогрибковых препаратов, что позволит расширить диапазон медикаментозных средств для эффективной профилактики грибковых инфекций и инфекционных неспецифических плевритов, вызванных в том числе микозами. К настоящему времени в мире широко используются пероральные и внутривенные формы противогрибковых препаратов, тогда как ингаляционное их применение ограничено весьма узким кругом веществ. Так, опубликованы результаты исследования ингаляционного применения нового лекарственного средства PC945, предназначенного для ингаляционного лечения грибковых инфекций [см., например, Ito K., Kizawa Y., Nishimoto Y. et al., Relationship between anti-fungal effects and lung exposure of PC945, a novel inhaled antifungal agent, in Aspergillus fumigatus infected mice: Pulmonary PK-PD analysis of anti-fungal PC945. Eur. J. Pharm. Sci. 2021, Vol. 163, 105878]. Было отмечено появление устойчивости грибковой микрофлоры при применении этой лекарственной формы на мышиных моделях, и эффективности удавалось достичь только при комбинировании с другими противогрибковыми препаратами. В проекте предусмотрено создание аэрозольных форм флуконазола и итраконазола (противогрибковых средств из группы производных триазола), а также амфотерицина В – полиенового макроциклического антибиотика с фунгицидным и фунгистатическим действием. Эти препараты эффективны против широкого спектра грибковых инфекций. Разработка метода генерации аэрозоля этих противогрибковых агентов, исследование фармакокинетики и специфической активности их аэрозольных форм на лабораторных животных откроют перспективы медицинского применения этих препаратов с возможностью существенного снижения частоты и степени выраженности побочных эффектов при лечении и профилактике пациентов с нарушениями функций печени, почек и системы кроветворения.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках этапа реализации проекта была разработана и собрана экспериментальная установка для исследования процесса образования аэрозольных частиц со-кристаллов при нуклеации паров, состоящая из проточного термоконденсационного генератора и комплекса измерительного оборудования. Исследован процесс образования со-кристаллов изониазид-янтарная кислота. Установлены условия, при которых аэрозоль представляет собой чистые со-кристаллы без примеси исходных веществ. Определена скорость нуклеации (образования критических зародышей со-кристаллов), которая составила J ≈ 2,3‧10^7 см^-3с^-1 при пересыщении S ≈ 480 и температуре 385 К. Разработаны методики анализа изониазида и янтарной кислоты, а также противогрибковых веществ (флуконазол, амфотерицин В и итраконазол) методом ВЭЖХ в биологических образцах (легкие, сыворотка). Получены калибровочные кривые для определения содержания исследуемых веществ в органах животных. Выполнено сравнительное исследование фармакокинетики при аэрозольной доставке изониазида в чистом виде и в виде со-кристаллов с янтарной кислотой. Проведено подробное исследование фармакокинетики изониазида при его внутривенной, пероральной и аэрозольной доставке лабораторным мышам. Определена биодоступность при пероральном и аэрозольном введении изониазида, которая составила 70% и 92%, соответственно. Проведено исследование специфического действия изониазида, при его ингаляционном введении, на модели туберкулезной инфекции. Показано, что использование изониазида в виде аэрозоля в дозах 3.4 и 5.1 мг/кг приводит к полному излечению экспериментальной туберкулезной инфекции уже через 28 дней после начала ингаляционных процедур. В то время как у животных группы сравнения, получавших изониазид перорально в дозе 10 мг/кг – через 28 дней удавалось обнаружить единичные жизнеспособные микобактерии туберкулеза. Отработаны режимы генерации аэрозоля противогрибковых лекарственных веществ флуконазол, амфотерицин В, итраконазол. Для генерации аэрозоля был использован метод ультразвуковой диспергации, заключающийся в распылении раствора исследуемого вещества.

 

Публикации

1. С.В. Валиулин, А.А. Онищук, А.М. Бакланов, С.В. Аньков, С.Н. Дубцов, А.А. Алексеев, Н.Н. Шкиль, Е.В. Нефедова, М.Е. Плохотниченко, Т.Г. Толстикова, А.М. Долгов, Г. Г. Дульцева Aerosol Inhalation Delivery of Ceftriaxone in Mice: Generation Procedure, Pharmacokinetics, and Therapeutic Outcome Antibiotics, 11(10), 1305 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/antibiotics11101305

2. С.В. Валиулин, А.А. Онищук, А.М. Бакланов, С.Н. Дубцов, Г.Г. Дульцева, С.В. Аньков, Т.Г. Толстикова, С.Н. Белогородцев, Я.Ш. Шварц Studies of the Specific Activity of Aerosolized Isoniazid against Tuberculosis in a Mouse Model Antibiotics, 11(11), 1527 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/antibiotics11111527

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках второго этапа реализации проекта: Проведено исследование фармакокинетики противогрибковых веществ: флуконазола, итраконазола и амфоторицина В после инъекционного, перорального и ингаляционного введения беспородным лабораторным мышам. На основании полученных фармакокинетических данных для флуконазола определена константа элиминации ke = 0.0033 ± 0.0004 мин-1, константа его абсорбции из брюшной полости, желудочно-кишечного тракта и легких, значения, которых ka = 0.27 ± 0.03 мин^-1, ka = 0.05 ± 0.005 мин^-1, klung = 0.0013 ± 0.0003 мин^-1, соответственно. Определены значения констант абсорбции из легких, после ингаляционного введения, итраконазола и амфотерицина В, которые составили 0.028 ± 0.005 мин^-1 и 0.04 ± 0.01 мин^-1, соответственно. Экспериментально показано, что после ингаляционного введения флуконазола, итраконазола и амфотерицина В концентрация действующего вещества в легких в 3-4 раза выше, по сравнению с инъекционными и пероральным методами доставки. В результате гистологического исследования после ингаляции аэрозоля флуконазола, итраконазола и амфотерицина В показано отсутствие выраженных дегенеративных и патологических изменения в легких. Проведено исследования влияния аэрозоля изониазида, янтарной кислоты и со-кристаллов этих веществ при их ингаляционном введении. Показано, что после ингаляция аэрозолем изониазида, янтарной кислоты и их со-кристаллов в легких не происходит выраженных дегенеративных и патологических изменений. Разработан ингаляционный метод создания острого неинфекционного воспалительного процесса в легких мышей. Для этого была выполнена ингаляция аэрозолем содержащим липополисахарид выделенный из Salmonella typhi. В результате такой ингаляции на 5–7 сутки происходит развитие гемодинамических, эмфизематозных и выраженных воспалительных процессов распространенного характера. Проведено исследование влияния ингаляционной доставки частиц со-кристаллов изониазид-янтарная кислота и частиц чистого изониазидом на легкие с интерстициальным воспалением. Показано, что ингаляция изониазида и его со-кристалла с янтарной кислотой не приводит к отрицательной динамике морфологической картины в легких. Завершены работы по разработке и созданию измерителя массовой концентрации аэрозоля. Прибор в режиме реального времени способен определять массовую концентрацию аэрозольных частиц и ингаляционную дозу, получаемую животными в ходе эксперимента. Время одного измерения составляет не более 30 сек.

 

Публикации

1. А.М. Бакланов, А.А. Протасов, М.Е. Стекленева, С.В. Валиулин Метод генерации из раствора сухих аэрозольных частиц (на примере лекарственного вещества флуконазола) Оптика атмосферы и океана (Atmospheric and Oceanic Optics), - (год публикации - 2024)

2. Валиулин С.В., Онищук А.А., Бакланов А.М., Карасев В.В., Дульцева Г.Г. Измерительный аэрозольный комплекс Оптика атмосферы и океана (Atmospheric and Oceanic Optics), - (год публикации - 2024)

3. Н. А. ЖУКОВА, А. М. БАКЛАНОВ, М. Е. СТЕКЛЕНЕВА, С. В. АНЬКОВ, Т. Г. ТОЛСТИКОВА, С.В. ВАЛИУЛИН Моделирование острого повреждения легких мышей путем ингаляции аэрозоля липополисахарида из клеток Salmonella typhi Химия в интересах устойчивого развития (Chemistry for Sustainable Development), - (год публикации - 2024)

4. С.В. АНЬКОВ, М.С. БОРИСОВА, Т.Г. ТОЛСТИКОВА, А.М. БАКЛАНОВ, С.В. ВАЛИУЛИН Безопасность применения аэрозольной формы антибиотиков цефалоспоринового ряда (экспериментальное исследование) Химия в интересах устойчивого развития (Chemistry for Sustainable Development), 3 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Полученные в результате реализации настоящего проекта результаты демонстрируют потенциальную высокую эффективность применения противогрибковых и антибактериальных веществ в ингаляционной форме. Аэрозольная терапия при применении данных веществ может являться альтернативой инъекционной формы их доставки, особенно при лечении инфекций дыхательной системы.