Лекарственные носители с обратной рН-чувствительностью и способностью к быстрому высвобождению как альтернативный путь доставки лекарств

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 проекта 22-73-10032

НазваниеЛекарственные носители с обратной рН-чувствительностью и способностью к быстрому высвобождению как альтернативный путь доставки лекарств

Руководитель Ермаков Алексей Вадимович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые слова Лекарственные носители, pH-чувствительность, доставка лекарств, противораковые лекарства, низкомолекулярные соединения, контролируемое высвобождение веществ, внутривенная доставка in vivo, иммобилизация низкомолекулярных веществ, частицы силиката, субмикронные частицы

Код ГРНТИ76.09.00, 31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из распространенных методов повышения эффективности химиотерапии является инкапсулирование химических агентов в рН чувствительные носители, поскольку низкомолекулярные химиотерапевтические соединения легко проникают через стенки капилляров не только в опухоль, но и в здоровую ткань, вызывая токсикологический стресс. Данный подход обусловлен известным фактом, что рН внутри опухоли несколько ниже физиологического, таким образом высвобождение вещества в ответ на понижение рН внешней среды является очевидным решением для повышения эффективности химиотерапии и снижения системной токсичности применяемого агента. Однако, на практике подход системной доставки инкапсулированных препаратов показывает достаточно скромные результаты. Одной из причин этого является их значительное накопление в критических органах, включающих печень и селезёнку, которые образуют мононуклеарную фагоцитарную систему. При этом внутриклеточное пространство макрофагов также характеризуются низкими значениями рН, что приводит к быстрому высвобождению химиотерапевтических соединений в критических органах. Быстрая секвестрация носителей в фагоцитарную систему существенно снижает время нахождения частиц в кровотоке, в некоторых случаях до 1 минуты, и, как результат, кардинально снижает эффективность доставки полезного терапевтического агента в целевую опухоль, как было ранее показано членами научного коллектива [Applied Materials Today 2021; 25: 101199]. Ряд подходов, включая поверхностную модификацию носителей, оптимизацию их размера и формы, позволили снизить влияние секвестрации носителей в мононуклеарную фагоцитарную систему и повысить время циркуляции носителей в крови. Однако, по-прежнему токсикологический стресс в результате высвобождения веществ при захвате в критических органах является доминирующим процессом. Более того, проникновение носителей в опухолевую ткань после экстравазации из капилляров является крайне медленным процессом в сравнении с диффузией низкомолекулярных химиотерапевтических препаратов, что значительно снижает эффективность терапии посредством систем доставки лекарств. Для преодоления обозначенных проблем в данном проекте предлагается кардинально новый подход к доставке лекарств и дизайну лекарственных носителей, основанный на двух ключевых принципах. Первым принципом является применение нано- и субмикронных носителей с возможностью прецизионно контролируемого быстрого (от 10 минут до 3 часов) высвобождения инкапсулированного низкомолекулярного терапевтического агента в совокупности с высокой адгезией к эндотелию сосудов и капилляров метастазирующих опухолей, которые, как правило, характеризуются невысокой скоростью потока крови. Локальное высвобождение терапевтического соединения в интракапиллярное пространство позволит таким образом создать высокий градиент его концентрации с последующей диффузией в паренхиму опухоли. Вторым принципом является высвобождение инкапсулированного вещества при физиологических значениях рН (7,35 – 7,45) и устойчивое хранение инкапсулированного вещества при кислотных значениях рН (ниже 6), то есть зависимость обратная к традиционно применяемой при системной доставки веществ в опухоль. Предполагается, что данный принцип позволит повысить устойчивость инкапсулированного химиотерапевтического соединения к иммунному ответу при системной доставке и снизить токсикологический стресс на печень и селезенку. В рамках данного проекта планируется решить поставленные задачи путем применения модифицированных нано- и субмикронных частиц силики в качестве носителей для доставки терапевтических агентов в опухоль in vivo. Научная новизна проекта заключается в применении обозначенных принципов, предлагающих концепцию быстрого прецизионно контролируемого высвобождения терапевтических агентов из носителей с обратной рН-чувствительностью и высокой адгезий к эндотелиальным клеткам. Для решения поставленных в проекте целей и задач был собрано сбалансированный научный коллектив, включающий специалистов в области физики и химии, биомедицинской инженерии, биологии и медицины. Междисплинарный характер планируемой работы повышает сложность исследования, однако высокая квалификация и широкая квалификация руководителя и членов научного коллектива отвечает данному уровню.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кузнецов А.О., Власичева Ю.Н. , Ленгерт Е.В., Ермаков А.В. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР ЯДРО-ОБОЛОЧКА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ pН-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ИНКАПСУЛИРОВАННЫХ СОЕДИНЕНИЙ Коллоидный журнал (год публикации - 2023)

2. Верховский Р.А., Иванов А.Н., Ленгерт Е.В., Тулякова К.А., Шилягина Н.Ю., Ермаков А.В. Current Principles, Challenges, and New Metrics in pH-Responsive Drug Delivery Systems for Systemic Cancer Therapy Pharmaceutics, Т. 15, № 5, с. 1566 (год публикации - 2023)
10.3390/pharmaceutics15051566

3. Иванов А.Н., Кузнецов А.О., Лойко Д.Д., Власичева Ю.Н., Ленгерт Е.В., Ермаков А.В. Изменения функциональной активности тромбоцитов под влиянием субмикронных частиц на основе мезопористого кремнезема и рН-чувствительных полимеров Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (год публикации - 2024)

4. Ленгерт Е.В., Власичева Ю.Н., Кузнецов А.О., Гуслякова О.И., Ермаков А.В. Влияние состава оболочки на эффективность интернализации рН-чувствительных лекарственных носителей на основе мезопористых частиц Перспективные материалы (год публикации - 2024)

5. Ермаков А.В., Верховский Р.А., Иванов А.Н., Ленгерт Е.В. Современные подходы к дизайну лекарственных носителей для рН-чувствительных систем доставки: основные принципы и проблемы Бутлеровские сообщения, том 77, №2, С.1-22 (год публикации - 2024)
10.37952/ROI-jbc-01/24-77-2-1

6. Кузнецов А.О., Власичева Ю.Н., Иванов А.Н., Ленгерт Е.В., Ермаков А.В. Эффективность лекарственных носителей на основе субмикронных частиц ватерита в снижении повреждений печени доксорубицином Бюллетень экспериментальной биологии и медицины официальный сайт (год публикации - 2025)

7. Власичева Ю.Н., Кузнецов А.О., Ленгерт Е.В., Ермаков А.В. Исследование влияния рH-чувствительных альгинатных оболочек на поверхности частиц ватерита на устойчивость частиц в модельных средах Перспективные материалы (Inorganic Materials: Applied Research) (год публикации - 2025)

8. Ленгерт Е.В., Степанова Т.В., Гуслякова О.И., Савкина А.А., Прихожденко Е.С., Пластун В.О., Ефремов Ю.М., Абдурашитов А.С., Тимашев П.С., Сахань М.А., Иванов А.Н., Сухоруков Г.Б., Ермаков А.В. Microchamber Wound Dressings Enable Hierarchical Functionality Control over Physiological Processes via Sustained Chemical Microenvironment Modulation Applied materials today (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В третий год выполнения проекта основной пул экспериментов был направлен на in vitro и in vivo тестирование разработанных частиц для реализации предложенной концепции. Таким образом, Ключевые результаты работы данного отчетного периода содержаться в разделах ин витро и ин виво, в тоже время существенные работы были проведены по «тонкой» настройке свойств частиц как результат обратной связи с биологическими экспериментами. Предварительно была успешно оптимизирована методика синтеза нано- и субмикронных частиц кремнезёма и отработана методика загрузки доксорубицина в разработанные частицы с мультислойными оболочками. В экспериментах in vitro было показано снижение токсичности доксорубицина при использовании мезопористых частиц силики и ватерита с мультислойными оболочками из альгината относительно группы сравнения (пегелированные частицы), а также показано, что высвобождение доксорубицина происходит быстрее в группах сравнения. В экспериментах in vivo нам удалось оказать существенное влияние на кинетику доксорубицина при системном введении в организм, что в свою очередь позволило снизить негативную реакцию тканей на его введение. Так, мы количественно определили, что разработанная система позволяет эффективно локализовать доксорубицин в частицах, препятствуя его распределению по здоровым тканям организма. Для выявления особенностей фармакокинетики разработанных носителей было проведено исследование биораспределения с помощью биолюминографа. Значительное снижение содержания модельного препарата (порфиразин) в печени через 6 часов (48,3% у частиц внутривенно) указывает на перераспределение препарата по другим органам. Исследования показывают, что использование мультислойного рН-чувствительного покрытия из альгината и целлюлозы для частиц порфиразина существенно влияет на кинетику его перераспределения. При этом печень демонстрирует наибольшее содержание порфиразина: 74,5% через 1 час и 67,3% через 6 часов. Снижение концентрации незначительное, что предполагает задержку препарата в печени и его медленное высвобождение. Результаты эксперимента по определению фармакокинетики доксорубицина, инкапсулированного в частицы силики с различными покрытиями, подтверждают тенденции, измеренные с помощью биолюминографа. Так, через час после введения масс-спектрометрия показала, что содержание доксорубицина в опухоли составляет до 0,85% для группы сравнения (силика с ПЭГ) и до 0,9% для экспериментальной группы (силика с мультислойной рН-чувствительной оболочкой из альгината и целлюлозы). В то же время печень содержала до 2,05% доксорубицина для группы сравнения (что составляет около 72% от введенной дозы при массе печени в 5,4 г) и 2,11% для частиц с мультислойной оболочкой (до 76% от введенной дозы). Спустя 6 часов содержание доксорубицина в печени снизилось до 1,22% для группы сравнения и до 1,83% для экспериментальной группы. Эти данные указывают на более быстрое перераспределение (предположительно в результате релиза) в группе сравнения, в то время как частицы с оболочкой из альгината и целлюлозы демонстрируют более устойчивое удержание доксорубицина, что может свидетельствовать о потенциально более эффективной доставке препарата к опухолевым тканям. На следующем этапе работы было исследовано влияние обнаруженных закономерностей биораспределения влияет на токсичность препарата на примере доксорубицина. Введение свободного доксорубицина в дозировке 2,5 мг/кг вызвало значительное повышение уровней АЛТ и АСТ, отражая выраженный токсический эффект. Доставка доксорубицина в составе частиц ватерита с покрытием из ПЭГ привела к снижению уровней данных ферментов, что может быть связано с пролонгированной циркуляцией препарата в крови и замедленной кинетикой высвобождения. Это позволило снизить системную токсичность и повреждение печени, что определено по уровням ферментов АЛТ и АСТ, и позволяет сделать вывод о сниженной токсичность за счет локализции доксорубицина в частицах. Получение этих результатов также потребовало значительных усилий в отработке путей введения частиц для развития которая была разработана имплантируемая система ввода части. Наиболее выраженное снижение показателей гепатотоксичности наблюдалось при введении доксорубицина в частицах ватерита с рН-чувствительной мультислойной оболочкой из альгината и целлюлозы, что свидетельствует о значительном защитном эффекте. Мы связываем данный эффект с устойчивым удержанием доксорубицина внутри частиц при интернализации иммунными клетками, обусловленным мультислойной оболочкой, что способствовало снижению гепатотоксичности. Проведённые in vitro и in vivo исследования демонстрируют высокую степень согласованности полученных данных, подтверждая эффективность мультислойных оболочек на основе альгината и целлюлозы в снижении токсичности доксорубицина при системной доставке относительно доставки посредством мезопористых частиц, покрытых ПЭГ. Данный механизм позволяет снизить дозировку доксорубицина, действующую на печень в единицу времени, что приводит к существенному снижению токсичности и уменьшению гепатотоксического воздействия при системном введении. Результаты работ in vivo также показывают значительные различия в локальных и системных реакциях на введение частиц различной конфигурации у белых крыс. Непокрытые частицы вызывают более выраженные воспалительные реакции и негативные изменения в системе гемостаза и оксидативном гомеостазе. Напротив, частицы с ПЭГ, как известный референс и эффективная оболочка в снижении взаимодействия частиц с организмом, и мультислойные оболочки из альгината/целлюлозы продемонстрировали близкие результаты и более благоприятные характеристики. Была проведена отработка способа введения частиц для повышения вероятности накопления целевого вещества в опухоли. Как было показано выше, варьирование метода введения оказывает значительное влияние на биораспределение мезопористых частиц кремнезёма. В частности, была исследована возможность применения адреналина при внутриартериальном ввведении как способ повышения доли накопленных в сосудах вблизи опухоли мезопористых частиц. Дополнительные исследования показали, что медленное внутриартериальное введение дозы частиц в сосудистое русло, питающие опухоль, (в течение 15 мин) позволяет достичь большей доли инкапсулированного соединения в опухоли (0,97% против 1,05% согласно данным масс-спектрометрии). Это послужило базой для исследования возможности использования микрокамерного покрытия в качестве депо для пролонгированного релиза субмикронных и наночастиц, которое может быть сформировано как имплантируемый биоматериал.

Публикации