Новые комбинированные полимерные наносистемы доставки противоопухолевых препаратов для таргетного воздействия на опухоли

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 23-15-00468

НазваниеНовые комбинированные полимерные наносистемы доставки противоопухолевых препаратов для таргетного воздействия на опухоли

Руководитель Кусков Андрей Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-505 - Технология фармацевтических препаратов и лекарственных форм

Ключевые слова Противоопухолевый препарат, комбинированное действие, система адресной доставки, наночастица, амфифильный полимер, цитокин, TRAIL DR5-B, рецептор-селективный вариант, наноноситель, поли-N-винилпирролидон, паклитаксел, бортезомиб, куркумин, цисплатин, темозоломид

Код ГРНТИ61.45.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Инновационные наноразмерные системы доставки лекарственных препаратов являются актуальным направлением исследований во всем мире. Создание наносистем доставки противоопухолевых препаратов решает фундаментальную задачу преодоления резистентности опухолей, а также прикладную задачу разработки новых терапевтических агентов с повышенной эффективностью и низкой токсичностью. Системы доставки на основе полимеров, формирующих мицеллярные структуры, перспективны благодаря своей способности инкапсулировать гидрофобные активные молекулы внутри ядра мицелл, и одновременно иммобилизовать на поверхности гидрофильные молекулы, обеспечивающие таргетное комбинированное воздействие. Основные принципы конструирования мицеллярных наносистем на основе амфифильных производных поли-N-винилпирролидона (ПВП) ранее разработаны заявителями проекта. Эти системы обладают легко настраиваемыми свойствами, стабильностью и высокой биологической безопасностью. Они эффективны в качестве систем доставки различных терапевтических веществ, например, индометацина, куркумина, терапевтических плазмид, а также могут быть дополнены различными функциональными группами для связывания активных молекул. Также заявителями предварительно была разработана перспективная модель мицеллярных ПВП-частиц, конъюгированных с рецептор-специфичным вариантом противоопухолевого цитокина TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand), показана принципиальная реализуемость и возможность применения такой системы доставки. Целью данного проекта является создание и исследование новых комбинированных мицеллярных наносистем на основе ПВП для таргетной доставки ряда противоопухолевых препаратов. Инкапсуляция гидрофобного препарата в ядро мицелл обеспечит снижение его токсичности и пролонгированное действие; ковалентная конъюгация молекул таргетного модифицированного варианта цитокина TRAIL на поверхности мицелл позволит добиться его опухоле-специфичной адресной доставки и комбинированного противоопухолевого действия. В качестве противоопухолевых препаратов для совместной доставки в опухоли будут в первую очередь исследованы вещества, показавшие значительный синергетический эффект со свободным цитокином (бортезомиб, цисплатин и др.). В отличие от TRAIL дикого типа, разработанный заявителями рецептор-специфичный вариант TRAIL DR5-B связывается исключительно с рецептором смерти DR5 и преодолевает рецептор-зависимую резистентность опухолей к TRAIL. Несмотря на высокую эффективность на линиях опухолевых клеток и на ксенографтных мышиных моделях человеческих опухолей, модифицированный белок TRAIL DR5-B имеет короткий период полувыведения из организма и низкую стабильность в биологических средах. В результате иммобилизации с использованием ПВП-наночастиц будут одновременно улучшены фармакокинетические показатели как низкомолекулярных агентов, так и белковых молекул, что в итоге позволит добиться повышенной эффективности. Наноразмерные системы доставки на основе ПВП – это уникальная российская разработка, не имеющая аналогов в мире. Благодаря легко настраиваемым свойствам ПВП-частиц и методам «клик-химии», применяемым для модификации их поверхности модифицированным цитокином DR5-B, успешный опыт реализации проекта может быть спроецирован на создание аналогичных систем, содержащих противоопухолевый препарат в ядре и альтернативные терапевтические белки или векторные молекулы на поверхности частиц. Кроме того, подходы к получению флуоресцентно-меченых комбинированных ПВП-наночастиц, конъюгированных с заданным таргетным препаратом, позволит найти им применение в качестве агентов для тераностики (препаратов используемых одновременно для диагностики и терапии опухолевых заболеваний). Таким образом, успешная реализация проекта положит основу для создания универсальной наносистемы для адресной доставки заданных терапевтических препаратов и диагностических агентов в конкретные типы опухолей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Яголович А.В., Кусков А.Н., Куликов П.П., Багров Д.В., Петрова П.А., Куковякина Е.В., Исакова А.А., Хан И.И., Покровский В.С., Носырев А.Е., Стамати П.Х., Марквичева Е.А., Гаспарян М.Э., Спандидос Д.А., Тсатсакис А.М. Assessment of the effects of amphiphilic poly(N-vinylpyrrolidone) nanoparticles loaded with bortezomib on glioblastoma cell lines and zebrafish embryos Biomedical Reports, 20(3). 37. (год публикации - 2024)
10.3892/br.2024.1725

2. Лусс А.Л., Багров Д.В., Яголович А.В., Куковякина Е.В., Хан И.И., Покровский В.С., Шестовская М.В., Гаспарян М.Э., Долгих Д.А., Кусков А.Н. Toxicity evaluation and control release of curcumin-loaded amphiphilic poly-N-vinylpyrrolidone nanoparticles: in vitro and in vivo models Pharmaceutics, 16(1). 8. (год публикации - 2024)
10.3390/pharmaceutics16010008

3. Гилева А.М., Куликова Д.И., Куковякина Е.В., Яголович А.В., Кушнерёв К.С., Кусков А.Н., Марквичёва Е.А. Исследование цитотоксичности наночастиц на основе амфифильных производных поли-N-винилпирролидона, загруженных куркумином, на 2D и 3D моделях in vitro аденокарциномы яичника человека Российский онкологический журнал, 29(3) (год публикации - 2024)
10.17816/onco636712

4. Никитович Д., Куковякина Е.В., Бердиаки А., Тзанакакис А., Лусс А.Л., Власкина Е.Р., Яголович А.В., Тсатсакис А., Кусков А.Н. Enhancing tumor targeted therapy: the role of iRGD peptide in advanced drug delivery systems Cancers , 16(22). 3768. (год публикации - 2024)
10.3390/cancers16223768

5. Кусков А.Н., Куковякина Е.В., Красносельская Е.Н. Nanotechnology-based drug delivery systems Pharmaceutics, том 17, № 7, с. 817 (год публикации - 2025)
10.3390/pharmaceutics17070817

6. Трушина Д., Гилева А., Яголович А., Гаспарян М., Курбанова Л., Буров С., Букреева Т., Паллаева Т., Артемов В., Олейников В., Марквичева Е. Synergistic effect of DR5-targeted capsules loaded with doxorubicin in drug-resistant 3D tumour spheroids Journal of Microencapsulation, том 42, выпуск 7, страницы 736-751 (год публикации - 2025)
10.1080/02652048.2025.2570651

7. Кусков А.Н., Куковякина Е.В. Nanotechnology-based drug delivery systems, 2nd edition Pharmaceutics, том 17, № 1, с. 110 (год публикации - 2025)
10.3390/pharmaceutics17010110

8. Трапсаниоти Л.Н., Кусков А.Н., Бердиаки А., Лусс А.Л., Власкина Е.Р., Иванова А.В., Абакумов М.А., Мармара М., Плексусаки К., Тсатсакис А., Никитович Д. Tailored iron oxide nanoparticles for biomedical applications: hydroxyethyl starch coating enhances endothelial biocompatibility Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, том 71, страница 102880 (год публикации - 2025)
10.1016/j.nano.2025.10288

9. Куковякина Е.В., Куликов П.П., Багров Д.В., Моисеенко А.В., Трифонова Т.С., Исакова А.А., Шувалова М.Л., Свирещевская Е.В., Хан И.И., Покровский В.С., Гаспарян М.Э., Кусков А.Н., Яголович А.В. Codelivery of bortezomib and modified DR5-selective TRAIL via amphiphilic poly(N-vinylpyrrolidone) bionanocomposites to overcome glioblastoma resistance ACS Applied Bio Materials (год публикации - 2025)
10.1021/acsabm.5c01651

10. Куковякина Е.В., Исакова А.А., Багров Д.В., Гаспарян М.Э., Кусков А.Н., Яголович А.В. Amphiphilic poly(N-vinylpyrrolidone) biocomposites with bortezomib and DR5-selective TRAIL variants: a promising approach to pancreatic cancer treatment International Journal of Molecular Sciences, том 26, № 23, страница 11620 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms262311620

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Для исследования биологических свойств комбинированных наноразмерных частиц на втором этапе проекта, были получены рекомбинантные белки на основе DR5-селективного варианта цитокина TRAIL. Также, были синтезированы амфифильные сополимеры N-винилпирролидона и акриловой кислоты молекулярной массой 3-12 кДа, с одной концевой гидрофобной октадецильной группой, в том числе, модифицированные по карбоксильным группам акриловой кислоты малеимидными группами. Выявлено, что амфифильный сополимер N-винилпирролидона с акриловой кислотой, с одной концевой гидрофобной октадецильной группой, молекулярной массой 6 кДа и 5 мол. % малеимидных функциональных групп и наноразмерные системы на его основе имеют оптимальное сочетание показателей стабильности и цитотоксической активности. Поэтому на его основе, самопроизвольной агрегацией амфифильных макромолекул в водной среде, были получены наноразмерные частицы, содержащие в своем «ядре» включенные за счет гидрофобных взаимодействий с октадецильными фрагментами полимеров низкомолекулярные гидрофобные лекарственные вещества (бортезомиб, куркумин, цисплатин). Внешняя «оболочка» агрегатов из гидрофильных цепей полимеров при этом обеспечивала совместимость с водой всей системе, а также участвовала в иммобилизации рекомбинантных белков такими носителями. Были изучены характеристики полученных наноразмерных частиц: гидродинамический диаметр, распределение по размерам и дзета-потенциал. Установлено, что размер всех образцов частиц находится в нанометровом диапазоне (100-600 нм), практически не зависит от используемой для загрузки фармацевтической субстанции, но увеличивается при конъюгации частиц с белками. Поверхностный заряд составил от +8 до -15 мВ и определялся, прежде всего, наличием карбоксильных групп акриловой кислоты или малеимидных групп в составе полимера, а также иммобилизованного на частицах белка. Морфология частиц была исследована методами электронной микроскопии. Все образцы частиц выглядели как сферические объекты субмикронного диапазона. Емкость загрузки лекарственного средства (DLC) для всех противоопухолевых веществ составила от 10.0 до 15.0 % по массе. Эффективность загрузки лекарственного средства (DLE) для всех образцов составила от 85 до 95 %. В результате конъюгации полученных частиц с DR5-селективным цитокином TRAIL сорбционная емкость составила 5.5 ±1.5 мг белка на 1 г частиц независимо от типа химиопрепарата, загруженного в ядро. При исследовании профиля выделения in vitro для всех загруженных препаратов наблюдался типичный двухфазный профиль высвобождения. В комбинированной наноразмерной системе белковый компонент был прочно связан с полимерным носителем и не детектировался в супернатанте в течение не менее 6 недель. Для исследования биологической активности наночастиц были получены мультиклеточные сфероиды с помощью RGD-индуцированной самосборки клеток, позволяющей получать 3D модели in vitro из различных клеточных линий. Полученные сфероиды имели чёткие границы, высокую монодисперсность и механическую стабильность; средний диаметр составлял 110±12 мкм. При исследовании цитотоксичности in vitro, наноразмерные частицы PVP-B-DR5-B, загруженные бортезомибом и модифицированные DR5-B, отличались наибольшим синергичным эффектом на DR5-B-резистентной клеточной линии U87MG по сравнению с другими вариантами комбинированных препаратов. В связи с этим, дальнейшие детальные исследования проводилась на частицах, загруженных бортезомибом. Было показано драматическое (на 80-90%) снижение жизнеспособности монослойных (2D) клеток линий глиобластомы человека U87MG и T98G под действием наночастиц, загруженных бортезомибом и модифицированных DR5-селективным цитокином TRAIL. При модификации наночастиц DR5-селективным TRAIL с пептидом iRGD наблюдалось дополнительное усиление цитотоксического эффекта на 10-20%. Аналогичный эффект наблюдался и на монослойных опухолевых клеточных линиях других нозологий: рака молочной железы MCF-7, колоректального рака НСТ116 и НТ29, и рака поджелудочной железы MIA PaCa-2, PANC-1 и BxPC-3. На всех клеточных линиях свободный полимер был мало токсичен, а частицы, лишь загруженные бортезомибом, начинали проявлять сопоставимую цитотоксичность лишь в концентрациях, на 2-3 порядка выше, чем они же, конъюгированные с белковым лигандом. Как и на 2D моделях, оценка цитотоксичности на 3D моделях сфероидов из клеток глиобластомы человека U87MG и T98G, показала снижение жизнеспособности клеток на 90-95% под действием комбинированных наночастиц. Таким образом, частицы, загруженные бортезомибом и модифицированные DR5-селективным цитокином TRAIL, показали высокую активность как на 2D, так и на 3D опухолевых моделях in vitro. Такое ярко выраженное усиление цитотоксичности при конъюгации с модифицированным TRAIL вероятно, обусловлено, его синергичным действием с бортезомибом и эффективной кластеризацией рецептора DR5 при иммобилизации лигандов на наноразмерном носителе. При этом комбинированные наночастицы были относительно нетоксичны к нормальным клеткам: умеренная цитотоксичность к нормальным клеткам фибробластов и кератиноцитов в самой высокой концентрационной точке была обусловлена лишь токсичностью бортезомиба, а ни полимера, либо белкового компонента. Дополнительно было изучено влияние функционализации амфифильных полимеров, используемых для получения частиц, на их токсичность. Показано, что наночастицы, не загруженные противоопухолевым препаратом, не проявляют цитотоксичности ни в 2D, ни в 3D моделях из опухолевых клеток in vitro, что свидетельствует об их низкой токсичности независимо от наличия модификаций полимера дополнительными звеньями, содержащими карбоксильные или малеимидные группы. Конфокальная микроскопия на 2D и 3D in vitro моделях клеток глиобластомы человека U87MG показала, что спустя 15 минут инкубации комбинированные наночастицы, конъюгированные DR5-селективным цитокином TRAIL, накапливаются в клетках быстрее по сравнению со свободным лигандом. Причем наличие модификации белка с пептидом iRGD способствовало ускоренному накоплению комбинированных наночастиц в клетках, а к 1 часу инкубации эффекты выравнивались. Таким образом, комбинированные наноразмерные частицы на основе амфифильных производных поли-N-винилпирролидона, загруженные противоопухолевым препаратом и конъюгированные с DR5-селективным лигандом на основе цитокина TRAIL эффективно накапливаются в опухолевых клетках, обладают высокой цитотоксичностью на 2D и 3D in vitro моделях опухолей, и при этом относительно безопасны по отношению к нормальным клеткам.

Публикации