Открыт способ повысить эффективность доставки лекарств с помощью липидных наночастиц

Многие заболевания можно успешно лечить в простой среде клеточной культуры, но для успешного лечения реальных людей лекарственное вещество должно пройти путь через бесконечно более сложную среду внутри нашего организма и попасть внутрь пораженных клеток в неизменном виде.

Этот процесс, называемый доставкой лекарств, является одним из самых серьезных препятствий в медицине.

Совместная работа Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и компании Genentech, входящей в группу Roche, направлена на преодоление некоторых узких мест в доставке лекарств путем разработки наиболее эффективных липидных наночастиц (ЛНЧ) — крошечных сферических мешочков из жировых молекул, которые инкапсулируют терапевтические агенты до момента их соединения с клеточной мембраной и высвобождения содержимого. Первый препарат, в котором используются ЛНЧ, был одобрен в 2018 году, но глобальную известность этот метод доставки получил благодаря вакцинам Covid с мРНК, разработанным компаниями Pfizer и Moderna.

Это довольно умная система, поскольку если просто доставить саму РНК в организм человека, то она деградирует под действием нуклеаз и не может легко пересечь клеточную мембрану из-за своего размера и заряда, а ЛНЧ надежно доставляют ее в клетку, — пояснил соавтор исследования Чун-Ван Йен, старший научный сотрудник группы фармацевтических препаратов малых молекул Genentech.

В настоящее время ЛНЧ широко изучаются в качестве системы доставки вакцин против других инфекционных заболеваний или терапевтических вакцин против рака. Жизнеспособность этих новых приложений будет зависеть от того, насколько хорошо липидные оболочки соединяются с клетками-мишенями, насколько стабильны составы лекарственных ЛНЧ при хранении (чтобы они имели длительный срок годности) и насколько они стабильны в организме (чтобы обеспечить длительную активность лекарств).

Все эти свойства контролируются смесью молекул, используемых для создания ЛНЧ, и полученной 3D-структурой частицы. Команда под руководством Йена и его соруководителей Грега Хура и Михала Хаммела, оба биофизики из Лаборатории Беркли, уже несколько лет изучает способы настройки структуры ЛНЧ для получения желаемых свойств.

Их последняя работа, опубликованная в журнале ACS Nano, рассказывает о том, как высокопроизводительный рабочий процесс позволяет производить и характеризовать ЛНЧ с рекордной скоростью. В работе также впервые продемонстрировано, как структура ЛНЧ коррелирует с активностью его содержимого, в качестве которого в данном исследовании выступал антисмысловой олигонуклеотид (АСО) или антисенс. АСО — это небольшие фрагменты РНК или пар оснований ДНК, которые блокируют экспрессию генов, связываясь с нитями мРНК и препятствуя их трансляции в белки. АСО — отличный способ лечения заболеваний, вызванных дефектами белков или их переизбытком. Однако, как и мРНК, они чувствительны к блуждающим нуклеазам — ферментам, разрушающим РНК и ДНК, и клетки не очень охотно их поглощают.

Ученые обнаружили, что ЛНЧ, несущие АСО, с аккуратно упорядоченной и плотно упакованной внутренней структурой, лучше заглушают дефектный ген в нейронах человека, связанный с дегенеративным заболеванием, по сравнению с ЛНЧ, имеющими более беспорядочную структуру. Полученные результаты были получены в ходе исследований на клетках, а не на животных, так что впереди еще много работы, но команда с нетерпением ждет развития этих идей, используя взаимодополняющие инструменты каждого института.

Мы генерируем ЛНЧ с высокой производительностью, а команда Грега и Михала может предложить высокопроизводительный анализ, — говорит Йен.

Если вы посмотрите на публикации в настоящее время, то, как правило, они делают только одну или две формулы, но у нас все по-другому. Мы можем генерировать большие массивы данных, и я думаю, что именно поэтому мы можем получить этот очень уникальный и интересный результат.

«В этой работе действительно изложен метод, который мы собираемся применить к тысячам других составов, которые мы намерены охарактеризовать», — добавил Хура, сотрудник отдела биологических наук Лаборатории Беркли. „Мы надеемся, что это станет общим методом оптимизации липидных наночастиц. Будь то вакцины, и, опять же, вакцинам пока уделяется наибольшее внимание, но этот тип терапии имеет очень широкое применение и за его пределами“.

Как создать липидную наночастицу

Структура ЛНЧ зависит от того, как их смешивать, с чем и в каком порядке. В состав ЛНЧ входят четыре компонента — ионизируемые липиды, фосфолипиды-помощники, холестерин и полиэтиленгликоль-липиды (ПЭГ-липиды) — и каждый из них имеет различные формы. Кроме того, они могут сочетаться в различных соотношениях, что приводит к экспоненциальному числу возможных формул. Еще больше усложняет ситуацию то, что ЛНЧ изменяются со временем. Препарат, начинающийся как аккуратная, плотно упакованная сфера, со временем превращается в более неупорядоченную структуру.

Ученые компании Genentech разработали роботизированный технологический процесс, позволяющий генерировать сотни составов ЛНЧ всего за несколько часов. Образцы каждой формулы затем доставляются в Лабораторию Беркли для проведения малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) на Advanced Light Source — круговом ускорителе частиц, создающем рентгеновские пучки различных энергий.

Биологическая линия SAXS позволяет быстро обрабатывать большое количество образцов, и, в отличие от других видов рентгеновской дифракции на биологических материалах, образцы не нужно замораживать или кристаллизовать, что может изменить структуру ЛНЧ и помешать ученым выяснить, как выглядят ЛНЧ при физиологических температурах в человеческом организме. SAXS также позволяет снимать ЛНЧ в определенные моменты времени для определения долговечности их структуры.

Кроме того, команда Genentech использует ускоренный процесс для изучения того, как ЛНЧ влияют на экспрессию генов в клетках-мишенях. Сочетание всех этих ускоренных методов позволяет совместной работе проводить скрининг потенциальных ЛНЧ с беспрецедентной скоростью.

Йен планирует и в дальнейшем использовать линию SAXS для изучения мелких деталей, например, как изменение концентрации ингредиентов на 1% или использование нового оборудования в процессе производства может повлиять на клеточную активность ЛНЧ, а также для решения крупных вопросов, таких как поведение ЛНЧ, несущих другие типы грузов, и их взаимодействие с различными клетками-мишенями.

Мы знаем, что ЛНЧ с мРНК работают, но в этом вопросе все еще существует огромный пробел, — заключил Йен.

Поэтому мне кажется, что наша работа является пионерской в этой области, и я надеюсь, что мы сможем получить больше данных и понимания для будущих применений.

17.07.2023