Наночешуей горя: новые двумерные материалы улучшат доставку лекарств от рака
Российские ученые создали алгоритм, который позволил открыть новые материалы, способные менять свойства своей поверхности. Из них получают наночешуйки — микроскопические отшелушенные листы металлоорганических полимеров, — которые затем можно использовать в качестве оболочки для адресной доставки лекарств от рака. Такие капсулы с легкостью задерживаются в распухших опухолевых тканях, так как межклеточное пространство совпадает по размеру с наночастицами. Однако эксперты отмечают, что нужны тщательные исследования применения подобных структур в биомедицине, чтобы исключить случаи вреда организму.
Что такое наночешуйки
Российские инженеры из Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана создали алгоритм, который прогнозирует возможность отшелушивания материала, и с его помощью открыли более 3 тыс. новых наночешуйчатых материалов. Их особенность заключается в том, что они могут менять свойства поверхности, например собраться в единое полотно, которое можно будет использовать в качестве защитной оболочки для адресной доставки лекарств.
В 2010 году двое российских ученых получили Нобелевскую премию по физике за открытие и исследование графена — отшелушенных наночешуек графита. Затем стало известно, что металлоорганические координационные полимеры (МОКП), возможности структурного дизайна которых практически не ограничены, также могут выступать источником наночешуек, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией молекулярного моделирования ЦК НТИ МГТУ Евгений Александров.
— На данный момент известно более 30 тыс. МОКП, но сколько из них могут отшелушиваться в наночешуйки, было ранее неизвестно. Мы предложили алгоритм, который позволяет прогнозировать возможность отшелушивания, и, используя предложенную методику, нашли 3032 материала, которые потенциально могут быть отшелушены, — отметил он.
Результаты работы дают исследователям возможность целенаправленно изучать большое количество новых материалов, свойства которых отличаются от исходных МОКП, добавил эксперт. В работе было показано, что у отшелушенного материала больше поверхность и при адсорбции (процесс поглощения газов или жидкостей поверхностью твердых тел) они образуют пленку.
Такая пленка может положительно менять свойства поверхности, например увеличивать ее активность в каталитических процессах (возбуждения химических реакций. — «Известия»), улучшать селективность газоразделительных мембран, которая влияет на скорость очистки газа от примесей, адсорбировать другие наночастицы и прочее, объяснил Евгений Александров.
Как наноматериалы помогают бороться с раком
Кроме того, по словам ученого, отшелушенные наночешуйки могут собраться в материал, предварительно адсорбировав в межслоевом пространстве лекарственные молекулы. В этом случае можно получить защитную оболочку для адресной доставки лекарств в больные клетки.
— При попадании в организм лекарство воздействует не только на больные клетки, но и на здоровые. Химиотерапия в лечении онкологических заболеваний не проходит бесследно для организма в целом. Поэтому ученые ищут способы доставки лекарств исключительно в больные клетки. Средство доставки сможет высвобождать заключенное в нанокапсуле лекарство благодаря трем факторам, — рассказал Евгений Александров.
Речь про задерживание наночастиц в распухших тканях, так как межклеточное пространство совпадает по размеру с наночастицами. Также возможно облегченное проникновение нанокапсул через клеточную мембрану благодаря распознаванию, так как на поверхности наночастиц можно разместить специальные белковые метки. Еще один фактор — хорошее растворение нанокапсулы во внутриклеточной жидкости из-за высокой кислотности внутри больных клеток.
Двумерные (2D) наноматериалы в виде нанолистов, или, как их еще называют, наночешуек, обладают огромным потенциалом для применения в качестве добавок в материалы для управления их механическими свойствами, теплопроводностью и электропроводностью, светопропусканием или светоотражением. Кроме этого, сами эти наноматериалы могут быть использованы в качестве адсорбентов газов или ионов, что позволяет их использовать для очистки газов и жидкостей от посторонних примесей. Об этом «Известиям» сообщил старший научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Андрей Матвеев.
— Возможно, со временем эти материалы найдут применение и в биомедицине в качестве носителей терапевтических препаратов для их адресной доставки. Однако подобные применения требуют многосторонних исследований, поскольку необходимо соблюсти очень много факторов одновременно, и в первую очередь это биосовместимость. Кроме того, плоская (2D) морфология не считается оптимальной для адресной доставки, поскольку нанолисты могут привести к повреждению клеточных мембран (оболочек) и вызвать их гибель. Поэтому возникает вопрос, какое влияние окажут нанолисты, образующиеся после высвобождения лекарства. Можно предложить использовать их как раз таки для поражения раковых клеток, но все эти вопросы требуют детального изучения, чтобы по главной заповеди медиков «не навредить», — подчеркнул он.
С точки зрения перспективы создания материалов это достойная научно-исследовательская работа с хорошей доказательной базой, рассказал заведующий кафедрой биохимии имени академика Т.Т. Березова РУДН Вадим Покровский.
— Использование в данном случае чешуек — это один из возможных подходов, помимо которого существует еще множество различных, в том числе наночастиц или липосом, таргетированных (нацеленных) на конкретные мишени на опухолевых клетках. Относительно таргетности в данном случае есть сомнения, так как через воспаленные и поврежденные стенки сосудов молекулы и так проникают лучше, нежели через неповрежденные, тем самым нет очевидной необходимости покрывать их для этого графеновыми чешуйками, — прокомментировал специалист.
По словам разработчиков, наночешуйки можно использовать и для других сценариев, не только в биомедицине: управления окраской, газопроницаемостью, проводимостью (ионной, электронной), горючестью, морозостойкостью, механическим поведением, антикоррозийностью, тактильными ощущениями, электрооптическим откликом и другими свойствами полимерных материалов.
