Иногда лучший способ достичь значительного результата — начать с малого. Этот принцип лежит в основе новой работы исследователя из Университета Вирджинии, который специализируется на нанотехнологиях и контролируемой доставке медицинских препаратов.
Эван Скотт, профессор биомедицинской инженерии, имеющий двойное назначение в Школе инженерии и прикладных наук и в Медицинской школе Университета Вирджинии, является автором недавней публикации в Nature Communications. В ней он и команда коллег представили новый способ доставки поддерживающего лечения. Они разработали полимерную систему, которая самостоятельно собирается в организме для точного введения лекарств без запуска иммунного отторжения и без необходимости инвазивных процедур.
Технология может привести к значительным улучшениям во многих областях, включая разработку вакцин. «Это однажды может помочь нам оптимизировать новые составы вакцин — и сделать это быстрее», — сказал Скотт, выдающийся профессор Университета Томаса А. Сандерса III Jefferson Scholars Foundation, руководитель исследовательской лаборатории Скотта.
Лаборатория Скотта ранее работала в области биомимикрии, создавая наноразмерные транспортные средства для доставки лекарств на миллиардные доли метра, которые «копируют» структуру и функцию вирусов. Эти крошечные частицы безопасно доставляют лекарства к определённым клеткам и тканям, быстро вызывая терапевтический ответ для лечения заболеваний или даже для предотвращения отторжения органов.
Однако в текущих исследованиях биомимикрия используется для медленного высвобождения лекарств для решения проблем, требующих постоянной модуляции иммунной системы. Здесь Скотт копирует способность природы использовать иерархию: когда очень простые компоненты могут самоорганизовываться в более крупные и сложные структуры.
Например, представьте, что вы соединяете маленькие кубики LEGO, чтобы построить большой кирпич, а затем используете эти большие кирпичи для постройки замка. В этой иерархии крошечные кубики LEGO были основой гораздо более сложной структуры — замка.
«Большинство сложных вещей на самом деле состоят из очень простых маленьких частей», — объяснил Скотт. «Вы можете создать очень сложную структуру сверху вниз, но не всегда лучший или единственный способ — создавать её большой и сложной с самого начала. При создании наноразмерных материалов часто более эффективно использовать восходящую стратегию, сначала создавая простые маломасштабные компоненты, которые затем могут объединяться и масштабироваться, чтобы создать гораздо более крупный сложный механизм».
Например, коллаген, который составляет большую часть нашей кожи и поддерживает сухожилия, кости, связки и другие типы тканей, на самом деле состоит из очень маленьких аминокислот, которые соединяются вместе и организуются в более крупные белки, которые затем собираются в длинные спирали.
Чтобы максимизировать прочность и стабильность, эти спирали объединяются в фибриллы, которые в конечном итоге образуют толстые коллагеновые волокна, составляющие наши ткани. Эта иерархическая стратегия позволяет природе быть чрезвычайно эффективной, поскольку те же самые аминокислоты могут быть основой всех различных белков, тканей и органов в нашем теле.
В новом исследовании лаборатория Скотта создала небольшой синтетический полимер — пропиленсульфон, — который может проходить через несколько этапов иерархической сборки для создания различных типов каркасов в организме, которые могут загружать лекарства и медленно высвобождать их с течением времени.
Идея доставки лекарств из гелей и каркасов для поддерживающего лечения не нова, но часто это дорого и сложно, а в некоторых случаях требует инвазивных методов, таких как хирургия, сказал Скотт. «На самом деле это большая проблема, — сказал он. — Если вы заранее изготовите большой гель вне тела, для его имплантации потребуется операция, которая включает длительное время восстановления и риск инфекции. Здесь мы используем строительные блоки пропиленсульфона для сборки геля в ткани после простой неинвазивной инъекции».
В новой статье Скотт и его команда использовали свои новые синтетические материалы в качестве системы доставки вакцины, которая инструктирует иммунную систему организма быстро генерировать антитела для отражения атаки. Поскольку эти материалы могут самостоятельно собираться в организме, они могут образовывать точные, стабильные структуры, которые удерживают и высвобождают несколько компонентов вакцины с течением времени. Это позволяет разрабатывать вакцины, которые одновременно сложны и строго контролируются, не требуя хирургического вмешательства или сложных производственных этапов.
Большинство вакцин работают одним из двух способов: они либо используют весь патоген, либо определённые его части, которые можно очистить или синтезировать, чтобы безопасно запустить иммунный ответ, не вызывая заболевания.
Используя самособирающийся полимерный каркас, подход Скотта может имитировать некоторую из этой сложности, эффективно перенося несколько антигенов и адъювантов за одну инъекцию и контролируя, как и когда каждый из них высвобождается.
Новое исследование Скотта показывает путь вперёд для субъединичных вакцин, которые могут сделать их более эффективными и более быстрыми в производстве, одновременно достигая более высокой сложности, имитирующей ответы, полученные с помощью аттенуированных вакцин.
«Наш вопрос был: можем ли мы создать синтетическую субъединичную вакцину, которая имела бы больше компонентов от бактерий, может быть, пять или шесть, вместо обычных двух. Но вы также должны знать, какие части в ней есть и как контролировать количество каждого компонента, чтобы регулировать их действие», — сказал Скотт.
Этот прорыв в области материаловедения может помочь. Вместо того чтобы комбинировать элементы с двумя функциями, команда Скотта успешно внедрила пять компонентов, указав количество и скорость высвобождения каждого из них. Это может позволить им создавать и быстро оптимизировать более эффективную вакцину — с несколькими точками атаки против инфекции — контролируемым образом и с более быстрыми сроками производства.
Это немного похоже на использование подхода с кубиками LEGO — начиная с крошечных строительных блоков, которые соединяются в более крупную функциональную структуру. Здесь эти «блоки» — отдельные компоненты вакцины, а «замок» — это полностью собранная система доставки, которая высвобождает их в нужном порядке.
«Это действительно важно для нас, потому что демонстрирует новую систему доставки нескольких лекарств», — сказал Скотт. «Она может доставлять лекарства в новых комбинациях, включая антигены, адъюванты, антитела и ферменты, но также может оказать долгосрочное влияние на разработку и доставку вакцин в целом».