Исследователи из Школы молекулярной инженерии Университета Чикаго (UChicago PME) разработали наночастицы на полимерной основе, которые формируются при простом изменении температуры — без использования агрессивных химикатов, специализированного оборудования и дополнительной обработки.
Новые наночастицы
Описанные в Nature Biomedical Engineering, эти наночастицы самособираются в воде при комнатной температуре. Благодаря мягким условиям они могут доставлять белки, которые нестабильны во многих существующих формулах наночастиц.
«Что меня восхищает в этой платформе, так это её простота и универсальность. Просто нагрев образца с температуры холодильника до комнатной, мы можем надёжно получить наночастицы, готовые к доставке широкого спектра биологических препаратов», — сказал соавтор исследования Стюарт Роуэн, профессор молекулярной инженерии в Университете Чикаго и научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории.
Проблема доставки лекарств
Наночастицы играют ключевую роль в защите чувствительных лекарств, таких как РНК и белки, от разрушения в организме до того, как они достигнут нужных клеток. Например, липидные наночастицы (ЛНЧ), состоящие из жирных молекул, использовались для мРНК-вакцин COVID-19. Однако ЛНЧ требуют спиртовых растворителей и чувствительных этапов производства, что делает их плохо подходящими для доставки белков и затрудняет масштабирование.
«Мы хотели создать систему доставки, которая могла бы работать как для РНК-, так и для белковой терапии, потому что сейчас большинство платформ специализированы только под один тип», — сказал первый автор Самир Хоссейн, аспирант Школы молекулярной инженерии Университета Чикаго.
Разработка полимерных наночастиц
Хоссейн предположил, что наночастицы на полимерной основе могут предложить более надёжную и настраиваемую альтернативу. Он определил необходимые характеристики: иммунная система будет реагировать только на частицы определённого размера, формы и заряда. Затем он использовал химические инструменты для создания новых наночастиц с нуля.
После тестирования и тонкой настройки более чем десятка различных материалов он нашёл тот, который работал. В холодной воде полимер и любой желаемый белок оставались растворёнными. Но при нагревании до комнатной температуры полимер самособирался в наночастицы (или «полимеросомы») одинакового размера, окружающие молекулы белка.
«Размер наших частиц и морфология определяются только химией полимеров, которые я разработал снизу вверх», — объяснил Хоссейн. «Нам не нужно беспокоиться о формировании частиц разного размера, что является проблемой для многих современных наночастиц».
Тестирование новых полимеросом
Чтобы протестировать новые полимеросомы, Хоссейн работал с коллегами в лаборатории Роуэна, а также с бывшим профессором Школы молекулярной инженерии Университета Чикаго Джеффри Хаббеллом, который сейчас работает в Нью-Йоркском университете.
Сначала они показали, что частицы могут инкапсулировать более 75% белка и почти 100% короткой интерферирующей РНК (siRNA) — гораздо выше, чем у большинства существующих систем. Их также можно лиофилизировать и хранить без охлаждения до тех пор, пока они не понадобятся.
В контексте вакцинации Хоссейн и его коллеги обнаружили, что полимеросомы могут эффективно переносить белок и, при введении мышам, приводить к выработке у животных долгосрочных антител против этого белка.
Другой эксперимент показал, что наночастицы могут также переносить белки, предназначенные для предотвращения иммунной реакции в контексте аллергической астмы. А третий — что введение полимеросом в опухоли может блокировать гены, связанные с раком, и подавлять рост опухолей у мышей.
«Самое интересное, что нам не нужно было настраивать отдельную систему для каждого случая использования», — сказал Хоссейн. «Эта одна формулировка работала для всего, что мы пробовали — белков, РНК, активации иммунитета, подавления иммунитета и прямого нацеливания на опухоли».
Одним из самых больших преимуществ новых полимеросом перед текущими ЛНЧ является потенциал для низкотехнологичного, децентрализованного производства. Хоссейн говорит, что он представляет себе возможность отправки лиофилизированных составов наночастиц в любую точку мира. Когда их нужно будет использовать, их можно смешать в холодной воде, нагреть и они будут готовы к доставке пациентам.
«Возможность хранить их в сухом виде значительно улучшает стабильность РНК или белка», — сказал Хоссейн.
Группа продолжает работать над тонкой настройкой частиц для переноса большего количества типов грузов, включая матричную РНК, подобную той, что используется в вакцинах COVID-19 (обычно она гораздо больше, чем siRNA, используемая в текущих испытаниях).
Они также планируют сотрудничать в доклинических испытаниях, чтобы применить полимеросомы для решения реальных задач, связанных с доставкой вакцин или лекарств.
Предоставлено Университетом Чикаго.