Адресная доставка лекарств позволяет лекарственным препаратам действовать именно в очаге заболевания, избегая при этом вредных побочных эффектов в других частях тела.
Новый концептуальный проект, опубликованный в журнале Nature Chemical Biology, сделал важный шаг вперёд в разработке этих технологий, которые однажды могут быть использованы для лечения рака.
«Мы наконец-то выяснили, как производить эти системы быстрее, в большем масштабе и со значительно повышенной логической сложностью», — говорит Коул ДеФорест, старший автор исследования из Вашингтонского университета (UW) в США.
«Мы воодушевлены тем, как это приведёт к созданию более сложных и масштабируемых методов лечения заболеваний».
Теоретические биомаркеры
Учёные разработали умную структуру «хвоста», которая присоединяется к концам белков, используемых в лекарственной терапии. Хвост может контролировать местоположение и движение белка на основе специфических сигналов окружающей среды или «биомаркеров» в его окружении.
Хвосты складываются в заранее запрограммированные формы, которые определяют, как белок будет реагировать на различные биомаркеры, такие как pH или присутствие определённых ферментов.
Хотя в прошлом использовались аналогичные стратегии, они были сосредоточены только на одном биомаркере, который может присутствовать в нескольких областях тела. Это означает, что, хотя доставка может быть предназначена для конкретной цели, лекарство может оказаться и в других местах.
«С правильной комбинацией биомаркеров эти материалы будут становиться всё более и более точными», — говорит ДеФорест.
В предыдущей работе лаборатория ДеФореста разработала новую группу материалов, которые могут реагировать на несколько биомаркеров с использованием «булевой логики» — концепции, используемой в компьютерном программировании.
Структуры-связки могут выполнять различные логические операции. В рамке 1 показано, как терапевтический белок (звезда) высвобождается из материала (розовый клин) при наличии биомаркера X или Y. В рамке 2 белок высвобождается только при наличии обоих биомаркеров X и Y. Структуры-связки могут быть соединены последовательно или вложены друг в друга для создания более сложных логических схем. Будущие методы лечения могут использовать эти структуры для целенаправленной доставки лекарств.
«Мы поняли, что можем запрограммировать высвобождение терапевтических препаратов, основываясь просто на том, как они соединены с материалом-носителем», — говорит ДеФорест.
«Например, если мы свяжем терапевтический груз с материалом через две последовательно соединённые разрушаемые группы — то есть одну за другой — он будет высвобожден, если будет разрушена любая группа, действуя как вентиль «ИЛИ».
«Когда разрушаемые группы были соединены параллельно — то есть каждая на разной половине цикла — обе группы должны были быть разрушены для высвобождения груза, функционируя как вентиль «И».
«Интересно, что, комбинируя эти базовые вентили, мы можем легко создавать сложные логические схемы».
С тех пор в этой области появились новые инструменты на основе белков, которые позволяют исследователям формировать постоянные связи между белками, добавляет соавтор Мюриэль Росс, докторант в области биоинженерии из Вашингтонского университета.
«Это открыло двери для новых белковых структур, которые ранее были недостижимы, что сделало возможными более сложные логические операции».
Исследовательская группа разработала белковые хвосты, которые складываются в индивидуальные формы для создания сложных логических схем. В рамке 1 показан белок, разработанный для реагирования на 5 различных биомаркеров. В рамке 2 показаны логические условия, которые должны быть выполнены для полного разрушения хвоста и высвобождения белка.
Производство сложных белков
Также стало практически возможным производить эти сложные белки в живых клетках, например, в бактериях.
Традиционные процессы требуют месяцев для производства всего нескольких миллиграммов материала. Команда оптимизировала процесс, доведя материал от разработки до продукта за считанные недели.
Исследователи планируют сотрудничать с другими лабораториями, чтобы помочь преобразовать их разработки в реальные методы лечения. Они также продолжают искать новые биомаркеры для повышения точности своего подхода.
«Мы мечтаем о том, чтобы иметь возможность выбрать любое произвольное место внутри тела — вплоть до отдельных клеток — и запрограммировать материал так, чтобы он действовал там», — говорит ДеФорест.
«Это непростая задача, но с помощью этих технологий мы приближаемся к её решению».