Асимметричные микрокапсулы высвобождают груз при более низком осмотическом давлении для доставки лекарств

Доставка терапевтических биомолекул, заключенных в микрокапсулы, требует разрушения их оболочек после инъекции. Один из простейших триггеров для этого — осмотическое давление, возникающее при введении воды. Однако для создания достаточного внутреннего давления для разрыва капсулы требуется большое количество осмотического агента, а возникающее высокое давление разрыва может повредить ткани или вызвать образование тромбов.

Исследователи из Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering и John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) Гарварда разработали микрокапсулы с оболочками неравномерной толщины, которые разрываются при более низком осмотическом давлении, что безопаснее для организма. Исследование опубликовано в Small.

"Самый тонкий участок наших оболочек в 40 раз тоньше самого толстого, что значительно облегчает их разрыв и высвобождение груза. При этом микрокапсулы чрезвычайно прочны и не протекают без воздействия повышенного осмотического давления", — сказал первый автор Вэйся Чжан.

Для создания неоднородных микрокапсул использовалось микрофлюидное устройство со стеклянным капилляром по методу вода-в-масле-в-воде. Раствор сахарозы (осмотический агент) в воде инкапсулировали в оболочку из мономеров, суспендированных в масле. Под действием УФ-излучения мономеры сшивались, образуя твердую полимерную оболочку. Изменяя скорость потока "груза" и "оболочки" через устройство, команда добилась вариаций в толщине оболочки, создав асимметричные капсулы.

При добавлении воды и возникновении осмотического шока микрокапсулы начинали набухать в самом тонком месте оболочки. Через 20–30 минут оболочка трескалась, образуя отверстие размером в десятки микрометров, достаточное для высвобождения большинства биомолекул и наноматериалов. Увеличение разницы между самой тонкой и самой толстой частью оболочки повышало количество разорвавшихся микрокапсул.

"Возможность создавать микрокапсулы с высокой степенью неоднородности и высвобождать груз при гораздо меньшем осмотическом давлении открывает новые перспективы для контролируемой доставки, что очень важно для медицины", — отметил соавтор Лянлян Цюй.

Тесты на долговечность показали, что микрокапсулы не протекали в течение 30 дней, удерживая флуоресцентный полимер. Кроме того, протеаза, совместно инкапсулированная с сахарозой на 37 дней, сохранила 91% своей исходной активности после осмотического шока.

"По сравнению с другими системами контролируемой доставки, такими как клетки, наночастицы или везикулы, эта система высокоуниверсальна, стабильна и настраиваема", — сказал автор-корреспондент Дэвид Вайц.

Команда продолжает разработку, оптимизируя материал оболочки для дальнейшего снижения необходимого для разрыва осмотического давления. Планируется применять технологию для доставки лекарств, например, терапевтических антител, используя высокое содержание воды в организме как триггер для разрыва после инъекции.

"Этот проект — отличный пример того, как более простые решения часто оказываются лучше сложных. Для разрыва микрокапсул требуется лишь механическое давление, а не сложная химия или молекулярные переключатели", — заключил соавтор Дональд Ингбер.