Наноинженеры используют наноалмазы для доставки лекарств

Исследователи из Северо-Западного университета показали, что наноалмазы — углеродные структуры, аналогичные алмазам, но в наномасштабе — эффективно доставляют химиотерапевтические препараты в клетки без негативных эффектов, связанных с текущими агентами доставки.

Их исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, первым демонстрирует использование наноалмазов, нового класса наноматериалов, в биомедицине. Модель может использоваться не только для доставки противораковых препаратов, но и для других применений, например, борьбы с туберкулезом или вирусными инфекциями.

Наноалмазы могут значительно улучшить лечение рака, ограничивая неконтролируемое воздействие токсичных препаратов на организм. Агрегированные кластеры наноалмазов идеально подходят для переноса химиотерапевтического препарата и его защиты от нормальных клеток. Препарат медленно высвобождается только после достижения клеточной мишени.

Ещё одно преимущество материала, подтвержденное серией генетических исследований, — наноалмазы не вызывают воспаления клеток после высвобождения препарата. Материалы, используемые в настоящее время для доставки лекарств, могут вызывать воспаление — серьезное осложнение, которое может предрасполагать пациента к раку, блокировать действие противораковых препаратов и даже способствовать росту опухоли.

«Существует много материалов, которые хорошо доставляют лекарства, но нам нужно смотреть, что происходит после доставки», — говорит Дин Хо, доцент биомедицинской и машиностроительной инженерии, руководивший исследованием. «Как клетки реагируют на искусственный материал, оставшийся в организме? Наноалмазы — высокоупорядоченные структуры, которые нравятся клеткам. Если бы это было не так, клетки воспалялись бы».

«Новые системы доставки лекарств, подобные разрабатываемой Дином и его командой, имеют большие перспективы в терапии рака», — говорит Стивен Розен, директор Онкологического центра Роберта Х. Лурье. «Мы ожидаем, что они позволят применять более сложные средства нацеливания на раковые клетки, избавляя здоровые клетки от токсичности препарата».

Как это работает

Чтобы сделать материал эффективным, исследователи манипулировали отдельными наноалмазами диаметром всего 2 нм, формируя агрегированные кластеры размером от 50 до 100 нм. Препарат, загруженный на поверхность отдельных алмазов, не активен, пока наноалмазы агрегированы; он становится активным только тогда, когда кластер достигает своей цели, распадается и медленно высвобождает препарат.

«Кластер наноалмазов обеспечивает мощное высвобождение в локализованном месте — эффективный, но менее токсичный метод доставки», — говорит соавтор Эрик Пьерсторфф.

Благодаря большой доступной площади поверхности, кластеры могут нести большое количество препарата — почти в пять раз больше, чем обычные материалы.

Преимущества перед существующими системами

В настоящее время для доставки лекарств используются липосомы и полимеросомы. Хотя они эффективны, это, по сути, полые сферы, загруженные активным препаратом, готовым убивать любые клетки, даже здоровые, встречающиеся на пути к цели. Кроме того, они очень велики — примерно в 100 раз больше наноалмазов.

В отличие от многих новых наночастиц, наноалмазы растворимы в воде, что важно для клинического применения. Они также очень стабильны, и с их поверхностью можно проводить много химических реакций для дальнейшего функционализирования и придания им целевых свойств.

Экспериментальные результаты

В исследовании использовали живые клетки макрофагов мыши, клетки колоректальной карциномы человека и доксорубицина гидрохлорид — широко используемый химиотерапевтический препарат. Препарат был успешно загружен на кластеры наноалмазов, которые эффективно доставили его внутрь клеток. Попав внутрь, кластеры распались и медленно высвободили препарат.

В генетических исследованиях клетки подвергали воздействию чистых наноалмазов (без препарата) и анализировали три гена, связанных с воспалением, и один ген апоптоза (гибели клеток). Было обнаружено отсутствие токсичности или воспаления в долгосрочной перспективе, а также отсутствие гибели клеток. Клетки хорошо росли в присутствии материала наноалмазов.