Управляемая проницаемость сосудов может помочь в доставке лекарств

Ученые из Университета Райса и их коллеги обнаружили, что, возможно, можно избирательно открывать щели в плотном барьере эндотелиальных клеток, выстилающих кровеносные сосуды, чтобы пропустить крупные молекулы, а затем снова закрывать их.

Биоинженер Ганг Бао и сотрудники из Университета Эмори и Технологического института Джорджии сообщили об использовании магнитов для внедрения наночастиц оксида железа в эндотелиальные клетки как в лаборатории, так и in vivo. Затем те же магниты используются для временного создания «протекающих» сосудов.

Эта проницаемость позволит крупномолекулярным препаратам достигать целевых тканей. Сильные магниты могут направлять стволовые клетки, содержащие наночастицы, или сами наночастицы с лекарством в целевые области, даже в глубокие ткани, такие как органы, недоступные для современных методов лечения.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

«Для многих заболеваний системная доставка через кровоток — единственный способ доставить молекулы к цели. Малые молекулы могут проникать через кровеносный сосуд, но крупные молекулы, такие как белки или наночастицы с лекарством, не могут эффективно пройти эндотелий, если он не протекает», — пояснил Бао.

Кровеносные сосуды в раковых опухолях обычно имеют отверстия в эндотелиальном барьере, но они не закрываются по требованию, как надеются сделать Бао и его команда.

Помимо молекул лекарств, Бао хочет использовать магниты для доставки стволовых клеток с наночастицами к поврежденным тканям. «Если вы не можете сделать прямое введение стволовых клеток, например, в сердце, вам приходится использовать системную доставку, и вы не контролируете, куда они попадут».

«Наша первоначальная идея заключалась в доставке магнитных наночастиц в стволовые клетки, а затем использовании магнита для привлечения клеток в определенное место. В процессе мы также обнаружили, что, применяя магнитное поле, мы можем вызывать изменения в скелетной структуре клетки, в структуре актиновых филаментов», — сказал он.

Эти структурные элементы придают клеткам форму и помогают сохранять плотное соединение соседних клеток. «Мы подумали, что если мы сможем изменить межклеточные контакты с помощью магнитной силы, есть возможность управлять проницаемостью сосуда», — отметил Бао.

Лаборатория создала микрофлюидную проточную камеру, имитирующую сосудистую систему, и выстелила ее трубки настоящими эндотелиальными клетками. Эксперименты подтвердили гипотезу: при приложении магнитного поля к клеткам с наночастицами щели открывались. Прекращение воздействия позволило большинству щелей закрыться через 12 часов.

Микроскопические изображения показали, что флуоресцентно-меченые наночастицы равномерно распределялись внутри эндотелиального канала без магнитного поля. При его приложении частицы перераспределялись, и создаваемая ими сила деформировала цитоскелет.

На некоторых изображениях наблюдалось, как актиновые филаменты, помогающие придавать клетке форму, выстраиваются вдоль силовых линий. «Это довольно резкое изменение. Как только вы прикладываете силу, со временем структура клеток меняется. Это приводит к открытию межклеточных контактов», — сказал Бао.

Бао отметил, что магнитная сила также генерирует биологический сигнал, изменяющий структуру цитоскелета. «Это также способствует увеличению проницаемости. Мы все еще пытаемся понять, какой сигнал мы даем клеткам и как отдельные клетки на него реагируют».

Хотя существуют методы облегчения двух типов транспорта через эндотелиальный барьер — параклеточного (между клетками) и трансцеллюлярного (через клетки) — ни один из них не позволяет нацеливаться на конкретные области тела. Подход команды Бао предлагает решение.

Его группа участвует в совместном проекте по восстановлению коленного сустава с лабораторией доктора Джонни Хуарда. «Проблема в том, как накопить терапевтические стволовые клетки вокруг колена и удержать их там. После инъекции клеток с наночастицами мы хотим разместить вокруг колена массив магнитов для их привлечения».

«Но если нужно лечить сердце или печень, потребуется довольно большое устройство для создания необходимого магнитного поля. У нас его пока нет. Перевод этого метода в клиническую практику будет сложной задачей», — заключил Бао.