Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ разработали и изучили биогибридные лекарственные нанокомплексы на основе натуральных компонентов, обладающие антибактериальной и противораковой эффективностью. Результаты этих структурных и морфологических исследований в будущем могут стать основой для получения лекарств нового поколения, которые будут бороться с устойчивыми микробами.

14 февраля первые результаты по созданию препаратов нового поколения на основе фитогенерированных Ag/AgCl наночастиц представила старший научный сотрудник ЛНФ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова на тематическом семинаре по надатомным структурам Научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ. Она рассказала, что перед научной группой ЛНФ ОИЯИ стояла задача разработать и провести структурные, спектральные и морфологические исследования, по результатам которых были бы отобраны стабильные биогибриды с требуемыми параметрами: состав, форма, размер. После характеризации требовалось провести ряд биологических тестов выбранных нанокомплексов, чтобы определить возможность их применения в борьбе как с резистентными бактериями, так и с раковыми заболеваниями.

Юлия Горшкова за работой на атомно-силовом микроскопе в ЛНФ ОИЯИ

В настоящее время синтез нового поколения нанопрепаратов для адресной доставки лекарств стал одной из актуальных задач современной фармакологии, поскольку они потенциально могут помочь в решении таких злободневных проблем, как борьба с устойчивыми к антибиотикам бактериями и раковыми заболеваниями. В 2019 году, по статистике, приведенной в журнале Lancet, смерть без малого пяти млн человек была связана с лекарственно-устойчивыми бактериальными инфекциями. Самые распространенные из которых: кишечная палочка, золотистый стафилококк, клебсиелла пневмонии, пневмококк, сальмонелла. Каждая шестая смерть в мире, по данным Всемирной организации здравоохранения, вызвана раком.

Юлия Горшкова отметила, что на сегодняшний день на рынке лекарственных препаратов преобладают синтетические лекарственные средства, однако в последние годы разработчики все чаще заменяют отдельные компоненты полностью натуральными веществами или производными этих веществ. Перед синтетическими они имеют ряд преимуществ — это меньшая токсичность, а также не только меньшее воздействие на иммунную систему, но и в определенной мере даже ее поддержание.

Все вещества, использованные учеными ОИЯИ при создании биосовместимых гибридных нанокомплексов, основаны на натуральных компонентах. Первым таким компонентом стали «зеленые» наночастицы серебра и хлорида серебра, для получения которых были использованы выжимки из корня куркумы либо смеси листьев винограда и мяты. Также в качестве компонентов были использованы липосомы соевого лецитина и хитозан.

«Помимо того, что любая клетка защищена мембраной, сама мембрана также имеет защитную оболочку – гликокаликс. Чтобы преодолеть эту защиту и доставить наш материал в клетку, мы применили природный биополимер – хитозан. Он нетоксичный, малоаллергичный, биосовместимый и биоразлагаемый», — пояснила докадчик.

В результате ученые получили три биогибридных нанокомплекса, которые в дальнейшем были изучены различными физико-химическими методами, в частности, при помощи малоуглового и рентгеновского малоуглового рассеяния, сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. УФ-видимая и инфракрасная спектроскопия позволила ученым провести идентификацию функциональных групп и взаимодействие между компонентами биогибридных систем, а рентгеновская дифракция позволила определить размеры кристаллитов, из которых состоят наночастицы. При помощи атомно-силовой спектроскопии на топологических снимках ученые изучили структуру и форму полученных наночастиц: гладкие частицы без хитозановой оболочки и более шероховатые, покрытые хитозаном. Также с помощью этого метода были проанализированы размеры разработанных материалов и их компонентов. Полученные результаты были подтверждены в дальнейшем и методом малоуглового рассеяния, преимуществом которого является возможность исследования бологических систем в нативной среде. Измерения проводились на спектрометре малоуглового рассеяния нейтронов ЮМО на импульсном реакторе ИБР-2.

«На примере этих объектов очень хорошо «работает» комплементарность нейтронного и рентгеновского рассеяния, особенно когда концентрации веществ невелики, как в нашем случае, и нужно посмотреть структуру отдельных компонентов. Здесь нейтроны реактора ИБР-2 помогли нам установить мультиламеллярную структуру липосом (к наночастицам серебра они не чувствительны), а с помощью рентгеновского излучения мы охарактеризовали сами наночастицы», — отметила Юлия Горшкова.

Комплекс спектрометров исследовательского реактора ИБР-2

Вместе с этим, на каждом этапе характеризации разработанных нанокомплексов осуществлялся контроль их стабильности. И по данным эксперимента наиболее стабильным оказался комплекс, в котором липосомы были окружены наночастицами.

Проведенные тесты на биологические активности полученных биосовместимых гибридных нанокомплексов показали их хорошую антиоксидантную активность.

Антибактериальная активность была изучена на грамм-положительных и грамм-отрицательных бактериальных клетках. «Протестировав наши разработанные наноматериалы против энтерококка, мы не получили достаточный результат, что является поводом для дальнейшей модификации разрабатываемой наносистемы. При этом против стафилококка и палочки Коха был получен весомый результат, который позволяет говорить, что на таких биоматериалах, которые базируются на природных компонентах, можно разработать новое поколение лекарств, которые будут бороться с устойчивыми микробами», – отметила Юлия Горшкова.

Ученые также провели мониторинг противораковой эффективности, определив терапевтический индекс нанокомплексов. Для некоторых получившихся систем он превысил единицу, а это означает, что его активность против раковых клеток больше, чем против здоровых клеток.

Спектрометр ЮМО

В эксперименте in vitro на клеточных линиях рака толстой кишки и рака печени человека все комплексы показали свою активность. Были также определены рабочие концентрации обработки клеток разработанными наноматериалами. Два из трех разработанных комплекса показали гемолитическую активность, что значит, что они могут разрушать клетки крови. Однако третий композит, имеющий в своем составе биоподобные липидные бислои, показал отсутствие гемолитической активности и проявил наиболее высокую из трех композитов эффективность.

Говоря о практическом применении проведенных исследований, Юлия Горшкова отметила, что использованные методы и приборы могут активно применяться на всех стадиях разработок фармакологических препаратов. «Мы можем осуществлять мониторинг структуры, стабильности на каждом этапе разработки таких лекарств, в том числе применять эти методы в доклинических испытаниях. Очевидно, что от качества проведенных структурных измерений зависит сохранность времени и денег, которые уйдут на клинические испытания и внедрение этих материалов в продажу», — подчеркнула она, отмечая преимущества применяемых методик, а также приборной базы Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ.

По результатам работы были опубликованы две статьи: Gorshkova Yu., Barbinta-Patrascu M.E., et al. Biological Performances of Plasmonic Biohybrids Based on Phyto-Silver/Silver Chloride. 2021. Nanomaterials. 11. 1811 и Barbinta-Patrascu M.E., Gorshkova, Yu., et al. Characterization and antitumoral activity of biohybrids based on turmeric and silver/silver chloride nanoparticles. 2021. Materials, 14, 4726.

Работа выполнена в международной коллаборации химиков, биологов, физиков и медиков из пяти стран: России, Румынии, Сербии, Польши и Чехии при финансовой поддержке грантов и программ ОИЯИ-Румыния.

Доклад об актуальности структурных и морфологических исследований для решения современных задач биомедицины будет представлен вниманию Ученого совета ОИЯИ на заседании 25 февраля.