Физики предлагают устроить лекарствам гимнастические тренировки. Гибкие терапевтические частицы смогут дольше циркулировать в крови и проникать через барьеры, на порядки усиливая действие лекарств.
Самые стойкие и живучие клетки млекопитающих – не те, которые сопротивляются давлению окружающих «соседок» или физиологических жидкостей. Напротив, долгожительствуют и распространяются «гуттаперчевые» клетки, которые могут в нужный момент ужаться, растянуться, скрутиться и после всех трюков снова принять нормальную форму. Если бы лекарственные частицы «ужимались и растягивались», то не было бы необходимости глотать пачками медикаменты, большая часть которых «оседает» на физиологических барьерах и не оказывает лечебного воздействия.
Гуттаперчевые клетки
Красные кровяные тельца (эритроциты) – одни из самых гибких клеток. Они способны «упаковаться», «кувыркнуться», «потянуться» и таким способом протиснуться через просвет капилляра, меньший, чем диаметр самой клетки. За сто двадцать дней клеточной жизни мембрана эритроцитов претерпевает биохимические изменения и постепенно утрачивает гибкость. Старые (негибкие) эритроциты выбывают из общего кровотока, оседая на «фильтрах» селезенки. Помимо клеток крови, необыкновенными «гимнастическими» способностями обладают метастазирующие клетки рака.
Биофизики под руководством Тимоти Меркеля (Timothy J. Merkel) из Университета Северной Каролины (North Carolina State University) позаимствовали природную идею. Они предположили, что, изменяя гибкость (а не размер) клеток или терапевтических «контейнеров», можно доставлять молекулы к органам (тканям) и управлять «поведением» лекарственных частиц в организме. То есть если терапевтическая частица не лечит, потому что не может протиснуться через физиологический барьер, то ее не нужно усекать (и тем самым лишать полезных свойств). Необходимо просто придать ей гибкость.
Для эксперимента ученые создали искусственные эритроциты. Точнее, гелевые частицы, по размеру, форме и биомеханическим свойствам схожие с красными кровяными тельцами мышей. Штампованные с помощью технологии PRINT (Particle Replication in Non-wetting Templates – репликация частиц на несмачиваемой матрице) сделанные на основе акрилатов гелевые диски не токсичны и биосовместимы с другими клетками организма.
В первом опыте ученые пропускали гелевые эритроциты (диаметр 6 мкм) различной гибкости через искусственные капилляры (систему каналов размером 3×3,5 мкм). Как и предполагалось, самые жесткие эритроциты закупоривали лабораторные поры и надламывались, более гибкие – утягивались и пробирались через узкий просвет.
В эксперименте in vivo ученые следили за поведением искусственных эритроцитов в кровеносных сосудах мышей. Самые пластичные частицы циркулировали в крови без значительного отфильтровывания органами в 30 раз дольше по сравнению с жесткими (период полувыведения «гуттаперчевых» искуственных эритроцитов -- 93.29 часа, жестких -- 2.88 часа). Более того, гелевые эритроциты выводились из организма разными способами: твердые частицы оседали в легких, а мягкие отфильтровывались через селезенку как настоящие эритроциты.
Ученые отмечают, что им теперь нужно «научить» искусственные клетки выполнять биологические функции – переносить кислород, питательные вещества и лекарственные молекулы. И можно запускать их в кровь.
Результаты исследования опубликованы в статье Using mechanobiological mimicry of red blood cells to extend circulation times of hydrogel microparticles в журнале PNAS.
