Системы на основе биополимеров для доставки лекарственных средств в головной мозг путем преодоления гематоэнцефалического барьера

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-73-10172

НазваниеСистемы на основе биополимеров для доставки лекарственных средств в головной мозг путем преодоления гематоэнцефалического барьера

Руководитель Силантьев Владимир Евгеньевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" , Приморский край

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые слова наночастицы, биополимеры, гематоэнцефалический барьер, системы доставки лекарств, таргетирование лекарственных средств, ионное гелирование

Код ГРНТИ31.27.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Большинство препаратов, разрабатываемых для терапии заболеваний головного мозга, не могут успешно использоваться in vivo из-за избирательной проницаемости гематоэнцефалического барьера. Таким образом, существует довольно ограниченное число препаратов, которыми располагает современная медицина, потенциально применимых для лечения данных болезней. Среди них опухоли и нейродегенеративные заболевания относятся к наиболее опасным как с точки зрения инвалидизации, так и в ввиду высокой смертности. В качестве основного метода лечения опухолей головного мозга активно практикуется хирургическое вмешательство и ее радикальное удаление в тех случаях, когда это возможно. Нейродегенративные заболевания поддаются медикаментозному лечению с большим трудом. Логичным выходом из сложившейся ситуации является создание комплексной системы, сочетающей высокоэффективный препарат и субстрат для его доставки. В качестве развития данной парадигмы мы предлагаем разработку биополимерных наночастиц, функционализированных лекарственными препаратами и таргетирующими молекулами. Ранее в хирургической практике биополимерные наноразмерные системы, сочетающие систему доставки, таргетирующие молекулы и лекарства, не применялись. Эффект от использования таких композиционных материалов может значительно улучшить классические методы лечения, так как возможно снижение дозы препаратов и их общей токсичности за счет прицельного воздействия на определенные типы клеток.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основной целью данного проекта является отработка методов получения биосовместимых наноразмерных частиц на основе биополимеров для создания на их основе коллоидных систем доставки лекарственных средств против онкологических заболеваний головного мозга. Доставка лекарств в ткани мозга через кровоток возможна только за счет транспорта через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Лиофильные коллоидные системы - наиболее востребованные структуры для хранения и доставки лекарств. К ним относятся микроэмульсии, образованные поверхностно-активными веществами, мицеллами и частицами различных размеров. Микроэмульсии обладают рядом преимуществ, таких как зависимость свойств только от состава, а не от условий смешивания компонентов, и большой внутренний объем капель. К основным недостаткам можно отнести наличие поверхностно-активных веществ и со-поверхностно-активных веществ в высоких концентрациях. Материалы для фармацевтического применения должны содержать нетоксичные и биосовместимые компоненты. Создание частиц на основе биополимеров или их производных считается отличной альтернативой с этой точки зрения. Более того, именно в случае с частицами становится возможным создание коллоидных наноразмерных систем для исключительных случаев, таких как заболевания, в том числе злокачественные опухоли мозга. В отличие от вышеупомянутых эмульсий и мицелл, в случае нано- и микрочастиц большую роль уже играют условия и порядок синтеза, а также варьирование состава. Но такой подход, в свою очередь, дает свои преимущества в виде широкого спектра свойств, тонкая настройка которых позволит решить множество эксклюзивных задач. В случае с мозгом это поверхностный заряд, механические или вязкоупругие свойства самих нано- и микроматериалов. Также важным фактором, определяющим сам факт формирования частиц, является состав и стехиометрическое соотношение исходных компонентов при их производстве. Частицы для такой задачи должны обладать набором специфических параметров: определенными размерами (не более 200 нм по литературным данным), механическими свойствами (модуль Юнга и адгезия), межфазными параметрами (в частности, электрокинетический потенциал двойного электрического слоя). Кроме того, материалы должны обладать хорошими сорбционными свойствами в отношении широко применяемых на практике лекарственных препаратов, способностью к контролируемому их выходу при определенных физиологических условиях. При этом должна существовать возможность поверхностной модификации частиц с целью специфического поглощения частиц непосредственно злокачественными клетками. Полисахариды пектин и хитозан были выбраны в качестве источников синтеза наночастиц. Это биосовместимые и биоразлагаемые полимеры, способные к гелеобразованию и обладающие рядом бактериостатических и даже противоопухолевых свойств. Кроме того, отмечалась возможность использования их для создания полиэлектролитных комплексов (ПЭК). За счет точного подбора их полиэлектролитных структур в определенных соотношениях возможно создание материалов с заранее определенными параметрами. Синтез наночастиц отдельных полисахаридов и ПЭК осуществляли методом ионного гелирования, специально адаптированным к каждому конкретному случаю. Преимуществом разработанных методик является отсутствие поверхностно активных веществ. Это должно было способствовать улучшению эффективности сорбции и возможности дальнейшей поверхностной пришивки специфичных к опухолевым клеткам антител. На данном этапе реализации проекта завершены работы по нескольким вариантам поверхностной пришивки к наночастицам ПЭК флуоресцеиновых меток для осуществления биоимиджинга в последующих экспериментах in vivo и in vitro. Наиболее эффективной методикой оказалась коньюгация флуоресцеина к макромолекулам пектина с предварительной активацией азотсодержащих групп. Состав веществ для создания линкера подбирался в зависимости от приблизительного соотношения аминогрупп хитозана и карбоксильных групп пектина. Установлено, что макромолекулы существенно снижают эффективность флуоресценции, но в нашей работе удалось этого избежать. Таким же методом боли коньюгированы антитела, специфичные к NCAM1 и PDL1 клеток мультиформной глиобластомы U87-MG. Проведен комплексный анализ полученных модифицированных коллоидных структур: оценка размеров и структуры микроскопией высокого разрешения, в том числе электронной просвечивающей, морфологии и наномеханических свойств с использованием уникальной станции на основе атомно-силового микроскопа Bruker BioScope Resolve, позволяющего проводить съемку нативных наногелей в различных жидкостях, имитирующих физиологические среды. Проведена оценка инкапсуляции и выхода молекул лекарственных средств, преимущественно на примере темозоломида. Кинетика сорбции исследована методом подбора и анализа типовых кинетических моделей. Результаты показали корреляцию полученных данных с кинетическими параметрами процесса первого порядка, а также возможность описания данного процесса моделью Хигучи, которая позволяет описывать системы с разной геометрией и пористостью. Исследованы различные модельные системы, имитирующие работу ГЭБ. Установлено, что транспорт через ГЭБ разработанных наночастиц возможен, преимущество за счет клатрин-зависимого трансцитоза и ZO-зависимого парацитоза. Была подтверждена эффективная пришивка к углеводным материалам антител, которые не теряли своих свойств. Данная система обладает большим потенциалом для тестирования химиотерапевтических средств на различных моделях глиом, в условиях, максимально приближенных к реальным условиям развития опухоли. Проведен предварительный эксперимент in vivo, с использованием самцов лабораторных мышей линии CBA. Результаты лишний раз подтверждают необходимость проведения полноценных экспериментов и скорейшего введения разработанных материалов в промышленное производство.

Публикации

1. Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. Биополимерные полиэлектролитные наночастицы различной структуры для доставки лекарственных препаратов против онкологических заболеваний головного мозга Современные вызовы молекулярной биологии. Материалы II школы молодых ученых. Шерегеш, 30 марта– 4 апреля 2025 г. – Новосибирск. ООО «Офсет-ТМ». 2025. – 97 стр., Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. «Биополимерные полиэлектролитные наночастицы различной структуры для доставки лекарственных препаратов против онкологических заболеваний головного мозга» // I-я школа молодых учёных «Современные вызовы молекулярной биологии», «СВМБ-2025»: сборник материалов. Устный доклад (пленарный доклад). Новосибирск: ООО «Офсет-ТМ, 2025. – С. 80 ISBN 978-5-85957-230-4. Экспертное заключение комиссии ДВФУ от 17.03.2025. (год публикации - 2025)

2. Шатилов Р.А., Силантьев В.Е., Шмелев М.Е., Белоусов А.С., Кумейко В.В. Получение пектиновых наночастиц и изучение их влияния на клетки глиобластомы человека U87MG IV межвузовская студенческая конференция "Студенческий биохимический форум 2024" (30, 31 марта, 1 апреля, Москва, МГУ им М.В. Ломоносова, Биологический факультет). Материалы конференции., Шатилов Р.А., Силантьев В.Е., Шмелев М.Е., Белоусов А.С., Кумейко В.В. «Получение пектиновых наночастиц и изучение их влияния на клетки глиобластомы человека U87MG» // IV межвузовская студенческая конференция "Студенческий биохимический форум 2024" (30, 31 марта, 1 апреля, Москва, МГУ им М.В. Ломоносова, Биологический факультет). Материалы конференции. Постерный доклад. Москва: АС-Принт, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2024. – 130 с. (год публикации - 2024)

3. Трухин Ф.О., Патлай А.А., Белоусов А.С., Кумейко В.В., Силантьев В.Е. Полиэлектролитные наноразмерные частицы на основе пектина и хитозана для терапии глиобластомы IV межвузовская студенческая конференция "Студенческий биохимический форум 2024" (30, 31 марта, 1 апреля, Москва, МГУ им М.В. Ломоносова, Биологический факультет). Материалы конференции., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Белоусов А.С., Кумейко В.В., Силантьев В.Е. «Полиэлектролитные наночастицы на основе пектина и хитозана для доставки лекарств против глиобластомы» // IV межвузовская студенческая конференция "Студенческий биохимический форум 2024" (30, 31 марта, 1 апреля, Москва, МГУ им М.В. Ломоносова, Биологический факультет). Материалы конференции. Постерный доклад. Москва: АС-Принт, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2024. – 129 с. (год публикации - 2024)

4. Шмелев М.Е., Пильник А.А., Трухин Ф.О., Белоусов А.С., Силантьев В.Е., Швед Н.А., Кумейко В.В. Влияние мутаций IDH1 R132H и TP53 R248Q на миграцию и адгезию клеток глиом на различных компонентах внеклеточного матрикса Современные вызовы молекулярной биологии. Материалы II школы молодых ученых. Шерегеш, 30 марта– 4 апреля 2025 г. – Новосибирск. ООО «Офсет-ТМ». 2025. – 97 стр., Шмелев М.Е., Пильник А.А., Трухин Ф. О., Белоусов А.С., Силантьев В.Е., Швед Н.А., Кумейко В.В. «Влияние мутаций IDH1 R132H и TP53 R248Q на миграцию и адгезию клеток глиом на различных компонентах внеклеточного матрикса» // II школа молодых ученых "Современные вызовы молекулярной биологии" (Шерегеш, 30 марта– 4 апреля 2025 г.): материалы конференции. Новосибирск. ООО «Офсет-ТМ». 2025. – 97 стр. ISBN 978-5-85957-230-4. Экспертное заключение комиссии ДВФУ от 17.03.2025. (год публикации - 2025)

5. Силантьев В.Е., Шмелев М.Е., Белоусов А.С., Трухин Ф.О., Струппуль Н.Э., Патлай А.А., Кравченко А.К., Щава С.П., Кумейко В.В. Development of carbohydrate polyelectrolyte nanoparticles to produce drug delivery systems and cross the blood-brain barrier for the treatment of brain tumor diseases Polymers (MDPI), Silant’ev, V.E.; Shmelev, M.E.; Belousov, A.S.; Trukhin, F.O.; Struppul, N.E.; Patlay, A.A.; Kravchenko, A.K.; Shchava, S.P.; Kumeiko, V.V. Development of Carbohydrate Polyelectrolyte Nanoparticles for Use in Drug Delivery Systems that Cross the Blood–Brain Barrier to Treat Brain Tumors. Polymers 2025, 17, 1690. https://doi.org/10.3390/polym17121690 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17121690

6. Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Трухин Ф.О., Струппуль Н.Э., Шмелев М.Е., Патлай А.А., Шатилов Р.А., Кумейко В.В. Rational Design of Pectin–Chitosan Polyelectrolyte Nanoparticles for Enhanced Temozolomide Delivery in Brain Tumor Therapy Biomedicines, номер 12, том 7, страница 1393 (год публикации - 2024)
10.3390/biomedicines12071393

7. Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. Наночастицы на основе полисахаридов различной структуры для доставки лекарственных препаратов против заболеваний головного мозга ХХII МЕНДЕЛЕЕВСКИЙ СЪЕЗД ПО ОБЩЕЙ И ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ (Федеральная территория «Сириус», 07–12 октября 2024 г.): Сборник тезисов докладов в 7 томах., Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. «Наночастицы на основе полисахаридов различной структуры для доставки лекарственных препаратов против заболеваний головного мозга» // ХХII МЕНДЕЛЕЕВСКИЙ СЪЕЗД ПО ОБЩЕЙ И ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ (Федеральная территория «Сириус», 07–12 октября 2024 г.): Сборник тезисов докладов в 7 томах. Постерный доклад. Москва: ООО «Адмирал Принт», 2024. – Том 5 - 236 с. ISBN 978-5-00202-671-5. (год публикации - 2024)

8. Трухин Ф.О., Патлай А.А., Шатилов Р.А., Белоусов А.С., Силантьев В.Е. Полиэлектролитные наночастицы на основе пектина и хитозана для терапии глиобластомы IIII Дальневосточная конференция молодых ученых "Медицина будущего 2024" (23-26 апреля, Владивосток). Сборник материалов., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Шатилов Р.А., Белоусов А.С., Силантьев В.Е. «Полиэлектролитные наночастицы на основе пектина и хитозана для терапии глиобластомы» // IIII Дальневосточная конференция молодых ученых "Медицина будущего 2024" (23-26 апреля, Владивосток). Сборник материалов. Устный доклад. Владивосток: Издательство ДВФУ, 2024. – 290 с. (год публикации - 2024)

9. Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. Наноразмерные полиэлектролитные комплексы на основе противоположно заряженных полисахаридов для доставки лекарств Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» (15-21 Марта, 2024, Шерегеш, Кемеровская обл.): Сборник тезисов., Силантьев В.Е., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Кумейко В.В. «Наноразмерные полиэлектролитные комплексы на основе противоположно заряженных полисахаридов для доставки лекарств» // Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» (15-21 Марта, 2024, Шерегеш, Кемеровская обл.): Сборник тезисов. Устный доклад. Новосибирск: Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, 2024. – 82 с. (год публикации - 2024)

10. Белоусов А.С., Патлай А.А., Силантьев В.Е., Шмелев М.Е., Шатилов Р.А., Кумейко В.В. Гидрогелевые наночастицы на основе низкоэтерифицированного пектина для противоопухолевой терапии Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» (15-21 Марта, 2024, Шерегеш, Кемеровская обл.): Сборник тезисов., Белоусов А.С., Патлай А.А., Силантьев В.Е., Шмелев М.Е., Шатилов Р.А., Кумейко В.В. «Гидрогелевые наночастицы на основе низкоэтерифицированного пектина для противоопухолевой терапии» // Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» (15-21 Марта, 2024, Шерегеш, Кемеровская обл.): Сборник тезисов. Устный доклад. Новосибирск: Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, 2024. – 102 с. (год публикации - 2024)

11. Трухин Ф.О., Патлай А.А., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Кумейко В.В., Силантьев В.Е. Полисахаридные комплексы для увеличения активности темозоломида для терапии опухолей головного мозга VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024, XI Российский симпозиум БЕЛКИ И ПЕПТИДЫ, Российско-китайский конгресс в области наук о жизни (ПСБ «Патриот», 29 октября – 2 ноября 2024). Сборник тезисов докладов., Трухин Ф.О., Патлай А.А., Белоусов А.С., Шмелев М.Е., Кумейко В.В., Силантьев В.Е. «Полисахаридные комплексы для увеличения активности темозоломида для терапии опухолей головного мозга» // VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024, XI Российский симпозиум БЕЛКИ И ПЕПТИДЫ, Российско-китайский конгресс в области наук о жизни (ПСБ «Патриот», 29 октября – 2 ноября 2024). Сборник тезисов докладов. – М.: Издательство «Перо», 2024. – 61 с. (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Работа по данном проекту осуществляется в рамках мероприятий, реализуемых в Дальневосточном федеральном университете, заключающихся в разработке инновационных биофармацевтических продуктов на основе отходов марикультурной и рыбодобывающей отрасли и ресурсосберегающих технологий для фармацевтической, биомедицинской и медицинской областей, в том числе для разработки препаратов для персонализированной медицины и здоровьесбережения, формирование задела для развития современных конкурентоспособных производств в Российской Федерации. Превентивная и персонализированная медицина является приоритетным направлением научно-технического развития и входит в перечень важнейших наукоемких технологий, что определяет актуальность и значимость данной работы. Кроме того, промышленное химическое производство биополимеров из отходов рыбохозяйственной отрасли, практически отсутствующее в нашей стране, способно закрыть огромные потребности научно-исследовательских учреждений, пищевой промышленности, биомедицинских, медицинских и фармацевтических компаний. Некоторыми членами научного коллективами проекта РНФ уже в ближайшее время планируется создание и запуск малотоннажное производство хитина, хитозана и их производных, не имеющее аналогов в России, в условиях опытно-технологического участка. Будет разработана технология выделения и очистки хитина и хитозана из панциря краба-стригуна опилио, являющегося отходом переработки гидробионтов. Будут предложены модификации этих биополимеров. Будут изучены структурные, физико-химические, в том числе реологические, а также радиологические и микробиологические показатели полученных продуктов. Будет исследована зависимость и выстроена корреляция между условиями процесса и молекулярной массой, а также степенью деацетилирования хитозана. Будет проведена оценка потенциала использования хитина и хитозана в качестве изделий медицинского назначения, биологически активных добавок и лекарственных средств.