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 23-75-10025
НазваниеТаргетный биологический камуфляж для создания инновационных лекарственных препаратов
Руководитель Костюшев Дмитрий Сергеевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва
Конкурс №85 - Конкурс 2023 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 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-401 - Молекулярная и клеточная медицина
Ключевые слова биологический камуфляж, наночастицы, молекулярная медицина, аденоассоциированные векторы, побочные реакции, биосовместимость, целевая доставка, таргетная доставка, генотерапия, генная терапия
Код ГРНТИ34.17.27
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Низкая биосовместимость является ключевой проблемой при разработке и клиническом использовании множества инновационных лекарственных препаратов. Проблемы биосовместимости связаны с низкой эффективностью перспективных препаратов in vivo за счет их быстрой элиминации иммунной системой, изменения биораспределения и нарушения целевой доставки. Высокая иммуногенность, токсические и карциногенные эффекты приводят к развитию тяжелых побочных реакций (гепатотоксичности, кардиомиопатиям, невропатиям, ангиопатиями, нефропатиям и развитию опухолей), вплоть до гибели пациентов. Проблема биосовместимости наиболее актуальна для трех групп лекарственных препаратов: (1) препаратов заместительной генотерапии на основе вирусных векторов; (2) препаратов онколитических вирусов и (3) перспективных препаратов на основе неорганических наночастиц. Для каждой из указанных групп известно как минимум о 2-3 клинически одобренных препаратах и >10 перспективных препаратах на различных этапах клинических исследований. Существенным препятствием для использования препаратов на основе вирусных векторов и онколитиков является иммунный ответ, приводящий к быстрой элиминации вирусных частиц; опсонизация белков на поверхности с формированием белковой короны, фагоцитоз частиц клетками моноцитарно-макрофагальной системы и пр. Аналогично, неорганические наночастицы являются чужеродными, быстро связываются специфическими и неспецифическими механизмами, и выводятся из организма. Перечисленные эффекты являются типичным ответом организма на введение чужеродного материала. Следствием этого ответа является существенное снижение эффективности действия препаратов и возникновение побочных реакций, включая тяжелые побочные реакции и случаи гибели пациентов в рамках клинических испытаний. Одними из способов преодоления действия иммунной системы является рациональная инженерия поверхности вирусных векторов, онколитиков, декорирование наночастиц биосовместимыми полимерами. Эти подходы могут несколько увеличивать биосовместимость, однако не устраняют проблему полностью.
В данном Проекте предложены методы и подходы для радикального преодоления проблемы биосовместимости по крайней мере трех перечисленных групп препаратов за счет создания единой, программируемой системы таргетного биокамуфлирования (создания биокамуфляжа с экспонированными пептидами для целевой доставки). В рамках Проекта планируется создание биологического камуфляжа на основе биосовместимых, не иммуногенных мембран мезенхимных стромальных клеток человека с функционализованной поверхностью для целевой доставки в несколько органов и видов опухолей. Биокамуфлирование будет проводиться по разработанной нами технологии с использованием ряда подходов, включающих этап экструзии. Функционализация будет проводиться с помощью двух единых технологий программирования поверхности и целевой доставки препаратов (генетической и пост-синтетической).
В ходе Проекта будут проведены фундаментальные исследования особенностей биосовместимости, биодоступности, интернализации и внутриклеточного транспорта биокамуфлированных препаратов. Будут созданы технологии, которые позволят обеспечить наиболее полное и эффективное покрытие частиц биокамуфляжем, оценка влияния биокамуфляжа на свойства частиц, внутриклеточную доставку, защиту от действия нейтрализующих антител, биораспределение и функциональные эффекты.
Итогами выполнения Проекта станут (1) создание комплекса технологий, устраняющих проблему низкой биосовместимости с возможностью целевой доставки препаратов; (2) изучение фундаментальных особенностей интернализации, цитоплазматического и внутриядерного транспорта биокамуфлированных частиц; (3) определение влияния биокамуфляжа на свойства частиц, коллоидную стабильность, формирование белковой короны, защиту от действия иммунной системы и биораспределение; (4) создание перспективных подходов для лечения генетических и онкологических заболеваний.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках второго года выполнения Проекта были разработаны новые технологии функционализации мембранных наночастиц, которые обеспечивают эффективность программирования поверхности в 50-200 раз выше в сравнении с ранее известными технологиями. Продемонстрирована возможность доставки репортерных AAV векторов в органы и ткани мышей в составе биокамуфляжа. Впервые продемонстрирована эффективная доставка в ткани мозга и сердца для камуфлированных вирусных векторов с гепатотропным AAV. С использованием тестов по оценке клеточной интернализации и собственного, разработанного метода по оценке взаимодействия с анти-AAV антителами, была продемонстрирована протективная способность биокамуфляжа с защитой AAV от действия нейтрализующих антител.
В экспериментах с апконверсивными наночастицами, было продемонстрировано увеличение длительности циркуляции камуфлированных апконверсивных наночастиц с сохранением либо усилением цитотоксических свойств на моделях культур клеток in vitro. На модели меланомы человека у мышей Black была показана значительно более высокая эффективность противоопухолевого действия наночастиц и соединений в составе биокамуфляжа.
В совокупности, второй год выполнения Проекта продемонстрировал высокую эффективность технологии биокамуфлирования на моделях различных мышей in vivo с возможностью доставки в забарьерные органы и возможностью преодоления действия нейтрализующих антител.
Публикации
1.
Тихонов А., Качанов А., Юдаева А., Данилик О., Пономарева Н., Карандашов И., Костюшева А., Замятнин А.А., Пароди А., Чуланов В., Брезгин С., Костюшев Д.
Biomimetic Nanoparticles for Basic Drug Delivery
Pharmaceutics, 16(10), 1306 (год публикации - 2024)
10.3390/pharmaceutics16101306
2.
Брезгин С., Фролова А., Баюрова Е., Слатинская О., Пономарева Н., Паршина Е., Бочкова З., Качанов А., Тихонов А., Костюшева А., Карандашов И., Демина П., Латышев О., Елисеева О., Беликова М., Покровский В.С., Гегечкори В., Хайдуков Е., Силачев Д., Замятнин А.А., Максимов Г., Лукашев А., Гордейчук И., Чуланов В., Костюшев Д.
Saponin is Essential for the Isolation of Proteins and RNA from Biological Nanoparticles
Analytical Chemistry, 96(43):17432-17443 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.analchem.4c04607
Аннотация результатов, полученных в 2026 году
В результате выполнения проекта разработана технологическая платформа, позволяющая преодолеть фундаментальные ограничения вирусной генотерапии и нанобиотехнологии на основании неорганических наночастиц — иммуногенность, быструю элиминацию из кровотока, невозможность повторного введения препаратов и неэффективный перенос энергии на фотоактивируемые молекулы. В части вирусной генотерапии впервые создана технология камуфлирования аденоассоциированных вирусов (ААВ) генно-модифицированными мембранами суспензионных клеток человека, достигнута эффективность камуфлирования в 80–85%. Ключевой результат — возможность настройки тропности препарата за счет экспонирования различных таргетирующих пептидов, что позволило обеспечить доставку генов не только в печень, но и во внепеченочные органы, включая преодоление гематоэнцефалического барьера с тотальным распределением в мозге мышей, с доставкой в 90–95% клеток мозга на гистологических срезах. Продемонстрирована защита биокамуфлированных ААВ от действия нейтрализующих антител, что дает возможность снижать дозировку препарата при сохранении терапевтического эффекта. Наиболее значимым результатом является трансформация парадигмы генотерапии: технология переводит ААВ-препараты из разряда «однократных» в безопасные продукты, допускающие повторное введение, то есть обеспечивает возможность редозирования. Это критически важно для индикаций с активно делящимися клетками, в частности для гемофилии А, где в течение 1–3 лет пациенты вынуждены возвращаться к конвенциональной терапии из-за утраты активности препарата, а также для многочисленных генетических заболеваний в педиатрии. Разработаны прототипы для двух одобренных клинических индикаций — доставка гена FVIII в печень (гемофилия А) и доставка гена SMN в мозг (спинальная мышечная атрофия), что позволит устранить риски тяжелых побочных эффектов и летальных исходов, связанных с иммунным ответом на вектор, а также обеспечит возможность значительного снижения дозировки вирусных векторов с достижением терапевтического эффекта. В части нанобиотехнологии для фотодинамической терапии рака молочной железы получен следующий значимый результат: впервые предложена и валидирована стратегия со-упаковки свободного флавин мононуклеотида (не конъюгированного с поверхностью) вместе с камуфлированными апконверсионными наночастицами, что позволило решить проблему неэффективного переноса энергии на фотоакткивируемое соединение. Показано многократное усиление фототоксического действия на модели SKBR3 in vitro по сравнению с конъюгированными формами апконверсионных наночастиц. Камуфлирование также существенно увеличило биосовместимость наночастиц, обеспечило увеличение времени циркуляции в сыворотке крови с 15 минут (немодифицированные частицы) до 3–6 часов, что обусловлено предотвращением образования белковой короны, и снизило захват макрофагами линии THP-1 до недетектируемых значений по данным проточной цитофлуориметрии. На агрессивной модели рака молочной железы in vivo (перевивка опухолевых узлов мышам Nude, скорость роста опухоли более чем в 20 раз превышающая рост из культуры SKBR3) камуфлированные наночастицы с со-упакованным свободным флавин мононуклеотидом вызвали торможение роста опухоли более чем на 45% за 3 суток наблюдения, тогда как некамуфлированные аналоги не отличались от контроля.
Таким образом, создана универсальная технология клеточного камуфлирования, которая представляет собой платформу, способную перенаправлять вирусные векторы в ткани и органы интереса. Одновременно платформа решает проблемы иммунной элиминации, повторного дозирования препаратов, неспецифического распределения и недостаточной эффективности для двух классов носителей — вирусных векторов и неорганических наночастиц, а предложенный принцип со-упаковки сенсибилизатора открывает новое направление в фотодинамической терапии опухолей.
Возможность практического использования результатов
Разработанная в рамках проекта технологическая платформа биокамуфлирования аденоассоциированных вирусов и неорганических наночастиц формирует долгосрочный научно-технологический задел для развития в мире нового направления трансляционной медицины. Результаты проекта позволяют занять лидирующие позиции в области генной и наномедицины, предоставляя возможность для создания линейки передовых, высокотехнологичных лекарственных продуктов. Непосредственным практическим выходом является создание двух прототипов генотерапевтических лекарственных препаратов для лечения гемофилии А (доставка гена FVIII в печень с возможностью редозирования) и спинальной мышечной атрофии (доставка гена SMN через гематоэнцефалический барьер), решая главные проблемы области - возможности редозирования и снижения токсических эффектов. Технология биокамуфлирования может быть адаптирована для создания широкого спектра продуктов: генотерапевтических препаратов для лечения других моногенных заболеваний (болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, лизосомные болезни накопления), а также препаратов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний (рак молочной железы, меланома, глубоко расположенные и метастатические опухоли). Созданы и оптимизированы новые технологии, включая получение биокамуфляжа из суспензионных клеток HEK для масштабирования производства, функционализацию биокамуфляжа таргетными пептидами, со-инкапсуляцию фотоактивируемых соединений с апконверсионными наночастицами. Социальная значимость результатов обусловлена высокой тяжестью течения гемофилии А и спинальной мышечной атрофии, ранней инвалидизацией и высокой смертностью. Разработанные препараты обеспечивают возможность повторного введения при утрате эффекта, неинвазивную доставку гена в ЦНС и снижение дозировок, минимизируя риски тяжелых побочных эффектов. Экономический эффект заключается в снижении затрат системы здравоохранения на пожизненную заместительную терапию, создании высокотехнологичных рабочих мест и развитии экспортного потенциала отечественных биомедицинских технологий. Разработки имеют высокий экспортный потенциал в связи с отсутствием аналогичных решений и высоким спросом на редозируемые вирусные генотерапевтические препараты.