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 19-73-10143

НазваниеКинетика и механизм образования наноoаэрозолей лекарственных субстанций и их биологическое действие в экспериментах с лабораторными животными

РуководительВалиулин Сергей Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2022

, продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№41 - Конкурс 2019 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, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словааэрозоль, наноаэрозоль, доставка лекарственных средств, биологический эффект, доставка в дыхательную систему

Код ГРНТИ31.15.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для управления процессами аэрозолеобразования и их оптимизации необходимо изучение фундаментальных основ процессов, приводящих к образованию наночастиц. Одним из процессов, представляющих интерес с точки зрения создания новых аэрозольных форм лекарственных средств, является гомогенная нуклеация из пересыщенного пара (термоконденсационный метод). Преимуществами данного метода является широкие диапазоны размеров (3 - 5000 нм) и концентраций (10 - 108 см-3), что существенно превышает параметры традиционно используемых небулайзеров, дозированных аэрозольных ингаляторов и порошковых ингаляторов. Важной особенностью термоконденсационного метода является отсутствие ограничений, связанных с водорастворимостью субстанций, в отличие от инъекций. Термоконденсационный метод характеризуется высокой стабильностью и простотой регулировки размера и концентрации, с помощью изменения температуры возгонки, скорости потока газа-носителя или условий создания пересыщения. При этом, для создания аэрозольных ингаляторов нового поколения, использующих принцип конденсации пересыщенного пара, необходимо проведение фундаментальных исследований гомогенной нуклеации. Одним из важнейших параметров при создании новых аэрозольных форм является определение ингаляционно доставленной дозы, в основе чего лежит знание распределения ингаляционной нагрузки по областям дыхательной системы, и зависимость эффективности осаждения частиц в различных отделах легкого от их размера и морфологии. Важным этапом при выведении новой формы лекарственного средства на рынок является проведение доклинических испытаний, включающих в себя проведение фармакокинетических измерений, включающих в себя зависимость концентрации действующего вещества в сыворотке крови и в органах от времени после введения и от ингаляционной дозы. Поэтому задачами данного проекта являются: 1) Исследование кинетики и механизма образования аэрозолей ряда важнейших лекарственных субстанций, что включает в себя исследование зависимости скорости нуклеации от температуры и пересыщения, изучение механизма конверсии пар-частица и определение относительной роли таких процессов, как конденсационный рост зародышей новой фазы, коагуляция частиц, осаждение пара и частиц на стенки нуклеационной камеры, зависимость морфологии частиц от условий образования (формирование нитевидных частиц, фрактало-подобных агрегатов, сферических одиночных частиц). 2) Определение зависимости эффективности осаждения частиц исследуемых субстанций в дыхательных путях лабораторных животных от размера и формы. 3) Измерение зависимости концентрации действующих веществ в сыворотке крови и в органах от времени ингаляции, времени после введения и от ингаляционной дозы.

Ожидаемые результаты
Цефалоспорины, относящиеся к ингибиторам синтеза клеточной стенки, и входящие в группу бета-лактамных антибиотиков, представляют собой один из наиболее распространённых классов антибактериальных препаратов. Данные препараты востребованы ввиду ярко выраженного бактерицидного эффекта, широкого спектра действия, малой токсичности, хорошей переносимости и составляют около 85 % от всего объёма использующихся в настоящее время антибактериальных средств. Значительная часть цефалоспоринов применяется парэнтерально в виде внутримышечных инъекций. Внутримышечные инъекции неприятны и требуют наличие специального медицинского персонала. Большинство пер-оральных форм цефалоспоринов характеризуется низкой всасываемостью из пищеварительного тракта (73% от общего числа производимых препаратов). Потому востребован поиск новых неинвазивных путей введения с высокой биодоступностью. По спектру антимикробной активности цефалоспорины подразделяются на четыре поколения. Цефалоспорины I поколения имеют узкий спектр действия (цефазолин, цефалотин, цефалексин и др), и активны в отношении Streptococcus spp. и метициллиночувствительных Staphylococcus spp. Спектр действия цефалоспоринов II поколения (цефуроксим, цефотиам, цефаклор и др.) на грамотрицательные микроорганизмы шире, чем у представителей I поколения. Цефалоспорины III поколения (цефиксим, цефотаксим, цефтриаксон, цефтазидим, цефоперазон, цефтибутен и др.) обладают более широким спектром действия, чем цефалоспорины I и II поколений, и большей активностью в отношении грамотрицательных бактерий. Цефалоспорины IV поколения (цефепим, цефпиром) самые современные антибиотики, проявляют высокую активность практически в отношении всех анаэробных бактерий, а также бактероидов. Они являются антибиотиками второго ряда, и применяются только при очень тяжелых инфекционных воспалительных процессах, при которых другие антибиотики неэффективны. В данном проекте предполагается исследовать кинетику и механизм образования и ингаляционное введение следующих цефалоспоринов. I поколение - цефазолин, II поколение - цефоксилитин, цефуроксим, III поколение -цефотаксим, цефриаксон, цефтазидим, цефоперазон, IV поколение - цефепим. В ходе выполнения проекта предполагается: Отработка методики генерации цефалоспоринов. Исследование термической стабильности при возгонке субстанций данных веществ. Исходя из структуры молекул указанных соединений, можно ожидать, что не все рассматриваемые вещества пригодны для термоконденсационного метода генерации аэрозолей. Для этих соединений будет использоваться метод диспергирования с использованием форсунки типа Коллисона. В ходе работы будут получены следующие результаты. 1. Будут получены зависимости концентрации и размера аэрозольных частиц в зависимости от условий генерации: температура нуклеации, пересыщение, условия создания пересыщения или концентрация вещества в исходном растворе (при диспергировании), скорость потока воздуха при диспергировании, время задержки. 2. Будет разработан экспериментальный подход для измерения накопления ингаляционной дозы в реальном времени в ходе ингаляционного эксперимента по измерению интегрального светорассеяния от частиц лекарственного аэрозоля. Будет изготовлен портативный нефелометр для измерения дозы и создано математическое обеспечение для ввода данных с управляющего компьютера и считывания информации с системы регистрации рассеянного света. Данный нефелометр не имеет ограничений на массовую концентрацию аэрозоля, в отличие от диффузионной батареи, и не требует использования аэрозольных разбавителей при измерении ингаляционной дозы, что упростит экспериментальную схему, сделает измерения более стабильными и позволит ускорить экспериментальные исследования. 3. Будет определена зависимость эффективности осаждения частиц в дыхательных путях от размера для указанных соединений. 4. Будет отработана методика хроматографического анализа концентрации указанных веществ в сыворотке крови лабораторных мышей и крыс и в органах (легкие, печень, селезенка). 5. Будет измерена концентрация действующих веществ в сыворотке крови и в органах в зависимости от времени ингаляции, времени после введения и ингаляционной дозы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого года выполнения проекта разработан и собран экспериментальный стенд, позволяющий выполнять генерацию аэрозоля, ингаляционную доставку и осуществлять контроль размера аэрозольных частиц и их концентрацию, и соответственно контролировать доставляемую дозу. Входящие в ингаляционный стенд генераторы позволяют получать аэрозоль как из термически стабильных, так и термически нестабильных веществ. Возможна генерация аэрозольных частиц, состоящих из нескольких веществ, что может быть использовано для получения аэрозоля, состоящего одновременно из противовирусного и антибактериального вещества для терапии, в том числе осложненных ОРВИ. Разработан метод генерации аэрозоля лекарственных средств, в том числе цефалоспоринов I и II поколений, позволивший получить аэрозоль: цефазолина с диаметром частиц от 80 до 1100 нм, цефуроксима с диаметром частиц от 250 до 550 нм, триазавирина с диаметром частиц от 270 до 550 нм. Разработан и изготовлен портативный лазерный нефелометр для измерения ингаляционной дозы по интегральному светорассеянию. Устройство позволяет в реальном времени измерять дозу ингаляционно доставляемого вещества. Специально разработанная программа для ПВМ по калибровочной кривой преобразует сигнал от прибора в дозу. В настоящее время прибор проходит испытания в ходе реальных экспериментов в сопоставлении с приборами, входящими в экспериментальный стенд и позволяющими определять размер и концентрацию частиц. Для точного определения полной дозы, доставляемой в ходе ингаляционного эксперимента, была экспериментально измерена эффективность осаждения аэрозольных частиц исследуемых веществ в дыхательных путях лабораторных мышей. Измерения проводились с использованием аэрозоля цефазолина, цефуроксима и триазавирина. Полученные данные по эффективности осаждения для частиц разных веществ оказались близки и отличались лишь в рамках экспериментального разброса. Установлено, что эффективность осаждения составляет 0.55 при среднем диаметре 60 нм и уменьшается до 0.1 при росте среднего диаметра до 300 нм. При среднем диаметре больше 300 нм эффективность осаждения возрастает с размером за счет возрастающей роли механизмов импакции, захвата и седиментации и при размере 1100 нм составляет 0.65. Отработаны методики анализа концентрации цефалоспоринов и триазавирина в сыворотке крови и в органах (легкие, печень, почки, селезенка) лабораторных мышей методом ВЭЖХ. Проведены исследования фармакокинетики цефазолина, цефуроксима и триазавирина после ингаляционного введения. Выполнены исследования фармакокинетики после внутривенного и перорального введения. Установлено, что цефазолин, цефуроксим и триазавирин пригодны для аэрозольной доставки. Биодоступность триазавирина составила: перорально 21%, аэрозольно 85%. У цефалоспоринов аэрозольная доставка обеспечивает биодоступность 75%, перорально: цефазолин не применяется, биодоступность цефуроксима 40%.

Публикации

1. А.А. Бажина, С.В. Валиулин, А.М. Бакланов, С.Н. Дубцов, С.В. Аньков, М.Е. Плохотниченко, Т.Г. Толстикова, А.А. Онищук Метод генерации аэрозоля антибактериального лекарственного вещества цефазолина Оптика атмосферы и океана / Atmospheric and Oceanic Optics, №6 (год публикации - 2020)

2. А.А. Онищук, С.В. Валиулин, А.М. Бакланов, П.П. Моисеенко, В.Г. Митроченко, Г.Г. Дульцева Aerosol diffusion battery: analytical inversion from noisy penetration data Measurement, V. 164, P. 108049 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108049

3. А.А. Бажина, А.М. Бакланов, С.В. Валиулин Метод генерации нано- и субмикронных частиц цефазолина Аэрозоли Сибири XXVI Конференция: Тезисы докладов. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - 132 c., Аэрозоли Сибири XXVI Конференция: Тезисы докладов. с. 42. (год публикации - 2019)

4. М.Е. Плохотниченко, С.Н. Дубцов, А.М. Бакланов, Г.Г. Дульцева, А.М. Долгов,Т.А. Кобзева, С.В. Валиулин, С.В. Аньков, Т.Г. Толстикова Разработка методов анализа цефазолина в сыворотке крови и в органах мышей при его ингаляционном способе введения Аэрозоли Сибири XXVI Конференция: Тезисы докладов. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - 132 c., Аэрозоли Сибири XXVI Конференция: Тезисы докладов. с. 90-91. (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе второго года реализации проекта были разработан метод генерации аэрозоля цефалоспориновых антибиотиков III поколения (цефотаксим, цефтриаксон и цефтазидим) методом ультразвукового распыления из водного раствора. Показано, что используемая конструкция генератора, позволяет получить аэрозоль содержащий сухие частицы с диаметром частиц от 300 до 1300 нм и концентрацией (2 ± 0.5) х 10^5 см^-3. Разработана методика анализа цефотаксима, цефтриаксона и цефтазидима в сыворотке крови и в легких лабораторных мышей методом ВЭЖХ. Выполнено исследование фармакокинетики цефалоспоринов III поколения - цефотаксима, цефтриаксоан, после их ингаляционного введения. Для сопоставления и определения эффективности такого метода введения выполнены исследования фармакокинетики этих веществ после внутривенного и внутрибрюшинного введения. Биодоступность аэрозольной формы цефотаксима составила 80%, у цефтриаксона - 75%. В результате гистологических исследований установлено, что при ингаляционной доставке не зависимо от продолжительности ингаляции, архитектоника ткани легких не нарушается. Каких-либо закономерных изменений в легочной ткани после ингаляции выявлено не было. Проведено исследование специфического действия цефазолина, при его ингаляционном введении на модели бактериального сепсиса (штамм Klebsiella pneumoniae 82) у аутбредных мышей линии CD-1. Аэрозольная форма доставки цефазолина продемонстрировала превосходный лечебный антибактериальный эффект. Мыши, инфицированные суспензией бактерий с концентрацией 10^6 КОЕ/мл, не получавшее лечение, а также леченные внутрибрюшинно, погибли в течение первых суток, тогда как мыши, подвергнутые ингаляционному лечению цефазолином оставались живы весь период наблюдения – 7 суток.

Публикации

1. С.В. АНЬКОВ, Т.Г. ТОЛСТИКОВА, С.В. ВАЛИУЛИН, А.А. ОНИЩУК, М.С. БОРИСОВА, С.Н. ДУБЦОВ Сравнительная фармакокинетика аэрозольной и пероральной формы пиразинамида Химия в интересах устойчивого развития / Chemistry for Sustainable Development, 29 (год публикации - 2021)

2. С.В. Валиулин, А.А. Онищук, С.Н. Дубцов, А.М. Бакланов, С.В. Аньков, М.Е. Плохотниченко, Т.Г. Толстикова, Г.Г. Дульцева, В.Л. Русинов, В.Н. Чарушин, В.М. Фомин Aerosol inhalation delivery of triazavirin in mice: outlooks for advanced therapy against novel viral infections Journal of Pharmaceutical Sciences, V. 110. P/ 1316-1322 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.xphs.2020.11.016

3. - Сибирские ученые усовершенствовали аэрозольную доставку препаратов Наука в Сибири, Наука в Сибири. 18.03.2021. № 10 (3271). С. 1, 5. (год публикации - )

4. - Учёные тестируют на мышах доставку аэрозолей Новосибирские Новости, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения третьего этапа проекта отработаны режимы генерации аэрозоля цефалоспоринового антибактериального вещества IV поколения – цефепима. Проведено исследование фармакокинетики цефепима и цефтазидима при их ингаляционной и инъекционной доставке лабораторным мышам. Показана высокая эффективность проникновения этих веществ при ингаляционной доставке, биодоступность составила 80%. Гистологические исследования показали, что при ингаляционной доставке цефтазидима и цефепима, не зависимо от продолжительности вдыхания аэрозоля, архитектоника ткани легких не нарушается. Каких-либо закономерных изменений в легочной ткани после ингаляции выявлено не было. Проведено исследование специфического действия цефуроксима (II поколение) и цефтриаксона (III поколения), при их ингаляционном введении на модели бактериального сепсиса (на примере двух штаммов бактерий Staphylococcus aureus ATCC 25 953 и Klebsiella pneumoniae 82) у мышей. Эксперименты проведены в сравнении с внутрибрюшинным и внутривенным введением этих веществ. Аэрозольная форма доставки продемонстрировала превосходный лечебный антибактериальный эффект сопоставимый по эффективности с инъекционным введением. Данный результат демонстрирует высокий потенциал ингаляционного применения цефалоспориновых антибактериальных веществ при терапии бактериальных инфекций у людей.

Публикации

1. С.В. Валиулин, А.А. Онищук, А.М. Бакланов, С.Н. Дубцов, Г.Г. Дульцева, С.В. Аньков, Т.Г. Толстикова, В.Л. Русинов, В.Н. Чарушин An integrated aerosol setup for therapeutics and toxicological testing: Generation techniques and measurement instrumentation Measurement, Volume 181, 109659 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109659

2. С.В. Валиулин, А.А. Онищук, А.М. Бакланов, С.Н. Дубцов, С.В. Аньков, Н.Н. Шкиль, Е.В. Нефедова, М.Е. Плохотниченко, Т.Г. Толстикова, А.М. Долгов, Г.Г. Дульцева Aerosol inhalation delivery of cefazolin in mice: Pharmacokinetic measurements and antibacterial effect International Journal of Pharmaceutics, Volume 607, 121013 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.121013

Возможность практического использования результатов
Полученные в результате реализации настоящего проекта результаты демонстрируют высокую эффективность применения цефалоспориновых антибактериальных веществ в ингаляционной форме. Аэрозольная терапия при применении данных веществ может являться альтернативой инъекционной формы их доставки, которая в настоящее время является единственной для большинства веществ этого класса из-за их низкой биодоступности при пероральном применении. Ингаляционное применение может существенно расширить возможности применение цефалоспориновых антибиотиков при амбулаторном лечении. Дополнительно необходимо отметить, что обнаруженное при исследование накопление этих веществ в ткани легких при ингаляции позволяет достигать их высокой концентраций в органе, что в ряде случаев невозможно при инъекционном введении ввиду высокой степени связывания цефалоспоринов с белками крови. Таким образом ингаляционная терапия с применением цефалоспориновых антибактериальных веществ может оказаться более эффективной при лечении органов дыхания.