Исследование, проведенное на мышах, сделало большой шаг к улучшению лечения легочных заболеваний.

В один прекрасный день, нанотехнологии смогут предоставить вдыхаемое средство доставки целевых терапевтических генов пациентам, которые страдают от опасных для жизни заболеваний легких. Исследователи, возможно, разработали первую систему доставки генов, которая эффективно проникает через трудно проницаемый слизистый барьер человеческих дыхательных путей в легких.

легкие человека

Исследователи из Школы медицины Университета Джона Хопкинса, Факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета Джона Хопкинса, Федерального Университета Рио-де-Жанейро (Бразилия), разработали содержащие ДНК наночастицы, которые могут пройти через слизистый барьер, покрывающий проводящие дыхательные пути легочной ткани.

Ученые говорят, что это доказывает ту концепцию, что, в один прекрасный день, терапевтические гены могут быть доставлены прямо в легкие в таком количестве, которого достаточно для лечения муковисцидоза, хронической обструктивной болезни легких, бронхиальной астмы и других опасных для жизни заболеваний легких.

«По нашим данным, это первая биодеградирующая система доставки генов, которая эффективно проходит через слизистый барьер человеческих дыхательных путей в легких», — говорит автор исследования Юнг Су Сук, доктор философии, биомедицинский инженер и преподаватель в Центре наномедицины на базе Университета Джона Хопкинса. Отчет о работе опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

 

Слизистый барьер защищает легкие от проникновения и/или инфицирования чужеродными материалами и бактериями. В здоровых легких вдыхаемое вещество, как правило, улавливается слизью дыхательных путей, а затем удаляется из легких при помощи колебательной деятельности ресничек (цилий) в желудок, где, в конечном итоге, разрушается. Юнг Су Сук отмечает, что, к сожалению, этот важный защитный механизм также предотвращает достижение своей цели многими вдыхаемыми лекарственными средствами, включая и средства на основе генов.

слизистый барьер человеческих дыхательных путей

«Наши эксперименты со слизью дыхательных путей человека и небольших животных, — добавил Юнг Су Сук, — были разработаны, как исследование, демонстрирующее, что размещение корректирующих или заместительных генов или препаратов внутри оболочки биодеградирующих наночастиц, которые вдыхает пациент и которые могут проникнуть через слизистый барьер, в один прекрасный день может быть использовано для лечения тяжелых заболеваний легких».

Более того, так как одна доза теоретически может действовать в течение нескольких месяцев, пациент могут испытывать меньше побочных эффектов препаратов, которые надо принимать регулярно в течение больших промежутков времени.

Юнг Су Сук говорит, что их работа с наночастицами выросла из неудачных попыток доставки лекарственных препаратов людям с заболеваниями легких. У пациентов с муковисцидозом, например, наблюдается накопление избыточной слизи, вызванное ухудшением цилиарного транспорта, что приводит к идеальным условиям для развития хронических бактериальных инфекций и воспалению. Эти патологические процессы не только ухудшают качество жизни пациентов, – и часто ставит больных в опасные для жизни ситуации, – но и делает слизь дыхательных путей трудно проницаемой для вдыхаемых терапевтических наночастиц.

Большинство из существующих препаратов для муковисцидоза помогают бороться с инфекцией, но не решают проблемы, лежащие в основе заболевания. Несколько недавно одобренных препаратов, разработанных для влияния на основную причину муковисцидоза, требуют ежедневного лечения на протяжении всей жизни, и могут быть полезными только подгруппе пациентов со специфическими типами мутаций.

Тем не менее, Юнг Су Сук отмечает, что это исследование продемонстрировало, что доставка нормальных копий связанных с муковисцидозом генов или корректирующих генов при помощи проникающих через слизь наночастиц, которые содержат ДНК, может вызвать длительную выработку нормальных, «функциональных» белков. Это, в конечном итоге, может стать эффективным лечением легких пациентов, независимо от вида мутации.

«На сегодняшний день, никто не смог выяснить, как эффективно доставить эти гены в легкие», — говорит Юнг Су Сук, отмечая, что эксперименты с использованием деактивированных вирусов для их переноски оказались неэффективными и дорогостоящими, и могли привести к потенциальным тяжелым побочным эффектам. Кроме того, организм может развить резистентность к таким системам доставки на основе вирусов, что делает такой механизм доставки спорным.

 

Кроме того, были широко проверены многие невирусные, синтетические системы. Тем не менее, предыдущие исследования показали, что большинство невирусных содержащих ДНК наночастиц обладают положительным зарядом, что приводит к их связыванию с отрицательно заряженными биологическими средами – в этом случае, со слизью, покрывающей дыхательные пути. Другими словами, обычные наночастицы слишком липкие, чтобы избежать нежелательных взаимодействий на своем пути к целевым клеткам. Кроме того, эти частицы имеют тенденцию быстро группироваться в физиологических условиях, что делает их слишком большими для того, чтобы проникнуть через сетку слизи дыхательных путей.

В своей разработке ученые создали простой метод плотного покрытия наночастиц неклейким полимером под названием PEG, который нейтрализует заряд и создает неклейкую поверхность. Они показали, что эти наночастицы сохраняют свои размеры в условиях физиологической среды и могут быстро проникать через слизь дыхательных путей, недавно собранную у пациентов, посещающих программу Johns Hopkins Adult Cystic Fibrosis Program под руководством Майкла Бойла, соавтора статьи. Ученые также сделали всю систему доставки биодеградирующей, так что она не будет накапливаться внутри организма.

Чтобы проверить, обеспечивает ли система эффективный перенос генов в легкие животных, исследователи наполнили наночастицы геном, который создает генерирующие свет белки сразу после попадания в целевые клетки. Ученые продемонстрировали, что вдыхание проникающих через слизь наночастиц с целью доставки генов приводит к широкому распространению белка на уровнях, которые превышают золотой стандарт невирусных платформ, включая клинически протестированные системы. Кроме того, они показали, что леченные легкие «светятся» до четырех месяцев после однократного введения.

«При помощи однократного введения, Вы можете получить экспрессию гена – т.е. выработку терапевтических белков – в течение нескольких месяцев», — сказал Юнг Су Сук, добавив, что наночастицы, кажется, не показали никаких побочных эффектов, таких как увеличение воспаления легких.

Юнг Су Сук и его коллеги предупреждают, что необходимо провести еще больше испытаний на животных, чтобы подтвердить и усовершенствовать результаты их исследования, и что лечение человеческих заболеваний еще на расстоянии многих лет.