Studenci Politechniki Wrocławskiej mogą przyczynić się do opracowania nowych nośników leków. Wykorzystując metodę modelowania molekularnego badają właściwości m.in. tzw. hydrożeli, te zaś mogą być świetnym nośnikiem leków, materiałami opatrunkowymi czy stomatologicznymi.
Modelowanie molekularne z wykorzystaniem komputerów o ogromnych mocach obliczeniowych to obecnie najlepszy sposób chemików na projektowanie nośników leków. Właśnie taką metodę do badania właściwości hydrożeli wykorzystują też studenci PWr z koła Biochemistry and Nanophysics Group (BANG). Uczestniczą oni w grancie dr Karoliny Labus i dr. Łukasza Radosińskiego, w którym odpowiadają za opracowanie metodologii otrzymania wirtualnych modeli hydrożeli.
Jak informuje Politechnika Wrocławska, hydrożele mają strukturę bardzo podobną do naturalnego środowiska komórek i tkanek. Dlatego są wyjątkowo efektywnymi nośnikami leków, a także stosowane są jako opatrunki, materiały stomatologiczne, elementy implantów. Są podstawowym „budulcem” szkieletu w regeneracji tkanek czy przy tworzeniu np. soczewek kontaktowych nowej generacji. Ponieważ hydrożele mają dużo pustej przestrzeni, wykorzystuje się je również jako suberabsorbenty, potrafiące chłonąć duże ilości wody.
"Studentom z koła BANG jako drugiej grupie badawczej na świecie udało się stworzyć wirtualny model molekularny hydrożelu żelatynowego" - informuje Politechnika Wrocławska. Dokonała tego grupa kierowana przez należącego do koła BANG Kubę Wojciechowskiego. Praca studentów wymagała wielu obliczeń z użyciem komputerów o dużej mocy. "Żelatyna jest bardzo skomplikowanym polimerem, trudnym w modelowaniu. Zaproponowana przez studenta metoda jest zdecydowanie szybsza i użyteczniejsza od dotychczas stosowanych" - informuje wrocławska uczelnia.
Za pomocą odpowiednich programów studenci projektują konkretną cząsteczkę, rozbudowują ją, a potem przeprowadzają symulację. Przykładają odpowiednie siły, z którymi ta struktura zmierzyłaby się w środowisku naturalnym; sprawdzają, jak model zachowuje się przy określonych modyfikacjach i w czasie mieszania z innymi polimerami. Program sam wszystko przelicza i pokazuje, jak w konkretnej sytuacji zachowuje się dana cząsteczka, czy np. szybko nie ulegnie rozpadowi.
"Zbudowaliśmy model składający się z aminokwasów prostych, na którym możemy teraz testować możliwość wyznaczania różnorodnych właściwości materiałowych takiego hydrożelu" – wyjaśnia w uczelnianym komunikacie Dawid Capała z koła BANG. "Wyniki otrzymujemy już po kilku godzinach, w przypadku bardziej skomplikowanych układów obliczenia mogą trwać nawet kilka miesięcy, a to i tak jest znacznie mniej niż badania prowadzone tradycyjnymi metodami w laboratorium, z wykorzystaniem kosztownych odczynników – dodaje studentka PWr Ewa Białek.
Dawid Capała wyjaśnia, że ich praca polega na zbadaniu struktury, a potem nadaniu jej oczekiwanych właściwości. "Projektujemy określone działania tej cząsteczki. Jeżeli będzie ona wyposażona w lek przeciwbólowy, to ma on uwolnić się w konkretnym miejscu, w dostosowanej ilości" - tłumaczy Capała. Dzięki temu wszczepiony lek, uwalniałby się stopniowo, nie szkodziłby całemu organizmowi, a działał w odpowiednim chorobowo zmienionym miejscu. Jest to szczególnie istotne np. w chorobach nowotworowych, w których tzw. terapia celowana może być ogromną szansą na spowolnienie rozwoju choroby.
Równolegle studenci prowadzą badania nad opracowaniem właściwości krzemionki, czyli dwutlenku krzemu. Krzemionki mogą służyć także jako systemy uwalania leków w terapiach długotrwałych, nanoreaktory czy bardzo wydajne katalizatory. "Wykorzystanie i możliwości rozwoju tych materiałów są ogromne" – mówi Dawid Capała.
Dodaje, że w symulacji komputerowej można wracać też do projektów, które w świecie rzeczywistym z jakiegoś powodu zakończyły się fiaskiem. "Jesteśmy w stanie wychwycić, gdzie popełniono błąd. Czasem okazuje się, że pomysł był bardzo dobry, tylko drobna pomyłka na początku wszystko przekreśliła. W takiej sytuacji dzięki modelowaniu komputerowemu możemy wskazać, gdzie trzeba zrobić korektę i wrócić do badań" - wyjaśnia.
Koło naukowe BANG przy realizacji projektów współpracuje z naukowcami z Polski (Polska Akademia Nauk) i kontaktuje się z badaczami z zagranicznych uczelni, m.in. z Francji (Université de Montpellier, Université d’Aix-Marseille), Niemczech (Uniwersytet w Bremie) czy Ukrainy (Politechnika Lwowska).
Komentarze
[ z 4]
Ze współpracy politechnik i uniwerystetów medycznych może wyniknąć wiele dobrego.
Nowe nośniki leków to przyszłość. Dotarcie leku do miejsca działania i jak najlepsza absorpcja są kluczowe. Bez tego nawet najlepsza substancja lecznicza nie będzie skuteczna.
Wspaniale, że studenci angażują się w ambitne projekty i udaje im się je realizować. Warto również doceniać takie inicjatywy, bo są naszą przyszłością. Nie wiadomo kiedy sami możemy potrzebować takich wynalazków. Wspierajmy więc młodych ludzi z fantastycznymi projektami. Osobiście uważam, że Politechnika jest swoistym miejscem innowacji.
Mimo że rola nośników w tworzeniu nowych preparatów leczniczych jest niedoceniana, narasta przeświadczenie, że realizowanie koncepcji przyniesie znaczący postęp w leczeniu i diagnostyce wielu chorób, w tym też nowotworowych. Potwierdza to rosnąca liczba komercyjnych koniugatów nośnik-białko i obszerne badania kliniczne koniugatów nośnik-lek. Intensywne badania genomowe oraz postęp inżynierii genetycznej umożliwiają otrzymanie nowych substancji terapeutycznych, takich jak peptydy, białka, oligonukleotydy. Jest oczywiste, że brak efektywnych systemów dostarczania tych nowych czynników jest problemem, który musi być rozwiązany, aby umożliwić ich praktyczne wykorzystanie w terapii. W 2003 r., po raz pierwszy w historii, amerykańska agencja rządowa zajmująca się rejestracją leków (Federal Drug Administration) dopuściła do obrotu rynkowego więcej produktów biotechnologicznych niż konwencjonalnych, niskocząsteczkowych leków. Świadczy to o tym, że medycyna ma już dość szeroki i dobrze opracowany arsenał środków do leczenia różnych chorób. Problem leży jedynie we właściwym użyciu i wybiórczym dostarczeniu tych czynników, aby zapewnić optymalny efekt terapeutyczny. Wiązaniu leku z nośnikiem często towarzyszy zmiana jego dystrybucji. Zmiana dystrybucji jest korzystna, jeśli prowadzi do zwiększonej kumulacji leku w tkance docelowej, np. w guzie nowotworowym. Biodystrybucja związanego leku (koniugatu) w dużej mierze zależy od właściwości nośnika. Stosowane są dwa główne podejścia do dostarczania leków: aktywne i bierne. W przypadku transportu aktywnego, nośnikiem lub jego fragmentem mogą być swoiste przeciwciała, cukry, peptydy lub białka, które teoretycznie mogą wybiórczo wiązać się z receptorami lub antygenami komórek docelowych. Przykładem są koniugaty przeciwciało-lek. Mimo że koniugaty leków z nośnikami aktywnie dostarczającymi lek są atrakcyjną alternatywą, jak dotąd tylko jeden taki preparat przeszedł do fazy badań klinicznych. Jest to koniugat doksorubicyny z HPMA i galaktozaminą. Przyłączony cukier jest rozpoznawany przez receptor asjaloglikoprotein obecny na hepatocytach i sprawia, że koniugat może być skuteczny w leczeniu pierwotnego raka wątrobowokomórkowego lub wtórnych zmian przerzutowych w wątrobie. Seymour i wsp. wykazali, że chociaż koniugat gromadzi się również w prawidłowych hepatocytach, to stężenie doksorubicyny w komórkach nowotworowych jest 12–50 razy większe niż w przypadku podawania wolnego leku. Transport pasywny leków jest wykorzystywany głównie w leczeniu chorych na nowotwory. Jest to związane z unikalną anatomiczną i fizjologiczną charakterystyką tkanki guza nowotworowego. Wykorzystanie zwiększonej przepuszczalności naczyniowej i zatrzymywania małych i dużych cząsteczek w tkance guza nowotworowego (enhanced vascular permeability and retention – EPR) w projektowaniu nowych koniugatów nośnik-lek przeciwnowotworowy po raz pierwszy zasugerowali Maeda i wsp. Zdrowe tkanki, poza kilkoma wyjątkami (wątroba, śledziona, szpik kostny), mają względnie zwartą strukturę śródbłonka naczyń włosowatych. Natomiast tkance nowotworowej towarzyszy często nieszczelna sieć naczyń krwionośnych powstałych w wyniku chaotycznej neoangiogenezy. Średnicę szczelin w naczyniach włosowatych guza szacuje się na około 100–800 nm, a czasami nawet więcej, podczas gdy średnica fizjologicznych szczelin w prawidłowym ciągłym śródbłonku wynosi jedynie około 2 nm i do 6 nm w żyłkach pozawłosowatych. Większość niskocząsteczkowych leków przeciwnowotworowych, z powodu małego rozmiaru ich cząsteczek, dyfunduje względnie swobodnie przez śródbłonek naczyń zarówno do prawidłowych, jak i nowotworowych tkanek. Natomiast makrocząsteczki, w tym koniugaty nośnik-lek, nie mogą przeniknąć przez szczelną warstwę śródbłonka naczyń włosowatych zdrowych tkanek, ale względnie łatwo przedostają się z krążenia do tkanki guza nowotworowego. W obrębie guza często upośledzony jest także układ drenażu limfatycznego. Powoduje to obniżenie klirensu leku z tkanki nowotworowej i prowadzi do gromadzenia się i zatrzymania makrocząsteczek w guzie. Ponadto wykazano, że makrocząsteczki, w tym białka i polisacharydy, wybiórczo gromadzą się w jamie otrzewnej, w której rozwijają się wysiękowe postacie nowotworów. Chociaż niektóre leki przeciwnowotworowe wykazują aktywność w postaci związanej z nośnikiem, przypuszczalnie większość z nich wymaga uwolnienia leku w wyniku albo degradacji nośnika albo zerwania wiązania między lekiem a nośnikiem. Lek może zostać uwolniony z koniugatu w przestrzeni wewnątrz- lub zewnątrzkomórkowej. Niektóre koniugaty są tak zaprojektowane, aby preferencyjnie uwalniać lek w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Wykorzystuje się m.in. to, że tkanka guza nowotworowego cechuje się obniżonym pH w porównaniu z innymi tkankami, i łączy się lek z nośnikiem wiązaniem, które ulegnie zerwaniu w takim środowisku. Inne koniugaty działają jako rezerwuary leku wolno uwalniając lek albo przez rozpad nietrwałych wiązań, albo przez degradację połączenia nośnik-lek w warunkach fizjologicznych. Interesujące wyniki badań przedklinicznych wzbudziły większe zainteresowanie DDS. Obecnie wiele koniugatów nośnik-lek znajduje się w fazie badań klinicznych. Pierwszym preparatem nośnik-lek testowanym klinicznie był koniugat HPMA-doksorubicyna (oznaczony kodem PK1). Badania farmakokinetyczne potwierdziły wydłużony biologiczny okres półtrwania doksorubicyny podanej w postaci skoniugowanej. Ponadto wykazano, że maksymalna tolerowana dawka doksorubicyny w postaci związanej z nośnikiem jest 4 razy większa niż wolnego leku. Nośnikiem leków mogą być również przeciwciała skierowane przeciwko antygenom na komórkach nowotworowych albo na komórkach tkanek towarzyszących, np. komórkach naczyń krwionośnych guza. Wadą pierwszych koniugatów przeciwciało-lek była ich immunogenność, ponieważ pierwotna technika hybrydowa umożliwiała otrzymywanie mysich przeciwciał monoklonalnych. Postęp w inżynierii przeciwciał pozwolił najpierw na uzyskanie chimerowych, następnie humanizowanych, a w końcu całkowicie ludzkich przeciwciał lub ich fragmentów. Pozwoliło to na ograniczenie problemów z odpowiedzią immunologiczną przeciwko przeciwciałom. Technika fagowej ekspresji peptydów pozwala z kolei na selekcję fragmentów przeciwciał o wysokim powinowactwie do cząsteczki docelowej. Liposomy opisał po raz pierwszy Alec Bangham, są stosowane jako nośniki leków już dłuższy czas. Ich pierwsza generacja miała wiele wad, z których najważniejszą była szybka eliminacja z krążenia przez komórki układu siateczkowo-śródbłonkowego wątroby i śledziony. Opłaszczanie liposomów polimerami PEG, modyfikując powierzchnię liposomu, zapobiega tej eliminacji, wydłuża biologiczny okres półtrwania preparatu i zwiększa gromadzenie się w tkance guza nowotworowego. Liposomy opłaszczone PEG, ze względu na zdolność do ucieczki przed układem siateczkowo-śródbłonkowym, zwane są „niewidzialnymi” Koniugaty oparte na makrocząsteczkach stają się uznanym uzupełnieniem arsenału preparatów przeciwnowotworowych, o czym świadczy kilka dostępnych na rynku koniugatów nośnik-białko i rosnąca liczba badanych klinicznie koniugatów nośnik-lek, z których część może wejść do leczenia w ciągu najbliższych lat. Intensywne badania, rosnące doświadczenie i bardziej zaawansowane technologie stwarzają nadzieję, że badania nad mechanizmami działania, projektowanie DDS i wykorzystanie nowych nośników może doprowadzić do znaczącego postępu na tym polu. Wielką zaletą tych badań są szerokie, wręcz nieograniczone, możliwości konstrukcji DDS, obejmujące wybór nośnika, sposób sprzęgania leku i rodzaj substancji terapeutycznej. Obecnie nasze badania są skoncentrowane na doskonaleniu metod sprzęgania antymetabolitów kwasu foliowego (metotreksat, tomudeks) z makrocząsteczkami. Do badań wybrano kilka nośników: dekstrany, mannan, albuminę oraz fibrynogen. Właściwości chemiczne dekstranów, ich biodegradowalność, rzadko występująca immunogenność oraz powszechność stosowania w klinice czynią z tych cząsteczek dobrych kandydatów na nośniki. Mannan, inny polisacharyd, charakteryzuje się zbliżonymi z dekstranem właściwościami fizykochemicznymi, choć różni się właściwościami biologicznymi. O wyborze fibrynogenu i albuminy zadecydowało wiele przesłanek. Białka te kumulują się w guzach nowotworowych. Koniugaty otrzymywane według doskonalonych procedur charakteryzują się obniżoną hydrofobowością i niewielkim posieciowaniem między- i wewnątrzcząsteczkowym. Te właściwości sprawiają, że wyłamują się one korzystnie z ograniczeń, które uznają za optymalne preparaty zawierające przyłączoną tylko jedną cząsteczkę MTX na około 70 kDa masy nośnika białkowego (albuminy). Prowadząc doświadczalną terapię przeciwnowotworową wykazaliśmy, że przeciwnowotworowa aktywność koniugatów dekstran-metotreksat jest skorelowana z masą cząsteczkową nośnika. Dekstran T40 miał najkorzystniejszy stosunek aktywności przeciwnowotworowej do toksyczności i dlatego został wyselekcjonowany do dalszych badań. Natomiast nie wykazaliśmy różnicy w aktywności koniugatów na bazie dekstranów mających różny stopień podstawienia, czyli stosunek molowy leku do nośnika. Wykazano też, że koniugat dekstranowy jest bardziej toksyczny niż wolny lek. Jednakże zastosowanie skojarzonej chemioterapii koniugatem z antidotum metotreksatu leukoworyną pozwalało znacząco obniżyć toksyczność bez widocznego zniesienia korzystnego efektu przeciwnowotworowego. Dodatkowo, koniugat dekstran-metotreksat charakteryzował się zwiększonym działaniem przeciwnowotworowym w porównaniu z lekiem wyjściowym w sche macie eksperymentalnej terapii dożylnej (dane nieopublikowane). Otrzymane wyniki otwierają dalsze perspektywy badań nad koniugatami dekstran-metrotreksat. Podany dożylnie koniugat mannan-metotreksat nie wykazał wyższości w porównaniu z metotreksatem. Możliwym wytłumaczeniem jest szybka eliminacja koniugatu z krwiobiegu przez wiązanie z receptorem mannozy w wątrobie i śledzionie. Mimo że mannan jest immunologicznie nieobojętnym polisacharydem, to koniugat podany dootrzewnowo w modelu białaczki P388, sugeruje możliwość jego zastosowania w miejscowej chemioterapii .). Fibrynogenowe koniugaty charakteryzowały się w porównaniu z wolnym lekiem lepszą skutecznością przeciwnowotworową. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze do końca poznany, ale sugerujemy dwa możliwe wytłumaczenia. Pierwsze bazuje na sugerowanym w piśmiennictwie zatrzymaniu fibrynogenu/fi bryny oraz jego koniugatów w jamie otrzewnej zwierząt z guzami wysiękowymi. Drugim wytłumaczeniem jest przedłużenie czasu półtrwania leku w organizmie w wyniku sprzężenia z nośnikiem. ( publikacja p. Dmitry Nevozhay i wsp.)