Нанолифт к боли. Челябинские ученые смоделировали «подъемник» для доставки лекарств к зараженной клетке

Наши ученые придумали, как решить эту сложнейшую проблему. Транспортным средством для целительных наночастиц будет служить так называемый нанолифт, который доставит их внутрь, а лекарство впрыснут прямо в точку поражения!

Что даст медицине эта прорывная технология и какие еще сюрпризы готовит нанонаука в деле избавления от болезней? Это и стало главной темой нашего разговора с кандидатом химических наук, доцентом ЮУрГУ Владимиром Потемкиным, начальником лаборатории компьютерного моделирования лекарственных средств.

Наношприц для клеток

— Что это за технология, в чем ее выгоды?

— Изюминка технологии нанолифтов в том, что «кабинкой» служат наночастицы, своего рода капсулы для лекарств. Препарат помещается в нанотрубку, защищающую от разъедающего воздействия щелочи в пищеводе и соляной кислоты в желудке, и транспортируется в нужный орган. Затем в работу включается наношприц: он прокалывает защитную мембрану пораженной клетки, вводит лекарство. В числе выгод — «прямая доставка» препарата к очагу болезни, уменьшение количества препарата. Но не менее важно знать, не навредит ли «нанорюкзачок» организму. К примеру, двуокись титана в определенных условиях может привести к появлению онкозаболевания, и нужно принять защитные меры.

— А как ее проверить на канцерогенность, токсичность? И как запрограммировать нужные свойства наночастиц?

— Для этого мы моделируем их «поведение», биоактивность. Разработали программное обеспечение, три модели молекул, адсорбирущих с наночастицей. Теперь можно на компьютере просчитать энергию взаимодействия молекул с наночастицей, ее заряд, способность проникать в клетку и ускорять лечебный процесс.

В перспективе мы планируем и синтезировать такие наночастицы, экспериментально измерять их свойства и, если нужно, корректировать модель. Для этого нужны исследования ученых самого разного профиля, и мы сотрудничаем с деканом химического факультета Вячеславом Авдиным, старшим научным сотрудником центра нанотехнологий Олегом Большаковым. Сейчас вместе готовим научные статьи об адсорбции на двуокись титана аминокислот и оксикислот — яблочной, виноградной.

Виртуальная модель

— Но для моделирования этих сложнейших процессов клеточного уровня уже недостаточно...

— Мы перешли к более сложным системам, близким к белкам-пептидам. Они могут как ускорить жизненные процессы, так и подавить защитный механизм бактерий. Наш новый метод компьютерного прогнозирования физико-химических и биологических свойств наночастиц позволяет построить модель из десятков тысяч атомов — в сто с лишним раз больше, чем у зарубежных аналогов!

Виртуальное моделирование «связки» белков с лекарством поможет выяснить, будет ли оно активизировать фермент либо блокировать его. В бактериях ферменты играют роль биокатализаторов, ускоряющих жизненные процессы. Как их затормозить? Этому и служит нанолифт с лекарством, способным как бы «заморозить» микробы, обезвредить их.

— А что нового придумали за последнее время?

— В 2017 году мы разработали метод COMIN для прогнозирования биоактивности лекарств. Смысл ноу-хау — в выявлении взаимосвязи между электронной плотностью веществ и их биологической активностью. Если в белок ввести «чужую» молекулу, можно прогнозировать полезные свойства лекарств.

Природный «антидот»

— Однако организм тоже обладает способностью к самоизлечению...

— В печени и легких есть комплексы белков, обладающие способностью к детоксикации — самоочищению от «вредных примесей». Когда в организм попадает токсичное вещество, оно с помощью природных «антидотов» – цитохромов окисляется и выводится из него. Мы изучаем этот механизм для создания новых лекарств. Печень их воспринимает как «чуждый элемент», пытается нейтрализовать и вывести из организма. Значит, нужно проверить лекарственную модель на биосовместимость и смоделировать ту, которая не окислится и не потеряет целебную силу. Впрочем, как оказалось, есть и вещества, которые не обладают лечебными свойствами, а наоборот, при контакте с цитохромами получают их.

— Как продвигаются ваши исследования на наноуровне?

— Этот уровень более высокий, чем молекулярный, а потому более сложный. Электронные характеристики наночастиц и белков, влияющих на их свойства, мы изучаем вместе с доктором химических наук Марией Гришиной. Исследуем их тонкую структуру, механизм взаимодействия.

Мы выстроили свою классификацию противоопухолевых препаратов. Ее главный принцип — механизм действия. А сейчас выявляем их закономерности по токсичности, воздействию на организм. Наш инженер Надежда Палько пишет кандидатскую диссертацию, нарабатывая классификацию катализаторов для создания лекарств по так называемым трехосмиевым кластерам. Оказалось, что «каркас» из трех атомов редкоземельного элемента осмия ускоряет синтез лекарств! Для этого традиционно используют соединения железа, но они малоэффективны, и осмиевая технология может произвести революцию в фармакологии.

Лечить без вреда!

— А с какими болезнями помогут бороться ваши исследования?

— Пожалуй, одна из главных — это туберкулез. И для избавления от него мы делаем немало. В нашей лаборатории свойства возбудителя этой болезни изучает старший научный сотрудник из Нигерии Коллинз Ибеджи. Он три года стажировался в Индии, затем работал в ЮАР, а теперь наработанный багаж привез в Россию, где продолжает исследования. Чем отличаются белки туберкулеза и человека и как уничтожить палочку Коха, не нанося вреда нашему организму? Противотуберкулезные препараты обладают высокой токсичностью, и Коллинз намерен создать новые, безвредные для человека и «смертельные» для бактерий.

— Какие еще научные сюрпризы готовят «челябинские иностранцы»?

— В сентябре прошлого года к нам приехал и доктор Юрица Новак из Хорватии. После окончания Загребского университета он работал в этом вузе, пытаясь избавить человечество от СПИДа. А сейчас продолжает изучать свойства белков вируса ВИЧ, выясняя, чем они отличаются от человеческих. И уже нашел целый ряд различий! Доктор Новак исследует ингибирующую способность лекарств — их взаимодействие с ферментами для подавления активности вируса на молекулярном уровне. Победить его намного сложнее, чем бактерию: он перестраивает структуру клетки под себя, мутирует. Кроме того, РНК СПИДа и человека во многом схожи, и важно, чтобы лекарство не нанесло побочного вреда.

Лекарства для БРИКС!

— Но важно еще и испытать будущие лекарства, запустить их в серию.

— В рамках научно-производственной коллаборации наши модели испытывает в работе заведующий лабораторией НИИ неорганической химии Сибирского отделения РАН Владимир Максаков, где синтезируют новые лекарства, исследуют их структуру.

А на конгрессе в Бостоне мы познакомились с биохимиком из США российского происхождения Владимиром Торчилиным, исследующим проблемы медицинских полимеров. Много нового узнали и из «бостонского общения» с лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине Феридом Мурадом. Он сделал прорывное открытие, выяснив, что оксид азота играет роль сигнальной молекулы в регуляции сердечно-сосудистой системы, расслабляет кровеносные сосуды.

У нас тесные научные связи с Центром Гельмгольца в Мюнхене, для которого мы разработали программу расчета электронных характеристик молекул. В университете Тюбингена по нашим моделям синтезировали противовоспалительные средства, в Милане — противоопухолевые.

— Сфера применения нанотехнологий не ограничивается лекарствами?

— Она очень широка — от медицины до возобновляемой энергетики! Наш метод позволяет прогнозировать свойства не только лекарств, но и других веществ. Это, например, температура кипения, плавления, цвет, диэлектрическая проницаемость... И мы уже выходим за рамки «лекарственного профиля», разрабатываем новые компоненты для солнечных батарей! Для их покрытия обычно используют двуокись титана, а мы создаем красители с новыми уникальными свойствами, создающие ток под влиянием солнечного света. Испытания прошли успешно, и по нашим компьютерным моделям их уже синтезируют в институте органической химии им. Зелинского.

— А какой международный проект с вашим участием на подходе?

— И сегодня лекарства для нас — это главное. Мы сотрудничаем с университетом Дели, ученые которого придумали средство против малярии. Для Индии и других тропических стран это большая проблема, и мы участвуем в конкурсе на получение гранта БРИКС по разработке противомалярийных препаратов. Сейчас создается международный консорциум по производству новых лекарств: Россия берет на себя теоретическую часть, ЮАР — экспериментальную, Индия — синтез препаратов, Бразилия — биологические испытания. На саммите БРИКС, который пройдет в Челябинске в 2020 году, будет обсуждаться продолжение этого совместного проекта, очень важного для оздоровления человечества в глобальном масштабе.