Наноструктурированные материалы для диагностики и терапии онкологических заболеваний

В результате работы по проекту были: 1) Разработаны биосовместимые наноконтейнеры на основе пористых наночастиц кремния (НЧ-ПК), обладающие высокой эффективностью для инкапсуляции терапевтических агентов. Пористые структуры НЧ-ПК с оптимальными размерами пор (10-30 нм) были успешно синтезированы и охарактеризованы с использованием современных микроскопических и спектроскопических методов. Это позволяет обеспечить контролируемое и пролонгированное высвобождение лекарственных препаратов. Кроме того, в ходе работы были созданы композитные наноструктуры кремний-золото (Au-НЧ-ПК), которые продемонстрировали улучшенные оптические свойства благодаря плазмонным эффектам золотых наночастиц. Эти свойства усиливают возможности мониторинга высвобождения лекарств методом усиленного комбинационного рассеяния света (КРС) и повышают стабильность и биосовместимость наноконтейнеров. Также внедрение фотолюминесцентных свойств делает эти наноструктуры перспективными для применения в терапевтических и диагностических целях. Были изучены методы обработки поверхности и сушки НЧ-ПК, показавшие значительное влияние на их физико-химические свойства. Установлено, что различия в методах сушки (воздушной и лиофильной) влияют на размеры нанокристаллов, степень окисления поверхности и, как следствие, на кинетику высвобождения лекарств и скорость деградации. Эти данные важны для дальнейшей оптимизации производственных процессов. Таким образом, в рамках проекта были достигнуты значительные результаты, которые создают основу для дальнейшего использования НЧ-ПК в системах адресной доставки лекарств. Демонстрация их биосовместимости и низкой цитотоксичности даже при высоких концентрациях открывает перспективы их применения в доклинических и клинических исследованиях, направленных на решение задач в области онкологии и персонализированной медицины. 2) В рамках выполнения второй задачи исследования были разработаны методы загрузки противораковых препаратов в наноконтейнеры на основе пористых наночастиц кремния (НЧ-ПК) и проведена детальная оценка кинетики высвобождения лекарств. Загрузка сунитиниба (SU) и доксорубицина (DOX) в поры НЧ-ПК проводилась с использованием водных растворов препаратов и ультразвуковой обработки, что обеспечивало равномерное распределение молекул лекарства внутри пористой структуры наночастиц. Измерения кинетики высвобождения препаратов, проведенные с использованием классических методов и спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), подтвердили предсказуемый и управляемый характер высвобождения. Например, для DOX было показано, что 50% лекарства высвобождалось за 8 часов, а 95% – за 25 часов. В случае SU время полувыхода составило 4 дня, что свидетельствует о пролонгированном действии данного наноконтейнера. Эти результаты подчеркивают возможность адаптации системы доставки для различных терапевтических задач. Дополнительно установлено, что физико-химические свойства наночастиц, включая дзета-потенциал и электростатическое взаимодействие с молекулами препаратов, существенно влияют на эффективность загрузки и характер высвобождения. Например, загрузка DOX приводила к уменьшению дзета-потенциала НЧ-ПК с -45 до -30 мВ, что связано с электростатическим притяжением положительно заряженных молекул DOX к отрицательно заряженной поверхности НЧ-ПК. Таким образом, в результате работы были получены эффективные методики загрузки и контролируемого высвобождения противораковых препаратов из НЧ-ПК. Эти данные создают основу для дальнейшего изучения взаимодействия наноконтейнеров с клеточными системами и их применения в персонализированной медицине для терапии онкологических заболеваний. 3) В рамках выполнения третьей задачи было проведено исследование воздействия терапевтического низкоинтенсивного ультразвука на высвобождение лекарственных препаратов из пористых наноконтейнеров (НЧ-ПК). Установлено, что ультразвук способствует активации процессов высвобождения лекарств за счет эффекта акустической кавитации. Этот эффект обусловлен наличием газа в порах наночастиц, который при воздействии ультразвука создает условия для интенсивного выхода молекул препаратов в заданной области. Эксперименты показали, что использование ультразвука позволяет значительно ускорить высвобождение сунитиниба (SU) из НЧ-ПК, а также усиливает его накопление в клетках, что подтверждается данными флуоресцентной микроскопии и проточной цитофлуориметрии. Например, применение ультразвука на клеточной модели HCT116 продемонстрировало повышение эффективности доставки и терапевтического действия SU-НЧ-ПК по сравнению с пассивным высвобождением. Пороговый характер действия ультразвука был установлен, что позволяет точно регулировать интенсивность воздействия для достижения максимального терапевтического эффекта. Для улучшения кавитационной активности наноконтейнеров были разработаны гидрофобные наночастицы с размером пор менее 10 нм, а также исследованы полимерные покрытия, которые обеспечивают стабильность свойств наночастиц в течение длительного времени. Эти модификации позволили повысить эффективность ультразвуковой активации высвобождения препарата. Таким образом, результаты подтверждают высокую эффективность использования низкоинтенсивного терапевтического ультразвука для активации высвобождения лекарств из НЧ-ПК. Этот подход открывает новые перспективы для разработки контролируемых систем доставки лекарств, направленных на локальное воздействие на опухолевые клетки с минимизацией побочных эффектов. 4) В рамках выполнения четвёртой задачи проекта были разработаны и оптимизированы методы реализации адресной доставки лекарств с использованием наноконтейнеров, модифицированных гиалуроновой кислотой (ГК). Эта модификация направлена на повышение накопления наноконтейнеров в клетках и опухолях с высокой экспрессией рецепторов CD44, специфичных для гиалуроновой кислоты. Методы покрытия поверхности наноконтейнеров ГК включали активацию карбоксильных групп ГК с использованием реагентов EDC и NHS, что обеспечивало её ковалентное связывание с наноконтейнерами. Полученные ГК-модифицированные наночастицы (ГК-НЧ-ПК) продемонстрировали высокую стабильность в растворе и сохраняли свои структурные характеристики, такие как гидродинамический размер и дзета-потенциал, что подтверждено данными динамического рассеяния света и инфракрасной спектроскопии. Результаты in vitro показали, что ГК-НЧ-ПК активно интернализуются в клетки HCT116, характеризующиеся высокой экспрессией рецепторов CD44. Данные, полученные с помощью флуоресцентной микроскопии и КРС, подтвердили локализацию наноконтейнеров в цитоплазме клеток. Влияние модификации поверхности на эффективность доставки лекарств было оценено с использованием сунитиниба (SU) в качестве модельного препарата. ГК-НЧ-ПК обеспечивали более высокое накопление SU в клетках и усиление терапевтического эффекта по сравнению с немодифицированными наноконтейнерами. Эти результаты свидетельствуют о перспективности использования ГК-НЧ-ПК для создания систем таргетной доставки лекарств, направленных на повышение эффективности терапии и минимизацию побочных эффектов. 5) Результаты исследования подтверждают эффективность использования наноконтейнеров на основе НЧ-ПК для доставки лекарств и мониторинга их поведения в биологических системах. Методами флуоресцентной микроскопии и КРС была подтверждена способность НЧ-ПК проникать в клетки и локализоваться в цитоплазме. Например, в клетках H9c2 и HCT116 наноконтейнеры с загруженным сунитинибом (SU) демонстрировали чёткую визуализацию, что указывает на успешную доставку лекарства в клеточные структуры. Наблюдался постепенный выход препарата из пор, сопровождающийся увеличением накопления лекарственного вещества в клетках. В экспериментах in vitro наноконтейнеры демонстрировали способность вызывать программируемую клеточную гибель за счёт высвобождения лекарственных веществ. Использование Вестерн-блот анализа выявило увеличение маркеров апоптоза, таких как активные формы каспазы-3 и расщепленный белок PARP, при инкубации клеток с SU-НЧ-ПК. Метод проточной цитофлуориметрии subG1 подтвердил, что наноконтейнеры вызывают апоптоз даже при низких концентрациях сунитиниба, особенно спустя 72 часа инкубации. Важным достижением стала разработка подходов к функционализации поверхности НЧ-ПК, включая покрытие гиалуроновой кислотой (ГК), что обеспечивало избирательное накопление наноконтейнеров в клетках с высокой экспрессией рецепторов CD44. Это открывает новые возможности для использования НЧ-ПК в адресной доставке лекарств, особенно в онкологической терапии. Результаты демонстрируют, что НЧ-ПК являются эффективной платформой для создания систем доставки, обеспечивающих контроль высвобождения лекарств и возможность их визуализации в клеточных моделях. Эти данные подтверждают перспективность применения НЧ-ПК для локализованного лечения заболеваний и закладывают основу для дальнейших исследований, направленных на интеграцию разработанных систем в клиническую практику.