Ученые разработали биосовместимый гидрогель, который можно использовать для заполнения полостей в мозге после удаления опухолей, а также для доставки лекарств. Гидрогель высвобождает противоопухолевые препараты, тем самым предотвращая повторное возникновение новообразования. При этом материал безопасен для здоровых клеток — он снижает их жизнеспособность не более чем на 25%, тогда как обычная химиотерапия часто оказывается более токсична. Эксперты считают, что в перспективе материал можно будет использовать не только при лечении рака, но и при травмах, однако необходим полный комплекс клинических испытаний.
Как работает гидрогель
Ученые из Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана совместно с коллегами предложили доставлять противоопухолевые препараты в ткани головного мозга с помощью мягкого биосовместимого термочувствительного материала — гидрогеля. Исследователи разработали его на основе коммерчески доступных соединений — нанокристаллической целлюлозы и особого полимера, водные растворы которого при нагревании переходят из набухшего состояния в сжатое (гидрофобное), теряя около 90% объема.
Как пояснили разработчики, в настоящее время существует только одна коммерческая система для доставки противоопухолевого лекарства в послеоперационные полости — разработанная в Японии пластина из биоразлагаемого полимера. Однако ее использование затрудняется тем, что она не может повторить анатомию полости, поэтому ученые ищут альтернативные материалы.
— При нагревании до температуры человеческого тела (37 °С) модифицированные полимером наночастицы целлюлозы превращались в гель, то есть становились более плотными. Концентрацию частиц можно выбирать таким образом, чтобы конечный материал максимально соответствовал механическим свойствам нужной области мозга, — рассказала «Известиям» участник проекта, инженер научно-образовательного центра «Мягкая материя и физика флюидов» МГТУ имени Н.Э. Баумана Анастасия Беляева.
Исследователи протестировали гидрогель на эндотелиальных (выстилающих стенки кровеносных сосудов) и астроглиальных (составляющих основу нервной ткани) клетках, которые выделили из коры головного мозга крыс. Клетки нанесли на слой гидрогеля, а затем наблюдали, как они растут и делятся. Оба типа клеток прилипли к гелю и стали разрастаться.
Однако исследователи зафиксировали, что на третьи сутки экспериментальные клетки стали на 25% менее жизнеспособными по сравнению с выращенными в стандартном растворе. Тем не менее полученные данные о жизнеспособности клеток находились в пределах нормы.
Затем авторы «загрузили» в полученный гидрогель противоопухолевое лекарство паклитаксел и нанесли этот состав на клетки глиобластомы человека. Паклитаксел выбрали как одно из эффективных средств против различных опухолей, в том числе глиомы и глиобластомы. Введение противоопухолевого препарата позволило снизить выживаемость раковых клеток с 75% (при использовании чистого гидрогеля) до 25%.
Справка «Известий»Глиобластома — это наиболее агрессивная форма рака головного мозга. Ее лечат, сначала удаляя опухоль хирургически, а затем проводят лучевую и химиотерапию. Несмотря на такой подход, выживаемость пациентов за последующие пять лет составляет 6%. Более того, при хирургическом удалении опухоли в 90% случаев она возникает снова вблизи первичного очага. Поэтому нужны препараты, которые бы предотвратили рецидив: доставлялись прямо в послеоперационную полость и обеспечивали длительное действие.
Как лечить рак мозга с помощью нового материала
При доставке в мозг лекарство должно высвобождаться постепенно, рассказали ученые. В начальный момент времени концентрация высвободившегося препарата будет ниже, чем при его использовании в чистом виде, без носителя, но с течением времени она начнет нарастать, достигая необходимой терапевтической дозы. Таким образом, гель с паклитакселом можно вводить в более высокой дозировке, формируя депо препарата, которое позволит обеспечить необходимый длительный лечебный эффект и при этом не будет блокировать деление здоровых клеток.
Авторы подчеркивают, что полученный материал открывает новый подход к комбинированному лечению онкологических заболеваний головного мозга. Он включает хирургическое удаление опухоли и последующее заполнение послеоперационной полости гидрогелем, содержащим химиотерапевтический препарат. Достоинством разработанной системы доставки будет возможность заполнять полости любой формы, а также локальный характер химиотерапевтического лечения, снижающий риск побочных эффектов.
— В дальнейшем мы планируем глубже изучить биосовместимость геля с тканями головного мозга и протестировать большее количество лекарств разного типа для анализа применимости системы, — рассказала руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Мягкая материя и физика флюидов» МГТУ имени Н.Э. Баумана, завлабораторией технологий ионообменных мембран Московского физико-технического института Софья Морозова.
Разработка перспективна, так как заполнение гелем полости препятствует вероятному росту раковых клеток. Здесь всё зависит от механики геля, и выбранный гель довольно жесткий, чтобы удовлетворять требованиям препятствования роста опухоли, рассказал «Известиям» эксперт рынка НТИ «Нейронет» (NeuroNet), профессор Сколтеха Глеб Сухоруков
— Идея оставить что-то с лекарством постоперационно не нова. И данный полимер, который использовали авторы, биосовместим, он образует гель при температуре тела и довольно дешев. То есть идея простая. Альтернативные проекты в мире используют разлагаемые пленки с противоопухолевым лекарством, — отметил ученый.
Применение подобного гидрогеля в клинической практике у пациентов с онкологической патологией головного мозга требует предварительной оценки его безопасности и эффективности, подчеркнул ведущий научный сотрудник Центра биомедицинских клеточных продуктов НТИ «Бионическая инженерия в медицине» Денис Алексеев.
— В числе прочего биосовместимые гидрогели были разработаны для замещения посттравматических и послеоперационных дефектов тканей с целью предупреждения развития функциональных нарушений. Гидрогели обладают физико-химическими свойствами, аналогичными внеклеточному матриксу естественных тканей, обеспечивая хорошее микроокружение для клеток. Кроме того, они могут содержать в себе лекарственные препараты, обеспечивая пролонгацию и улучшение терапевтического эффекта, — сказал он.
Разработанные биосовместимые гидрогели, содержащие лекарственные препараты, могут быть использованы на восстановительных этапах при операциях после травм или онкологических заболеваний, заполняя дефекты тканей и восстанавливая их форму и функцию, подчеркнул эксперт.
В исследовании также принимали участие сотрудники Института физиологически активных веществ РАН, Института высокомолекулярных соединений РАН, Института цитологии РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, Научного центра неврологии и Московского физико-технического института.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Carbohydrate Polymers.