Исследователи разработали метод доставки лекарств для лечения диабета, в котором губчатый материал окружает инсулиновое ядро. Губка расширяется и сжимается в ответ на уровень сахара в крови, высвобождая инсулин по мере необходимости. Этот метод также можно использовать для адресной доставки лекарств в раковые клетки.
"Мы хотели имитировать функцию бета-клеток здоровья, которые производят инсулин и контролируют его высвобождение в здоровом организме," говорит доктор. Чжэнь Гу, ведущий автор статьи с описанием работы и доцент совместной программы биомедицинской инженерии в Государственном университете Северной Каролины и Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. "Но то, что мы обнаружили, также обещает разумную доставку лекарств от рака или других заболеваний." В исследовательскую группу входят Дэниэл Андерсон, старший автор и доцент кафедры химической инженерии и член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха, а также исследователи из отделения анестезиологии Бостонской детской больницы.
Исследователи создали сферическую губчатую матрицу из хитозана, материала, который содержится в панцирях креветок и крабов. По всей этой матрице разбросаны более мелкие нанокапсулы из пористого полимера, содержащие ферменты глюкозооксидазы или каталазы. Губчатая матрица окружает резервуар, содержащий инсулин. Вся сфера матрицы имеет диаметр примерно 250 микрометров и может быть введена пациенту.
Когда у пациента с диабетом повышается уровень сахара в крови, глюкоза запускает реакцию, которая заставляет ферменты нанокапсул выделять ионы водорода. Эти ионы связываются с молекулярными нитями хитозановой губки, придавая им положительный заряд. Затем положительно заряженные пряди хитозана отталкиваются друг от друга, создавая большие промежутки в порах губки, которые позволяют инсулину выходить в кровоток. При сахарном диабете 1 и 2 типа организму необходимы инъекции инсулина, гормона, который переносит глюкозу – или сахар в крови – из кровотока в клетки организма.
Когда высвобождается инсулин, уровень глюкозы в организме начинает падать. Это приводит к тому, что хитозан теряет свой положительный заряд, и пряди начинают возвращаться вместе. Это уменьшает размер пор в губке, задерживая оставшийся инсулин.
В то время как в этой работе были созданы ионы водорода с использованием ферментов, которые реагируют на глюкозу, этот метод можно упростить для борьбы с раком, полностью исключив ферменты. Опухоли представляют собой кислую среду с высокой концентрацией ионов водорода. Если бы резервуар для губки был заполнен противораковыми препаратами, лекарства высвобождались бы, когда хитозан вступал в контакт с ионами водорода в опухолевых тканях или раковых клетках.
"Мы также можем отрегулировать размер общей «губчатой» матрицы по мере необходимости, до 100 нанометров," Гу говорит. "А сам хитозан может усваиваться организмом, поэтому не оказывает долгосрочного воздействия на здоровье."
В тестах с использованием диабетических лабораторных мышей исследователи обнаружили, что губчатый матрикс эффективно снижает уровень сахара в крови на срок до 48 часов. Однако исследователи опубликовали отдельный "умная система" для введения инсулина в мае, поддерживающего нормальный уровень сахара в крови в течение 10 дней.
"Но мы многому научились из многообещающего исследования «губки» и будем его оптимизировать. Между тем, мы уже изучаем приложения для борьбы с раком," Гу говорит.