Nowe informacje wyjaśniające niezdolność większości nanocząstek do przechodzenia przez bariery biologiczne
Przekraczanie barier biologicznych stanowi podstawę stosowania wszystkich zaawansowanych lub ukierunkowanych środków terapeutycznych. Trudność przenikania przez barierę zależy od jej rodzaju, przykładowo najbardziej wymagająca jest bariera krew-mózg, co uniemożliwia znalezienie naprawdę skutecznych sposobów leczenia schorzeń mózgu. Przenikanie przez inne bariery, takie jak jelita i płuca, również jest trudne, jednak nie w takim stopniu. W ramach wielu projektów badawczych, realizowanych zarówno przez instytucje naukowe, jak i podmioty z sektora przemysłowego, badano, metodą prób i błędów, dlaczego niektóre nanocząstki nie są w stanie przeniknąć przez barierę. Zespół finansowanego ze środków UE projektu PathChooser (Innovative, mechanistic-based strategies for delivery of therapeutic macromolecules across cellular and biological barriers) przyjął odmienne podejście. „Chcieliśmy zbadać, jakie procesy uniemożliwiają transport przez bariery i jakie mechanizmy mogą pozwolić na taki transport”, wyjaśnia koordynator projektu, prof. Kenneth Dawson, dyrektor Centrum ds. Interakcji BioNano przy uczelni University College w Dublinie. Jak wyjaśnia, procesy endocytotyczne, transcytotyczne i inne procesy komórkowe umożliwiają przekraczanie barier, a inne mu zapobiegają. „Od wielu lat wiadomo, że małe liczby cząsteczek mogą przenikać in vivo, np. przez barierę krew-mózg i inne bariery, a naszym zamiarem było umożliwienie wprowadzania ulepszeń w projekcie nanocząstek pełniących funkcję nośników leków, tak aby zwiększyć prawdopodobieństwo ich bezpiecznego przejścia”. Wyłączenie metody prób i błędów z procesu – inżynieria odwrotna Aby umożliwić opracowanie lepszych nośników leków, zespół projektu próbował ustalić, co sprawia, że te procesy komórkowe i ich interakcje z nanocząstkami wspomagają lub blokują przekraczanie tych barier. Aby podejść do problemu z innej perspektywy, zespół pracował „od końca”. Badacze wytworzyli duże grupy nanocząstek, które można było bardzo łatwo śledzić, gdy przekraczały barierę. Następnie spróbowali ponownie wyhodować komórki tworzące barierę, aby sprawdzić, które z nanocząstek są w stanie przekroczyć daną barierę. „Użyliśmy wielu barier ustalonych przez innych naukowców i opracowaliśmy własne. Korzystając z tych modeli, badaliśmy mechanizmy umożliwiające przenikanie cząsteczek i sprawdzaliśmy, co uniemożliwia niektórym z nich przedostanie się do wnętrza modeli”, mówi prof. Dawson. Naukowy odkryli, że liczba kandydatów zdolnych do przekroczenia bariery stawała się coraz mniejsza. Zespół projektu PathChooser zbadał je bardziej szczegółowo, aby zidentyfikować kluczowe aspekty nanocząstek, które angażują szlaki wykorzystywane do przejścia. Lepsze poznanie mechanizmów umożliwiających przenikanie przez bariery W ramach projektu ustalono, że cząsteczki na powierzchni nanocząstek mogą uniemożliwiać i hamować ich przenikanie. „Możemy faktycznie oglądać procesy endocytozy, wchłaniania i przenoszenia cząstek do degradacji, ponieważ zostały uznane za „obce”. Pokazało nam to, jak istotne jest ostrożne zaprojektowanie powierzchni nanocząstek. Projekt PathChooser dostarczył cennych informacji na temat wpływu organizacji powierzchniowej biocząsteczek na mechanikę przekraczania barier. „Udało nam się zidentyfikować powszechnie stosowane podejścia do organizacji powierzchni, które uniemożliwiałyprzekraczanie barier”, mówi. Na początku projektu badacze nie wiedzieli, dlaczego niektóre nanocząstki nie są w stanie przekroczyć barier. Dzięki pracy zespołu dostępne są teraz stosunkowo proste sposoby odrzucania ogromnej liczby kandydatów, o których wiadomo, że będą nieprzydatne ze względu na ich kryteria organizacji powierzchni. „Nie jesteśmy już tak zniechęceni, jak inni badacze zajmujący się tą dziedziną, ponieważ zaczynamy dostrzegać, że istnieją bardziej systematyczne sposoby podejścia do problemu”, mówi prof. Dawson. Pomoc w opracowaniu skuteczniejszych leków W dłuższej perspektywie wyniki projektu PathChooser powinny wpłynąć na opracowanie bardziej skutecznych i łatwych do stosowania leków na potrzeby leczenia schorzeń, takich jak cukrzyca, i niektórych z najcięższych chorób, takich jak glejaki, które są uważane za nieuleczalne z powodu słabego dostępu do mózgu. „Mamy nadzieję, że lepsze zrozumienie zależności między projektem nanocząstki a jej działaniem znacznie ograniczy nieskuteczność w pętli projektowania leków”. Usprawnienie projektowania leków nanocząstkowych obniżyłoby koszty badań i rozwoju, co z kolei mogłoby otworzyć drzwi do opracowania nowego zestawu leków. „Głównym rezultatem naszego projektu jest głębsze poznanie mechanizmów umożliwiających przejście przez barierę oraz głównych dróg dostępu do tego przejścia”, mówi prof. Dawson.
Słowa kluczowe
PathChooser, nanomedycyna, nanocząstki, bariery biologiczne, medycyna, leki ukierunkowane
