В петербургском Политехе ведут разработки полимерного контейнера для доставки генетических материалов в клетку

Прямо сейчас группа ученых Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) совместно с коллегами из бельгийского Vrije Universiteit Brussel занимаются разработкой технологии, которая может стать основой для вакцины против вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). В Политехе работают над созданием полимерного контейнера для РНК-молекулы, благодаря которой вирус не будет «видеть» клетки иммунитета. Созданием генетического материала — той самой РНК-молекулы — занимаются в Бельгии. О разработке необычного носителя в рамках тематического месяца Года науки и технологий, посвященного генетике, рассказал ведущий научный сотрудник Института биомедицинских систем и биотехнологий, руководитель научного центра «RASA-Политех» Игорь Радченко. 

— Игорь Леонидович, что собой представляет контейнер, как он выглядит?

— Представьте себе воздушный шарик: нечто полое внутри, с тоненькой оболочкой вокруг. Наши носители — это такой же воздушный шарик диаметром три‒пять микрон, толщина его стеночки составляет 10‒20 нанометров. Только в воздушном шаре внутри воздух, а в нашем контейнере раствор. Прелесть в том, что мы научились делать так, чтобы внутрь этого условного шарика можно было поместить что угодно: раствор с РНК, ДНК, функциональными полимерами, наночастицами и пр. Контейнер с этим раствором мы можем отправить внутрь клетки. 

— Расскажите подробнее про технологию создания полимерного контейнера? 

—  История этой технологии началась еще в конце 1990-х — начале 2000-х в Германии, ее родоначальник — известный российский ученый Глеб Борисович Сухоруков (на сегодняшний день — профессор Сколтеха и факультета инженерии и материаловедения Лондонского университета королевы Марии — Прим. ред.). Он был первым, кто сделал этот полимерный носитель. На тот момент концепция была такова: брались полимерные частицы любого размера, и на их поверхности выращивалась тонкая пленка так, чтобы эти частицы между собой не слипались и сохраняли свои основные свойства. Впоследствии ядро, на поверхности которого выращивалась пленка, растворялось, оставалась только оболочка с неким раствором внутри. Сейчас такие контейнеры выращивают в основном на частицах мела — карбонате кальция, в который вводится необходимое для инкапсуляции вещество. Если нам, например, в клетку надо доставить РНК, то мы вводим ее в карбонат кальция и выращиваем пленку. Ее можно делать совершенно разной. К примеру, в случае с генетикой важно, чтобы содержимое контейнера, когда попадает в клетку, оставалось не внутри него, а в свободном виде «плавало» в клетке. Соответственно, эта пленка программируется так, чтобы ее можно было растворить прямо внутри клетки с помощью специальных ферментов.

— Правильно я понимаю, что эта оболочка никакого воздействия на саму клетку не оказывает? 

— Да, мы делаем эту оболочку из «съедобного» для клетки материала, который она может потом использовать в своей внутренней жизнедеятельности. Повторюсь, есть разные задачи, и для них есть разные сценарии. Конкретно в случае с генетическим материалом нужно, чтобы оболочка растворилась, выпустила то, что находится внутри. Но в ряде других задач внутреннее содержание этого «воздушного шарика» нужно защитить. Соответственно, задача для этой пленки быть полупроницаемой и при этом защищать инкапсулированный материал от агрессивного воздействия окружающей среды, когда нам важно, например, чтобы иммунная система, антитела, содержимое носителя не «видели» и, соответственно, не атаковали. 

— В каких еще областях, помимо генетики, этот полимерный носитель можно использовать? 

— Вот, например, люди, больные сахарным диабетом. Как мы знаем, причина их болезни — недостаток инсулина. Они вынуждены периодически делать себе инъекции инсулина, чтобы поддерживать его на необходимом уровне. Изначально, когда мы начали заниматься этими контейнерами, мы планировали поместить в них большой кристаллик инсулина. Тогда за счет полупроницаемых свойств стенок носителя этот кристаллик будет медленно растворяться, молекулы инсулина будут выходить. И вместо того чтобы делать себе ежедневные инъекции, человек делал бы это раз в месяц и не переживал — разумеется, лечащий врач заранее посчитал бы концентрацию. Но конкретно с инсулином идея оказалась невостребованной, просто потому что у человека не постоянная потребность в инсулине: когда-то ему нужно больше, когда-то меньше. 

Еще одна область применения тоже связана с сахарным диабетом и инсулином. Наш микроконтейнер превращается в микрофабрику — внутрь оболочки помещается живая клетка, производящая молекулы инсулина. В этой ситуации контейнер нужен для защиты этой самой клетки от иммунитета, так как им «инсулиновая» клетка будет восприниматься как инородная, и он захочет ее уничтожить. Но это наука завтрашнего дня. 

— А как полимерные носители применяются сейчас?

— Расскажу про два красивых проекта, которые ведутся в том числе и с участием коллег из нашей лаборатории. Один из них связан с имплантами, различными медицинскими изделиями, которые вводятся в тело человека. Например, у человека больные сосуды. Чтобы увеличить их внутренний диаметр, ему вводят туда стент.  Так как это инородное тело, помимо положительного эффекта у него есть набор понятных, очевидных негативных последствий, например, он локально травмирует ткани. Чтобы минимизировать эти негативные эффекты, ученые — лаборатория Глеба Борисовича Сухорукова — научились выращивать на поверхности стента тоненькую пленочку из полимерных микроконтейнеров, внутрь которых введены лекарственные, противовоспалительные и антисептические вещества, нивелирующие негативное/побочное воздействие этой безусловно нужной и полезной операции.

Второй красивый проект уже находится на стадии испытаний на лабораторных животных, руководит им Тимин Александр. Это так называемые радиофармпрепараты. Проблема с ними в том, что в некоторых случаях в процессе обычного распада условно нейтрального для организма радиофармпрепарата появляется элемент для организма очень вредный. Сейчас эти радиофармпрепараты вводятся посредством инъекции  в кровь, но мы решили прятать их в наши «воздушные шарики». Это приводит к тому, что положительный эффект проявляется, а вредный элемент, появившийся после распада, организм так и не видит, поскольку он остается внутри микрокапсулы. Потом она естественным путем выводится из организма. 

— Если вернуться к генетике, расскажите подробнее о вакцине против ВИЧ, над которой вы сейчас работаете совместно с бельгийскими коллегами. 

— Неформальное название нашего проекта — создание вакцины против ВИЧ. Но это фундаментальное исследование, понятное дело, что по его итогу не сразу получится вакцина. Сначала нам нужно разработать технологию, которая позволит иммунизировать человека от возможного контакта с вирусом иммунодефицита. 

Опасность вируса в том, что он попадает в иммунные клетки, поражает их и в конечном счете разрушает. Человек умирает не от СПИДа, а от вторичных инфекций, так как его иммунная система становится слабой и неспособной с ними бороться. Сейчас уже есть терапии, которые поддерживают ВИЧ-инфицированных людей, позволяют продлить им жизнь. Но это терапия, человек все равно болен и находится в хронической фазе болезни.

А смысл разрабатываемой нами РНК-вакцины в том, что иммунные клетки становятся невосприимчивы к этому вирусу. Благодаря вакцине вирус их больше не найдет. Наша задача — сделать их для него «невидимыми», убрав с поверхности клетки некий рецептор, по которому как раз ВИЧ и видит, и заражает эти иммунные клетки.