Разные: Система доставки лекарственных веществ активируется инфракрасным светом через кожу человека

Появилась новая концепция системы доставки лекарств по требованию, в которой лекарства автоматически высвобождаются из медицинских устройств in vivo просто путем попадания света на кожу.

Исследовательская группа во главе с профессором Сей Кванг Ханом и профессором Килвоном Чо разработала систему адресной доставки лекарственных веществ (DDS) с использованием органического фотоэлектрического элемента с повышающими преобразование наночастицами (UCNPs). По сути, они преобразовывают проникающий через кожу ближний инфракрасный (NIR) свет в видимый. Это позволяет контролировать высвобождение лекарства в медицинских устройствах, внедренных в организм человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Energy.

Для пациентов, которым необходимы периодические инъекции лекарств, как в случае диабета, исследуются и разрабатываются системы DDS. Система адресной доставки лекарственных средств — способ доставки лекарств в очаг заболевания, позволяющий увеличить концентрацию доставляемого вещества в нужном месте и блокировать его накопление в здоровых органах и тканях. При этом можно повысить продолжительность и эффективность действия, снизить побочные эффекты. Однако его размер и форма таких систем ограничены из-за источника питания для работы устройства.

Свет вместо инъекций: новая концепция системы доставки лекарств, которая автоматически высвобождает лекарство из медицинского устройства in vivo путем простого включения света всякий раз, когда требуется инъекция лекарства. Фото: POSTECH

Команда исследователей решила проблему, обратив внимание на солнечную энергию. Ученые использовали наночастицы с повышающим преобразованием, чтобы вызвать выработку фотоэлектрической энергии с помощью света ближней инфракрасной области (он способен проникать через кожу). Органический фотоэлектрический элемент генерирует электрический ток при облучении ближним инфракрасным светом. Тонкая золотая пленка, закрывающая резервуар с лекарством, плавится, и вещество высвобождается.

В итоге комбинация гибкого фотоэлектрического элемента и системы доставки лекарств позволяет высвобождать медикаменты по требованию с использованием света. Система доставки активируется с помощью ближнего инфракрасного света, который безвреден для человеческого тела и хорошо проникает через кожу. Ученые уверены, их работа внесет вклад в развитие технологии фототерапии с использованием имплантируемых медицинских устройств.

Проект российских ученых поможет в создании капсул для адресной доставки лекарств

Группа ученых, в которую вошли специалисты из Университета ИТМО и МФТИ, изучили процессы образования и роста кристаллов из простых органических молекул в большие ассоциаты. Эти эксперименты помогут создать капсулы для таргетной доставки лекарств к конкретным тканям организма человека.

Кристаллы цианурата меламина в поляризационном свете. Исходное соотношение компонентов 1 к 1 / ©Из архива ученых Университета ИТМО

Цианурат меламина — это соединение меламина, бесцветных кристаллов, и циануровой кислоты, очень недорогих компонентов. Однако до сих пор остается много вопросов о механизме молекулярной организации на разных стадиях роста кристаллов. «Наша работа об интересном эффекте: варьируя соотношения начальных компонентов, можно регулировать процесс формирования и внешний вид кристалла цианурата меламина, — рассказывает соавтор исследования и куратор образовательных программ НОЦ Инфохимии Университета ИТМО Александра Тимралиева. — Мы рассматривали процесс образования супермолекулярного комплекса цианурата меламина.

Его образование напрямую зависит от локальной концентрации компонентов. Оказалось, что именно контроль пропорций позволяет нам управлять ростом кристаллов и внедрять в них другие вещества». Основные расчеты ученые провели в МФТИ, экспериментальная часть проходила в лабораториях НОЦ Инфохимии Университета ИТМО. Исследователи изучали, как изменение концентрации одного из двух компонентов влияет на процесс образования цианурата меламина.

Кристаллы цианурата меламина в поляризационном свете. Исходное соотношение компонентов 1 (меламин) к 3 (циануровая кислота) / ©Из архива ученых Университета ИТМО

Работы с циануратом меламина могут быть полезными для доставки биомолекул и удобны для создания методик по внедрению лекарственных препаратов в аналогичные ему по строению кристаллы. Это позволит ученым эффективнее проводить опыты по таргетированной доставке лекарств — технологии, благодаря которой в будущем препараты смогут попадать прямо в «мишени», то есть конкретные ткани органов, а не распределяться по всему организму.

«Мы планируем провести модельные испытания со многими органическими молекулами, например, с антибиотиками по типу тетрациклина, — поясняет Александра Тимралиева. — Все супермолекулярные структуры, особенно цианурат меламина, очень похожи по своему формированию на то, как образуется ДНК. Если удастся разобраться с контролем образования этих структур, то сможем перейти в область химии зарождения жизни. Первые шаги уже сделаны». Результаты работы опубликованы здесь.

Созданы управляемые наноносители для точной адресной доставки противоопухолевых препаратов

Исследователи из Сколтеха и Израильского медицинского центра Хадасса в Москве разработали гибридные наноструктурированные частицы, которые можно направлять к опухоли при помощи градиента магнитного поля, отслеживать их положение по уровню флуоресценции и с помощью ультразвука инициировать высвобождение лекарственного препарата. Разработанная технология может способствовать повышению точности адресной доставки лекарств при проведении химиотерапии у онкологических больных.

Созданы управляемые наноносители для точной адресной доставки противоопухолевых препаратов / ©Getty images

Результаты исследования опубликованы в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Сегодня для лечения онкологических заболеваний используются такие методы, как химиотерапия, иммунотерапия, лучевая терапия и хирургия. Однако ни один из этих методов не обладает необходимой избирательностью, а это означает, что при воздействии на опухоль затрагиваются и здоровые ткани. Кроме того, из-за их высокой токсичности для всего организма пациент зачастую с трудом переносит назначаемое лечение.

Одно из возможных решений проблемы — использование так называемой фокальной терапии, позволяющей при помощи наночастиц направлять лекарственный препарат точно к опухоли. Для изготовления наночастиц исследовались несколько вариантов биосовместимых материалов. Эта технология также может использоваться в диагностических целях в дополнение к методам визуализации.

Группа ученых Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Горина из Центра фотоники и квантовых материалов и профессора Тимофея Зацепина из Центра наук о жизни разработала многофункциональные наноструктурированные частицы, содержащие магнитные наночастицы – флуоресцентные красители Cy5 или Cy7, а также лекарственный препарат доксорубицин.

Исследования с помощью МРТ проводились заведующим отделением лучевой и ультразвуковой диагностики Медицинского центра Хадасса, кандидатом медицинских наук Кириллом Петровым. Исследования методами динамического рассеяния света (ДРС) и флуоресцентной томографии, а также гистологические исследования проведены на оборудовании Центра коллективного пользования «Биовизуализация и спектроскопия» Сколковского института науки и технологий.

Нанокапсулы можно направлять на определенные участки опухоли при помощи градиента магнитного излучения, обеспечивая высокий контраст при визуализации высокого разрешения методами МРТ, оптоакустической и флуоресцентной визуализации. Высвобождение лекарственного препарата инициируется при помощи ультразвука. Капсулы — многокомпонентные, что обеспечивает их многофункциональность и, в частности, возможность использования различных типов визуализации (флуоресцентная, оптоакустическая, МРТ), дистанционного высвобождения препарата (направленный ультразвук) и навигации (градиент магнитного поля).

«Капсулы для доставки лекарственных препаратов изготовлены с использованием двух методов. Один из них – метод индуцированной кристаллизацией адсорбции (FIL) был предложен соавторами статьи ранее и успешно использован для загрузки неорганических наночастиц, белков, низкомолекулярных лекарственных веществ и так далее в частицы ватерита субмикронного размера. Частицы ватерита использовались в качестве темплейтов при изготовлении носителей и удалялись после образования оболочки из полимера. Для создания такой биоразлагаемой полимерной оболочки применялся метод полиионной сборки», – рассказывает Дмитрий Горин.

Исследователи провели эксперименты in vitro и исследования на животных in vivo, продемонстрировав не только работоспособность предложенного метода, но и повышение точности адресной доставки доксорубицина в печень с высвобождением препарата при помощи ультразвука. «Эта технология должна пройти доклинические исследования на моделях животных с целью оценки терапевтической эффективности и безопасности такой системы доставки лекарственных препаратов. Эти исследования планируется провести на следующем этапе нашей работы», – отмечает Тимофей Зацепин.

Биологи нашли способ ускорить секвенирование гликозаминогликанов

Исследователи создали устройство на основе нанопор, которое может за несколько минут секвенировать гликозаминогликаны — биополимеры, играющие важную роль в различных процессах внутри человеческого организма.

Биологи нашли способ ускорить секвенирование гликозаминогликанов

mindzilla.com

В ДНК всего четыре типа нуклеотидов, а в гликозаминогликанах — более десятка. Теперь исследователи смогли секвенировать эти сахара, которые играют роль во многих биологических процессах

Коммерческие устройства для секвенирования на основе нанопор используются для секвенирования ДНК. Эта молекула представляет собой последовательность четырех нуклеотидов различных размеров. В секвенаторах молекулы ДНК, проходя через нанопоры, блокируют ток жидкости. Каждая нуклеиновая кислота закрывает пору определенным образом, благодаря чему можно определять положение конкретного нуклеотида.

На сегодняшний день нанопоровые устройства являются одним из нескольких относительно быстрых и автоматизированных методов секвенирования ДНК. Теперь ученые показали, что с помощью такого метода можно анализировать гликозаминогликаны.

Эти вещества представляют собой класс гликанов — незаменимых сахаров, присутствующих в живых организмах, которые выполняют множество функций: участвуют в росте клеток и передаче сигналов, антикоагуляции и восстановлении ран, а также поддержании клеточной адгезии. Так же как и ДНК, гликозаминогликаны состоят из небольших частей — дисахаридов. Но если генетические молекулы состоят из четырех нуклеотидов, то у полимерных сахаров составляющих частей может быть более десяти.

Из-за этого для определения последовательностей таких молекул используют такие сложные методы как жидкостная хроматография в тандеме с масс-спектрометрией и спектроскопия ядерного магнитного резонанса. В новой работе биологи модифицировали нанопоровое устройство так, чтобы с помощью него можно было анализировать гликозаминогликаны. Авторы взяли искусственно созданный гепарин — антикоагулянт, который относится к этому классу соединений — и прогнали его через нанопоровое устройство более 2000 раз.

Полученный массив данных ученые обработали с помощью нейросети Google и научили ее определять последовательность сахаров в молекуле. В результате авторы достигли точности в секвенировании гликозаминогликанов в 97%.

Исследование опубликовано в журнале PNAS.

Ученые сократили время для секвенирования ключевых молекул с нескольких лет до минут

Исследователи продемонстрировали возможность сократить время, необходимое для секвенирования гликозаминогликана — класса длинноцепочечных молекул сахара, столь же важных для нашей биологии, как ДНК — с лет до минут. В этом ученым помогли нанопоры.

Команда из Политехнического института Ренсселера доказала, что программное обеспечение для машинного обучения и распознавания изображений подойдет для быстрой и точной идентификации сахарных цепей — в частности четырех синтетических гепарансульфатов. Электрические сигналы генерируются во время прохода через крошечное отверстие в кристаллической пластине. Результаты публикует журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гликозаминогликаны — сложный репертуар последовательностей, как произведение Шекспира — сложный набор букв. Для их написания нужен эксперт, как и для чтения. Мы обучили машину быстро читать эквивалент слов из четырех букв, таких как ababab или bcbcbc. Это простые последовательности, которые не имеют никакого значения. Однако они показали, что машину можно научить читать. Если мы расширим и разработаем эту технологию, у нее есть потенциал для секвенирования гликанов или даже белков в реальном времени, не затрачивая на это годы.

Роберт Линхардт, ведущий исследователь и профессор. химии и химической биологии в Политехническом институте Ренсселера

Коммерческие устройства для секвенирования нанопор используются для секвенирования ДНК. Она состоит из четырех единиц нуклеиновой кислоты, известных под буквами A, C, G и T, соединенных вместе в бесконечном разнообразии конфигураций. Устройство использует ионный ток, проходящий через отверстие в мембране шириной всего несколько миллиардных долей метра. Нити ДНК помещаются с одной стороны отверстия и протягиваются сквозь нее с током. Каждая нуклеиновая кислота в некоторой степени блокирует отверстие, когда оно проходит, нарушая ток и давая определенный сигнал, связанный с этой нуклеиновой кислотой. Устройства, которые сейчас используются для полевых исследований, являются лишь одним из нескольких относительно быстрых и автоматизированных методов секвенирования ДНК.

Гликозаминогликаны (GAG) представляют собой структурно сложный класс гликанов. Это незаменимые сахара, присутствующие в живых организмах. Они выполняют множество функций в клеточном росте и передаче сигналов, антикоагуляции и заживлении ран. Сегодня гликозаминогликаны извлекаются из забитых животных, используются в качестве лекарств и нутрицевтиков.

Подобно ДНК, их можно подразделить на составляющие их дисахаридные сахарные единицы. Но в то время как ДНК состоит только из четырех букв в линейной строке, у гликанов — десятки основных единиц. У некоторых из них есть присоединенные сульфатные, кислотные и амидные группы. Например, даже у относительно небольшой встречающейся в природе молекулы гепарансульфата из шести сахарных единиц может быть 32 768 возможных последовательностей. Секвенирование гликанов остается обременительным, полагаясь на кропотливую лабораторную работу и сложный анализ с использованием таких методов, как жидкостная хроматография и тандемная масс-спектрометрия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса.

Программное обеспечение для распознавания нанопор и изображений может секвенировать сульфатированный гликозаминогликан в реальном времени. Предоставлено: Политехнический институт Ренсселера

Ученые разработали синтетический вариант обычного разжижающего кровь гепарина. Он секвенирует GAG, чтобы понять встречающиеся в природе формы и разработать его синтетические варианты.

Команда ученых пропустила каждый гепарансульфат через нанопоры и построила график, отображающий выходное напряжение устройства в зависимости от времени. Каждый из четырех вариантов проходил через устройство более 2 000 раз, что увеличивало статистическую вероятность точного считывания с учетом элементарной конструкции экспериментальной нанопоры.

Устройство секвенировало простейший гепарансульфат в реальном времени и создавало узор, который ученые легко распознают сразу для каждого из четырех образцов. Сразу видно, что они разные.

Чтобы обеспечить объективный анализ, команда загрузила результаты в бесплатное программное обеспечение для машинного обучения и распознавания изображений. Они использовали глубокую нейронную сеть Google, обучая программное обеспечение различать четыре различных паттерна и идентифицировать каждый вариант гепарансульфата. Наиболее успешная модель дала анализ с точностью почти 97%.

Информационное содержание последовательности GAG может значительно превосходить такое же количество ДНК или РНК. Это значит, что способность быстро их считывать открывает новое окно понимания сложной биохимии жизни. Доказательство концепции исследования связывает инновационные методы нанообнаружения с современными инструментами машинного обучения.

Уменьшение скорости, с которой гликозаминогликаны проходят через нанопоры, повысит точность, и устройство можно обучить на более сложных последовательностях. Однако ученые уже сократили необходимое для секвенирования ключевых молекул GAG время с нескольких лет до минут.