Россия / Наука

В Уральском федеральном университете (УрФУ, Екатеринбург) открыли лабораторию «Стохастический транспорт наночастиц в живом организме» совместно с «Екатеринбургским медицинским-научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора. Сотрудники лаборатории усовершенствуют один из методов проведения генной и онкологической терапии. Они разработают математические модели адресной доставки лекарственных препаратов в организм с помощью наночастиц. Такой подход обеспечит транспортировку препаратов в заданную область организма, отдельного органа и даже клетки. Это позволит уменьшить дозу лекарств, необходимых для лечения, а в случае применения токсичных препаратов снизить нагрузку на весь организм.

«Терапевтическая эффективность наночастиц во многом зависит от эндоцитоза, то есть способности частиц проникать в клетку через плазматическую мембрану. Это очень сложный процесс, который формируется под влиянием ряда факторов: сложная структура мембраны клетки, уникальные физикохимические свойства наночастиц, их взаимодействие с органеллами клетки. Математический учет всех этих условий решает сложную задачу по повышению эффективности лечения. Наша цель — построить модели стохастического, то есть случайного движения наночастиц внутри клеток организма, математически описать процесс проникновения частицы через мембрану клетки. Так, мы сможем рассчитать распределение наночастиц внутри клетки, определить критические концентрации и их оптимальный размер для прохождения всей клеточной структуры», — поясняет сотрудник лаборатории, профессор Манчестерского университета Сергей Федотов.

Построение математических моделей ученые основывают на экспериментальных результатах, которые предоставляют медицинские работники ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора. Например, это данные с микроскопов, изображающие наночастицы, проникшие внутрь клетки, а также в различные органы и ткани. С помощью этих данных математики определяют, какова была вероятность проникновения частиц в клетку, какое оптимальное количество сможет в нее пройти. Таким образом ученые не только определяют эффективность адресной доставки лекарственных веществ наночастицами, но и рассчитывают, как снизить риск их проникновения к здоровым тканям.

«Несмотря на перспективность и высокую продуктивность такого метода лечения, существует потенциальная опасность для здоровья человека. Главная проблема в том, что наночастицы могут быть токсичны для здоровых клеток. Они могут вызывать окислительный стресс, при котором образуются активные формы кислорода, разрушающие белки и ДНК. К счастью, вероятность проникновения наночастиц в клетку поддается математическим расчетам. Мы можем выяснить, какое максимальное количество частиц и объем лекарства в них необходимо ввести в организм, чтобы они полностью заполняли очаг заражения и при этом не распространялись на здоровые клетки», — рассказывает профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Дмитрий Александров.

Создание лаборатории «Стохастический транспорт наночастиц в живом организме и разработка научных подходов для снижения их вредного влияния на здоровье экспонированного населения» профинансировало Министерство науки и высшего образования РФ по программе «Приоритет-2030». На данный момент программа рассчитана на три года с возможностью продления. В результате работы ученые предоставят комплекс вычислительных программ и математических моделей для обучения нейронных сетей анализу траекторий распространения наночастиц в организме.

Справка: Использование наночастиц для адресного лечения — одно из прорывных направлений развития современной диагностики и терапии различных заболеваний. Например, липидные и полимерные наночастицы могут применяться для доставки в клетку матричной (информационной) РНК, чтобы вылечить генетическую болезнь, вызванную поломкой генов. На основе липидных наночастиц создаются мРНК-вакцины против Covid-19. Также наночастицы способны целенаправленно доставлять лекарственные препараты к раковым клеткам или воздействовать на болезнетворные бактерии.

Фото: Илья Сафаров, УрФУ.