В вузе открыли лабораторию совместно с научным центром Роспотребнадзора

10:59, 22 августа 2022

Физики будут моделировать адресную доставку лекарств в организм с помощью наночастиц

Дмитрий Александров и Сергей Федотов сообщают, что уже опубликован ряд исследований для усовершенствования лечения. Фото: Илья Сафаров.

В УрФУ открыли новую научную лабораторию совместно с «Екатеринбургским медицинским-научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора. Физики и математики усовершенствуют прорывной метод лечения генетических и социально значимых заболеваний — применение терапевтических наночастиц для адресной доставки лекарственных веществ. Расчеты позволят определить механизмы и повысить точность доставки лекарств наночастицами в клетки. Ученые также разработают методы снижения риска вредного влияния наночастиц металлов и их оксидов на различные органы и ткани человека. Об этом сотрудник лаборатории, профессор Манчестерского университета Сергей Федотов рассказал в эфире радио «Комсомольская правда».

«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 физико-химические 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 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.