Доставка лекарств в клетки необходима для терапии вирусных, онкологических и других заболеваний. Однако клеточные мембраны непроницаемы для чужеродных веществ и наноматериалов, а сами клетки защищены от посторонних воздействий с помощью ферментов лизосом и протеасом.
Для внутриклеточной доставки лекарств исследователи МФТИ и соавторы получили везикулы из культуральных сред после роста эмбриональных и раковых клеток человека, а также яблочного сока. Эти пузырьки из липидов и белков, которые оказались устойчивыми и не токсичными для человека, способны накапливаться в различных клетках. Результаты получены при поддержке РНФ (грант № 25-15-00246) и опубликованы в журнале «Российские нанотехнологии».
Живые клетки обмениваются веществами и информацией с окружающей средой. Внешние питательные и регуляторные вещества, наноматериалы и вирусы попадают в нее с помощью пиноцитоза, эндоцитоза и фагоцитоза.
При пиноцитозе чужеродные белки связываются с клеточными протеасомами, где происходит их гидролиз. При эндоцитозе наноматериалы попадают в эндосомы и лизосомы, где с помощью более 60 ускоряющих химические реакции ферментов происходит их разрушение, а также активация иммунной системы.
К захвату материалов более крупных размеров и бактерий — фагоцитозу — способны не все клетки, а только участвующие в работе иммунитета макрофаги, нейтрофилы и моноциты. В результате фагоцитоза также происходит разрушение и выведение из клеток чужеродных микрочастиц.
Для межклеточной коммуникации и обмена информацией между разными организмами и даже царствами жизни все живые клетки — от бактериальных до человеческих — используют внеклеточные везикулы. Слияние мембран распространено в природе, например при оплодотворении, и широко используется в биотехнологии для получения гибридных клеток, создающих антитела. Оболочечные вирусы (включая вирусы гриппа и COVID-19) окружены клеточными мембранами, которые необходимы для заражения клеток за счет опять-таки слияния мембран.
Для повышения стабильности лекарственных препаратов применяют липосомы — мембранные пузырьки, состоящие из дорогих очищенных липидов и холестерина. Однако заряженные липиды токсичны для клеток и вызывают образование тромбов, сердечно-сосудистые патологии и снижение уровня тромбоцитов в организме. Нейтрализация зарядов отрицательно заряженных липидов снижают с помощью положительно заряженных полимеров, таких как полилизин и ДЕАЕ-декстран с конструированием более сложных по составу липополиплексов.
В новой работе российские исследователи из Института биофизики будущего МФТИ, Федерального центра физико-химической медицины им. Ю.М. Лопухина и Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи использовали природные внеклеточные везикулы с оболочками из клеточных мембран, в которые загружали флуоресцентные пептиды, белки и наночастицы золота.
Природные мембраны не токсичны для клеток, являются слабо иммуногенными из-за изменения формы липидов в растворах и не вызывают воспалительных реакций. С помощью таких везикул лекарства можно вводить без риска нежелательных иммунозависимых заболеваний — аллергий или аутоиммунных патологий.
Ученые получили везикулы диаметром 10–200 нанометров (нм) из питательных сред, в которых культивировали клетки человека, и из яблочного сока. Для загрузки препаратом природные везикулы сначала разрушали в лишенной ионов (деионизированной) воде, при замораживании и размораживании или с помощью ультразвуковой обработки. Далее их высушили в тонком слое и нагружали водными растворами пептида или наночастицами золота.
Далее с использованием электронной и флуоресцентной микроскопии исследователи сформироваликомпозитные наночастицы с оболочками из клеточных мембран и диаметрами менее 200 нм. Оказалось, что такие биоконтейнеры не токсичны как для «своих» клеток, так и для других клеток млекопитающих и человека.
Эксперимент показал нагруженные везикулы постепенно накапливаются в клетках в течение семи суток, обеспечивая длительное (пролонгированное) действие, необходимое для эффективного лечения. Оказывается, при получении везикул не достаточно простого и доступного оборудования для дифференциального центрифугирования. Существенно, что полученные везикулы были стабильны при хранении в холодильнике до пяти месяцев.
«Для внутриклеточной доставки профилактических и лекарственных препаратов без попадания в лизосомы и протеасомы с биодеградацией и развитием воспаления необходимы новые подходы. Нами разработан метод выделения окруженных мембранами везикул из питательных сред после культивирования эмбриональных и раковых клеток человека а также из сока растений с помощью двухэтапного центрифугирования без использования ультрацентрифуг.
В присутствии везикул отсутствовала продукция провоспалительных интерферонов. Поэтому природные везикулы могут служить перспективным средством внутриклеточной доставки низкомолекулярных соединений и наноматериалов»,— пояснила Екатерина Образцова, заместитель заведующего лабораторией функциональных биоматериалов МФТИ.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 25-15-00246).
Научная публикация: Morozova O. V., Obraztsova E. A. & Klinov D. V. Isolation and Properties of Extracellular Vesicles. Nanotechnol Russia 20, 865–870 (2025). https://doi.org/10.1134/S2635167625601949
