Как гарантировать, что жизненно важные лекарства или генная терапия достигнут клеток-мишеней, не вызывая вредных побочных эффектов? Исследователи из Мюнхенского университета имени Гельмгольца, Университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Технического университета Мюнхена (TUM) разработали метод, который впервые позволяет обнаруживать наноносители — крошечные транспортные средства — по всему телу подопытной мыши на с точностью до отдельной клетки.
Эта инновация, получившая название Single-Cell Profiling of Nanocarriers или SCP-Nano, сочетает передовую визуализацию с искусственным интеллектом. Такой симбиоз позволяет получить четкое представление о функциональности методов лечения, основанных на нанотехнологиях. Результаты, опубликованные в журнале Nature Biotechnology, открывают путь к созданию более безопасных и эффективных методов лечения и профилактики заболевний, включая вакцины с использованием мРНК и генную терапию.
Роль наноносителей в современной медицине
Наноносители играют все более важную роль в создании новых поколений спасающих жизни лекарственных препаратов. Они позволяют целенаправленно доставлять лекарства, гены или белки к клеткам пациентов. С помощью SCP-Nano исследователи могут анализировать распределение чрезвычайно низких доз наноносителей по всему телу мыши, визуализируя каждую клетку, которая их приняла.
SCP-Nano сочетает в себе оптическую очистку тканей, визуализацию с помощью световой микроскопии и алгоритмы глубокого машинного обучения. Все тело мыши как бы становится прозрачным. После трехмерной визуализации тела грызуна наноносители в прозрачных тканях могут быть идентифицированы вплоть до уровня отдельных клеток. Интегрируя анализ на основе искусственного интеллекта, исследователи могут количественно определить, какие клетки и ткани взаимодействуют с наноносителями и где именно это происходит.
Практическое применение SCP-Nano
Примеры наноносителей, проанализированных Али Эртюрком, директором Института интеллектуальных биотехнологий (iBio) в Мюнхене, и его командой, использующей SCP-Nano, включают липидные наночастицы (LNP), структуры ДНК-оригами и адено-ассоциированные вирусы (AAVS). Эти наноносители необходимы для современной терапии, направленной на устранение заболеваний на клеточном уровне, и каждый из них обладает уникальными свойствами, которые делают их пригодными для применения в самом широком спектре.
Структуры ДНК-оригами легко программируются, а AAV являются высокоэффективными носителями для генной терапии. LNP облегчают доставку РНК, которая лежит в основе современных мРНК-вакцин и широкого спектра других РНК-терапевтических средств. Используя SCP-Nano, исследователи продемонстрировали, что структуры ДНК-оригами могут быть преимущественно нацелены на иммунные клетки, в то время как варианты AAV нацелены на определенные области мозга и жировую ткань.
Платформа показала, что липидные наночастицы, несущие мРНК-терапевтические вещества, могут накапливаться в сердечной ткани. Таким образом, используя SCP-Nano, исследователи теперь могут обнаруживать потенциально проблемные ткани, не являющиеся мишенями, до начала клинических испытаний. Это позволит проложить путь к разработке более безопасных мРНК-терапевтических средств.
Ювелирная визуализация наноносителей
«С помощью SCP-Nano мы можем обнаруживать наноносители по всему организму в невероятно низких дозах, вплоть до 0,0005 мг на килограмм массы тела», - говорит первый автор исследования доктор Цзе Луо. «Это дает нам совершенно новый взгляд на то, как эти крошечные транспортные средства взаимодействуют с органами и клетками». Луо подчеркивает особенную важность того, что SCP-Nano может выявлять нежелательные накопления препаратов в сердце или печени.
Механизм работы наноносителей сравним со службой доставки посылок, объясняет Эртюрк: «Каждый наноноситель подобен посылке с важным грузом, который должен быть доставлен точно в нужную квартиру, а не просто в дом. SCP-Nano позволяет нам точно отслеживать, куда доставляются эти посылки, доходят ли они до места назначения или случайно оказываются не там где надо».
Инновации в персонализированной медицине
SCP-Nano позволяет исследователям точно определять, где накапливаются наноносители, и визуализировать их взаимодействие с клетками–мишенями, что является ключевым требованием для безопасного и эффективного применения наноносителей. «SCP-Nano не только поможет оценить безопасность существующих средств доставки, но и послужит стимулом для разработки новых, узконаправленных инструментов», — убежден Луо. «Платформа также может помочь отслеживать эффективность мРНК-терапии или выявлять потенциальные побочные эффекты на ранней стадии».
Ранее российские ученые смоделировали целевую доставку препаратов с помощью наногеля.
