Полимеры против рака

В последние десятилетия онкология как раздел науки совершила колоссальный рывок вперед: благодаря совершенствованию методов ранней диагностики и появлению новых терапевтических подходов смертность от рака только в Америке сократилась на 34%. Внедрение более точных методов выявления опухолей, создание таргетных лекарств и персонализированных схем терапии позволило существенно повысить выживаемость пациентов, снизить риск серьезных побочных эффектов от терапии и сократить срок диагностирования заболевания.

Сегодня особое внимание ученых и врачей приковано к нанополимерам. Это высокофункциональные полимерные частицы, которые способны менять свои свойства под воздействием различных условий и, подобно конструктору, собираться в конфигурации, взаимодействующие с клетками человека. По некоторым данным, ряд российских разработок с применением нанополимеров способен снизить токсичность лечения в 15 раз.  Во всем мире активно ведутся исследования, направленные на поиск еще более безопасных и эффективных методов лечения злокачественных опухолей.

Что такое полимер и где его найти в человеке?

Полимеры стали революционным открытием в химии и изменили все области человеческой жизни — от домашнего быта до космических технологий.

Все дело в простоте и универсальности молекул. Например, всем известный полиэтилен — это цепь из звеньев, состоящих из одного атома углерода и двух атомов водорода (—CH₂—CH₂—). Однако, если к нему добавить еще одну комбинацию — углерод и три атома водорода (—CH₃), получится новый вариант — полипропилен (—CH (СН₃)—CH₂—), но уже с другими свойствами

Иными словами, полимеры позволяют легко получать новые материалы даже без внедрения других химических элементов. Комбинируя лишь расположение углеродов, водородов и их соединение между собой, можно создать разнообразные структуры, отличающиеся по свойствам. Меняя молекулярную массу соединений, их разветвленность, длину цепи ученые открывают все новые и новые типы полимеров. Представьте, как увеличивается все это полимерное многообразие, если в структуре появляются другие элементы: кислород, азот, сера и так далее.  За эту простоту и неограниченные возможности полимеры и ценятся в науке и технологиях.

Возможно уже на этом месте возник вопрос: в чем разница между полимерами и пластиками? Пластики – это полимеры + всевозможные добавки и наполнители. То есть, все пластики – полимеры, но не все полимеры становятся пластиками.

При этом человеческий организм — огромная комбинация природных полимеров. Все клетки тела на молекулярном уровне состоят из различных комбинаций углерода с другими атомами. Так, ДНК — это биологический полимер, молекулы которого состоят из углерода, водорода, фосфора, кислорода и азота. Различаются они только набором и последовательностью в молекуле. К таким же жизненно важным полимерам внутри нас относятся белки и полисахариды.

Именно эта кажущаяся простота лежит в основе всего разнообразия жизни. Этим же пользуются ученые, когда заставляют полимеры взаимодействовать с живыми клетками.

Полимеры против рака

Последние инновации показывают, как возможности химии можно "выкрутить на максимум". Новые методы лечения онкологических заболеваний с использованием полимеров помогают более эффективно и прицельно доставлять лекарства, что делает лечение безопаснее. Полимеры улучшают точность попадания медикаментов в опухоль и снижают побочные эффекты терапии для всего организма. Они упрощают диагностику злокачественных новообразований и даже позволяют объединить поиск онкологических заболеваний с их лечением.

Таргетная доставка препаратов

Одним из современных высокотехнологичных методов лечения злокачественных образований является химиотерапия. Однако действующие вещества, используемые в химиотерапии, воздействуют не только на опухоль, но и на здоровые клетки. Это вызывает негативные побочные эффекты: выпадение волос, повреждение кожных покровов и слизистых оболочек, снижение иммунитета и другие проблемы.

Наномедицина с использование полимеров стала новой вехой развития методик лечения онкологических заболеваний, призванная побороть "неразборчивость" традиционных препаратов для химиотерапии. Специальные наночастицы помогают доставлять лекарства непосредственно к опухоли. Ученые уже создали разные типы таких частиц на основе природных и синтетических соединений, и некоторые из них уже разрешены для применения.

Частицы с приставкой "нано" имеют размер от 1 до 100 нанометров (миллиардная часть метра). При этом полимерные частицы таких размеров могут иметь сложную сетчатую структуру, которая позволяет прикреплять к ним химическими связями различные вещества, в том числе лекарственные молекулы. А благодаря своим наноразмерам такие полимерные частицы способны преодолевать клеточные барьеры.

В 2000-х годах появился и с тех пор сохраняется по всему миру тренд на использования полимерных наночастиц в терапии против рака. Растет и количество публикаций на тему "polymer nanoparticles for drug delivery": в 2010 году было выпущено около 1460 статей, а в 2024 – уже 2780. Так, в 2021 году российские ученые сообщили об изобретении полимерных наночастиц, доставляющих к этим рецепторам цитокины — вещества, запускающие апоптоз, или гибель раковой клетки.

У раковых клеток есть особые свойства, которые помогают отличить их на биохимическом уровне от здоровых органов и тканей. Зная об этих особенностях, можно сконструировать полимер таким образом, чтобы молекула "искала" именно свою цель, или, в медицинской терминологии, таргет. Таким образом, при попадании в организм человека связка "полимер-лекарство" путешествует по кровеносным сосудам, но притягивается только к своему таргету. Отсюда и название таргетных противораковых препаратов. Например, раковым образованиям свойственны специфические рецепторы, которые возникают и на поверхности поврежденных клеток. В зависимости от типа злокачественных клеток они различаются.

Также злокачественные новообразования создают вокруг себя кислую среду: опухоль активно перерабатывает глюкозу в ходе процесса гликолиза, из-за чего образуется пировиноградная кислота. Соответственно, полимеры можно "натравить" на такой признак, как низкий pH. Раковые клетки вырабатывают специфические ферменты. Это тоже может быть "сигнальным маячком" для полимера.

В силу химической реакции опухоль, даже малозаметная и труднодоступная, притягивает из кровотока нанополимерную частицу. Структура этой частицы выстроена таким образом, что ее внешняя часть защищает спрятанное внутри лекарство, но при этом имеет функциональные группы для контакта с раковой клеткой. Наночастица проникает в раковую клетку, реагирует на изменение рН или наличие определенных рецепторов/функциональных групп, и высвобождает лекарственный препарат. Действующее вещество в этом случае работает прицельно, не затрагивая здоровые ткани.

Полимер может иметь одновременно гидрофильную (охотно соединяющуюся с молекулами воды) и гидрофобную часть(отталкивает H₂O). Гидрофильная часть помогает наночастице не оседать в сосудах и тканях и равномерно распределяться по организму, а также не “конфликтовать” с иммунной системой. В свою очередь, гидрофобная - ядро - позволяет высвобождать лекарство дозированно и пролонгировано, что усиливает терапевтический эффект. Макромолекула "полимер-лекарство" влияет на опухоль постепенно и не вызывает отторжения у организма. Это позволяет дольше и точнее воздействовать на клетки-мишени. Выполнив свою задачу, отработанные наночастицы полимера распадаются и удаляются из организма с помощью естественных фильтрационных систем тела вместе с отмершими клетками и другими частицами.

 Как и все полимерные материалы в медицине, наночастицы разрабатываются с учетом их безопасности для людей, а также нетоксичности продуктов, на которые они распадаются. Полимерные наночастицы разлагаются до простых безопасных нетоксичных веществ, которые легко перерабатываются организмом.

Нанотераностика: диагностика и лечение в одном

Быстрое и точное диагностирование заболевания  критически важно для онкологических заболеваний. И в этой области также активно используются полимеры. Так ученые разработали флуоресцентные зонды — молекулы, связывающиеся с антигенами опухоли в крови, например, с маркерами рака простаты. Клетки рака в анализируемых образцах становятся более заметными для спектрометра, что улучшает выявляемость заболевания. На сегодняшний день появляется возможность отследить несколько маркеров в рамках одного теста, что удешевляет и ускоряет диагностику онкозаболевания.

Но кроме стандартной диагностики, существует возможность совместить ее с самим лечением. В этом отношении особенно перспективны дендритные полимеры— молекулы с разветвленной структурой, похожей на крону дерева (отчего они и получили свое название, дендримеры). К "ветвям" этих полимеров можно прикреплять не только лекарственные препараты, но и контрастные вещества, улучшающие  видимость органов на диагностическом оборудовании, например, на компьютерной томографии.

К тому же полимеры могут реагировать на раздражители, например, ультразвук. Так, макромолекулы, в составе которых есть лекарственный препарат для доставки в опухоль, могут привлекаться и "активироваться" под воздействием включенного датчика на приеме у врача. Борьбу с раком можно наблюдать "в прямом эфире" на экране ультразвукового аппарата. 

Перспективы

Возможность направлять полимеры на определенные молекулы-мишени была открыта в середине 1970-х годов, и с тех пор было представлено много рабочих технологий. Тем не менее, многое еще предстоит решить. Ученые продолжают исследовать, какие полимерные наночастицы эффективнее высвобождают молекулы препарата, как увеличить избирательность их доставки и обеспечить максимальную биодоступность.  Эти поиски идут рука об руку с целенаправленным изучением биохимии онкологических заболеваний, где по-прежнему не мало слепых зон.

Наночастицы полимеров выглядят крайне многообещающим решением для доставки лекарственных средств сквозь так называемый гематоэнцефалический барьер. Это естественная преграда, которая фильтрует поступающие в головной мозг вещества. Немногие препараты, и тем более частицы, способны его преодолеть. Это затрудняет лекарственную терапию опухолей головного мозга.  Возможно, в будущем ситуация изменится именно благодаря полимерным наночастицам.

В общем синтетические полимеры в медицине – незаменимы. Помимо их инновационного применения не стоит также забывать про уже привычный базовый минимум, который для современного пациента стал обыденностью. Простота и дешевизна материала сделали доступными одноразовые пластиковые шприцы, катетеры, жгуты, пробирки , которые подняли гигиену на уровень, недоступный еще сто лет назад. Пластик инертен и не вступает в реакции внутри организма, что позволило использовать его в качестве костных имплантатов. Специальные свойства полимерных молекул позволяют производить материалы, способствующие заживлению ран и предотвращают инфекции, и даже не отторгаются тканями тела. Дальнейшие исследования позволят не только расширить медицинское применение полимеров, но и увидеть возможности для улучшения технологий, способных превратить пока кажущиеся невозможными

Резниченко Владислава