Инъекции для клеток, нанолифты и новые лекарства: в ЮУрГУ создан метод изучения наночастиц

Сегодня наночастицы используются при создании солнечных батарей, в наноэлектронике и биотехнологиях. Но наибольшего внимания заслуживает их применение в медицине, уверены в Южно-Уральском государственном университете.

Лабораторией компьютерного моделирования лекарственных средств ЮУрГУ создан новый метод анализа и прогноза физико-химической и биологической активности наночастиц. Его преимущество перед уже существующими способами — в быстроте расчетов: появляется возможность изучения моделей наночастиц, состоящих из десятков тысяч атомов, в то время как другие методы позволяют изучать наночастицы в 100—200 атомов. Кандидат химических наук, доцент Владимир Потемкин рассказал об исследованиях наночастиц, которые ведутся учеными в настоящее время.

Ученые смогут прогнозировать свойства новых лекарств

«Сейчас мы можем изучать не только наноразмерные частицы и их свойства, но и электронные характеристики молекул белка. Моделирование комплексов белков с каким-либо лекарственным средством позволит разобраться с механизмом терапевтического действия этого лекарства. Другими словами, мы сможем определить, на что оно действует в ферменте, чтобы блокировать или, наоборот, активизировать его. Фермент — это биокатализатор, который ускоряет некоторые химические процессы. Например, лекарство может блокировать какой-либо фермент в организме бактерии, и ее жизнедеятельность будет нарушена. Или же оно воздействует на иммуноглобулин в крови человека — его деятельность становится активнее, и мы уже силами собственного организма боремся с заболеванием».

Рассмотрев механизм биологического действия и определив, с чем именно в белке взаимодействует лекарство, ученые смогут прогнозировать биологическую активность новых лекарств. Они будут смоделированы путем внедрения в белок новой молекулы, неизвестной и несинтезированной.

Пролекарства и чуждые вещества

В изучении наночастиц используются следующие электронные характеристики: сродство с электроном, свойства приема-отдачи электродов наночастиц, сорбционная активность, значения электронной плотности в критических точках и др. Так, критические точки характеризуют силу связывания атомов, позволяют определять природу биологической активности или механизм проявления какого-либо физико-химического свойства. Одно из исследований Лаборатории компьютерного моделирования лекарственных средств — анализ критических точек в комплексах цитохрома Р450. Это комплексы белков в нашем организме, которые располагаются в печени и в легких и отвечают за детоксикацию организма.

Функции электронной плотности для расчета электронных дескрипторов в алгоритме AlteQ: а) Полная электронная плотность; b) Лапласиан электронной плотности

«Когда в организм человека попадет токсин, именно цитохромы Р450 отвечают за его окисление и выведение из организма. Поэтому изучение этих комплексов крайне важно. Мы пытаемся понять, как производится детоксикация, за счет каких взаимодействий идет окисление токсина. Это интересно также при создании лекарств. Печень воспринимает любое лекарство как чуждое вещество. При разработке лекарств важно не только рассматривать целевой эффект (например, противоопухолевый): необходимо определить, дойдет ли оно до больной клетки или окислится в печени и потеряет свои лечебные свойства. Кроме того, бывает и обратный эффект. Так, вещество, не являющееся лекарством, при взаимодействии с цитохромами становится им. Это пролекарство, и самым известным из них является аспирин».

Нанолифты и наношприцы

Учеными изучаются не только физико-химические свойства наночастиц, но и их биологическая активность. Так, двуокись титана определенных размеров способствует появлению рака. Прогноз канцерогенности, токсичности для организма наночастиц — одна из актуальных и острых задач.

«Мы ищем различные свойства наноразмерных частиц и пытаемся их смоделировать. Например, некоторые наночастицы могут использоваться как микрокапсулы для лекарственного средства. Лекарство помещается в нанотрубки, транспортируется и затем вводится в организм. Нанотрубки позволяют сохранить лекарственные свойства веществ и, в то же время, используются для точечной доставки. Такие наноразмерные капсулы называют нанолифтами. Кроме того, некоторые нанокапсулы прокалывают мембрану больной клетки, чтобы лекарство прошло через нее. Это так называемые наношприцы».

«К созданию новых лекарств»

В рамках данного исследования также рассматриваются молекулы белка со схожей структурой. Это необходимо по той причине, что во многих случаях белки, на которые действуют лекарственные средства, есть и в здоровых, и в больных клетках. Установив различия между ними, ученые смогут разработать лекарство, воздействующее на различающиеся участки. Таким образом, оно будет минимально токсично по отношению к организму человека и максимально токсично для опухолевых или бактериальных клеток.

Разработанный учеными ЮУрГУ метод анализа и прогноза физико-химической и биологической активности в настоящее время используется сайтом онлайн-вычислений www.chemosophia.com. Так, чтобы вычислить противоопухолевую активность, необходимо загрузить геометрию молекулы и дать соответствующую команду. Сейчас сайт насчитывает около 1800 пользователей, он существует с 2013 года. Наиболее популярные расчеты связаны с биологической активностью. Кроме того, он позволяет определить температуру кипения и плавления, кислотность, электронную плотность и др. Исследование физико-химической и биологической активности наночастиц — это путь к созданию новых лекарств, подчеркивает ученый ЮУрГУ. Ресурс является абсолютно бесплатным и обладает широким спектром возможностей.