Биомедицины производятся живыми клетками и используются, среди прочего, для лечения рака и аутоиммунных заболеваний. Одна из проблем заключается в том, что производство лекарств очень дорого, что ограничивает глобальный доступ. Теперь исследователи из Чалмерса изобрели материал, который использует электрические сигналы для захвата и высвобождения биомолекул. Новый и эффективный метод может оказать серьезное влияние на развитие биомедицины и проложить путь для разработки электронных таблеток и лекарственных имплантатов.
Новый материал представляет собой полимерную поверхность *, которая под действием электрического импульса меняет состояние с захвата биомолекул на высвобождение. У него есть несколько возможных применений, в том числе использование в качестве инструмента для эффективного отделения лекарства от других биомолекул, которые клетки создают при производстве биологических лекарств. Результаты исследования были недавно опубликованы в научном журнале “Angewandte Chemie”.
Биомедицины очень дороги в производстве из-за отсутствия эффективной технологии разделения, и требуются новые технологии с более высоким выходом лекарств для снижения затрат на производство и, в конечном итоге, стоимости лечения пациентов.
“Наши полимерные поверхности предлагают новый способ разделения белков с помощью электрических сигналов для контроля того, как они связываются с поверхностью и высвобождаются с нее, не влияя при этом на структуру белка”, — говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо, который публично защитил свою докторскую диссертацию по химии в университете Чалмерса и является ведущим автором исследования.
Традиционный метод разделения – хроматография – прочно связывает биомолекулы с поверхностью, и для их высвобождения требуются сильные химические вещества, что приводит к потерям и низкому выходу. Многие новые лекарства оказались высокочувствительными к сильнодействующим химическим веществам, что создает серьезную производственную проблему для биомедицинских препаратов следующего поколения. Более низкий расход химикатов приносит пользу окружающей среде, а ключевым свойством является тот факт, что поверхности из нового материала также можно повторно использовать в течение нескольких циклов. Процесс можно повторять сотни раз, не затрагивая поверхность.
Функции в биологических жидкостях
Материал также используется в биологических жидкостях с буферной способностью, другими словами, в жидкостях, способных противодействовать изменениям значения pH. Это свойство примечательно, поскольку оно открывает путь для создания новой технологии изготовления имплантатов и электронных “таблеток”, которые высвобождают лекарство в организм посредством электронной активации.
“Вы можете представить себе врача или компьютерную программу, измеряющую потребность пациента в новой дозе лекарства, и дистанционно управляемый сигнал активирует высвобождение лекарства из имплантата, расположенного в той самой ткани или органе, где оно необходимо”, — говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо.
Местное активированное высвобождение лекарств доступно сегодня в виде материалов, которые меняют свое состояние в случае изменения окружающей химической среды. Например, таблетки из материала, чувствительного к рН, производятся там, где требуется контролировать высвобождение лекарства в желудочно-кишечном тракте, представляющем собой среду с естественными колебаниями значения рН. Но в большинстве тканей организма не происходит изменений значения pH или других химических параметров.
“Мы считаем, что возможность контролировать высвобождение и поглощение белков в организме с минимальными хирургическими вмешательствами и без инъекций иглами является уникальным и полезным свойством. Разработка электронных имплантатов — это лишь одно из нескольких возможных применений, которые появятся на много лет раньше. Исследования, которые помогают нам связать электронику с биологией на молекулярном уровне, являются важной частью головоломки в этом направлении ”, — говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо.
Еще одним преимуществом нового метода является то, что он не требует большого количества энергии. Низкое энергопотребление обусловлено тем фактом, что толщина полимера на поверхности электрода очень мала, в нанометровом масштабе, что означает, что поверхность немедленно реагирует на небольшие электрохимические сигналы.
“Электроника в биологических средах часто ограничена размером батареи и движущихся механических частей. Активация на молекулярном уровне снижает как потребность в энергии, так и потребность в движущихся частях ”, — говорит Густав Ферран-Дрейк дель Кастильо.
Прорыв начался с докторской диссертации
Исследование, лежащее в основе метода, проводилось в период, когда Ферран-Дрейк дель Кастильо был докторантом в исследовательской группе профессора Андреаса Далина из Чалмерса в Отделе прикладной химии поверхности. В проекте использовались полимерные поверхности, состояние которых меняется с нейтрального на заряженное в зависимости от значения pH окружающего раствора. Затем исследователям удалось создать материал, который был достаточно прочным, чтобы оставаться на поверхности при воздействии повторяющихся электрических сигналов, и в то же время достаточно тонким, чтобы фактически изменять значение pH в результате электрохимических процессов на поверхности.
“Вскоре после этого мы обнаружили, что можем использовать электрические сигналы для управления связыванием и высвобождением белков и биомолекул, и что материал электродов работает в биологических растворах, таких как сыворотка и центрифугированная кровь. Мы верим и надеемся, что наши открытия могут принести большую пользу при разработке новых лекарств ”, — говорит Андреас Далин.
В прошлом году результаты исследователей Чалмерса были переданы для разработки продукта, осуществляемой дочерней компанией Nyctea Technologies. У компании уже есть клиенты среди ведущих фармацевтических исследователей и компаний.
* Полимеры — это химические соединения, состоящие из очень длинных цепочек, состоящих из повторяющихся более мелких звеньев. Обычные пластмассы представляют собой форму полимера.