25.07.2019

Чувствительный к глюкозе наногель успешно борется с гипергликемией у крыс

Негормональный - не требующий, в частности, инъекций инсулина - способ справляться с повышенным содержанием глюкозы в крови предлагают исследователи из Канады. Новый подход к борьбе с гипергликемией основан на использовании наногеля, который может обратимо поглощать молекулы глюкозы из крови. Опыты на крысах показали, что однократное введение такого наногеля позволяет поддерживать уровень глюкозы в норме в течение шести часов. Предполагается, что наногель можно будет применять при лечении диабета у пациентов, которым по разным причинам не помогает инсулин.

Какие бы углеводы мы ни потребляли с продуктами питания (диетологи различают быстрые углеводы, к которым например, относятся сахароза и фруктоза, и медленные — крахмал, гликоген), в результате биохимических реакций они превращаются в глюкозу — главный углевод крови и всего организма, основной и универсальный источник энергии для него.

Основную роль в регуляции углеводного обмена организма играет инсулин — гормон поджелудочной железы. Этот белок стимулирует переработку глюкозы клетками. Практически все ткани и органы (например, печень, мышцы, жировая ткань) способны перерабатывать глюкозу только в его присутствии. Глюкоза, которую организм не перерабатывает в химическую энергию сразу после ее поступления, запасается в печени и мышцах в форме полисахарида гликогена,— для этого процесса тоже нужен инсулин.

Однако может случиться так, что организм вырабатывает инсулина меньше, чем нужно, или в нем нарушается механизм взаимодействия инсулина с клетками. Из-за этого в крови начинает накапливаться глюкоза (развивается гипергликемия), а большая часть органов лишается основного источника энергии. Это патологическое состояние характерно для сахарного диабета — хронического заболевания, особенностью которого является нарушение всех видов обмена веществ: углеводного, жирового, белкового, минерального и водно-солевого.

Для диабета 1 типа (юношеского диабета) характерно развитие абсолютной пожизненной инсулиновой недостаточности. При диабете 2 типа инсулин производится в нормальных или даже в повышенных количествах, однако нарушается механизм взаимодействия инсулина с клетками организма. По оценкам ВОЗ диабет занимает седьмое место среди причин смертности. На 2014 год в мире было зарегистрировано 422 млн больных диабетом, а по данным за 2016 год 1,6 млн смертей было напрямую вызвано этим заболеванием. Диабет является одной из основных причин слепоты, почечной недостаточности, инфарктов, инсультов и других серьезных проблем со здоровьем: повышенное содержание глюкозы в крови со временем приводит к серьезному повреждению многих систем организма, особенно — нервной и кровеносной.

Около 10% людей с диагнозом «диабет» страдают от диабета 1 типа, при котором необходимы ежедневные инсулиновые инъекции. Но для некоторых категорий больных инсулиновая терапия оказывается умеренно эффективной или совсем неэффективной — в первую очередь это больные ВИЧ или страдающие от ожирения (E. R. Feeney, P. W. Mallon, 2011. Insulin resistance in treated HIV infection).

Поскольку инъекции инсулина не всегда являются панацеей, активно ведется разработка новых форм лечения сахарного диабета, которая в первую очередь требуется людям с резистентностью к инсулину. Разных подходов здесь много. Один из них связан с «умными» полимерными материалами, которые способны образовывать наноразмерные частички совместимых с организмом гелей,— так называемыми медицинскими наногелями.

Такие наногели пытались применять как «губку», которая, попадая в кровь больного диабетом, медленно высвобождает гормоны, облегчающие состояние пациента. Этот способ оказался сложным для реализации на практике из-за невысокой стабильности гормонов (J. Li et al., 2017. Enhancing thermal stability of a highly concentrated insulin formulation with Pluronic F-127 for long-term use in microfabricated implantable devices). Поэтому стали развиваться методы, в которых полимерные наногели должны работать как «пылесос», обратимо связывая содержащиеся в крови молекулы глюкозы и поддерживая таким образом нужный уровень сахара в крови.

В таких наногелях должны использоваться вещества, функциональные группы которых способны связывать глюкозу. А так как работать этим наногелям предстоит в крови человека, то эти вещества должны хорошо растворяться в воде и быть биологически совместимыми. Глюкоза связывается с разными белками, но наиболее эффективный из них конканавалин А, к сожалению, проявляет иммуногенный эффект (W. Li et al., 2011. Concanavalin A: A potential anti-neoplastic agent targeting apoptosis, autophagy and anti-angiogenesis for cancer therapeutics).

Другим перспективным веществом, подходящим для изготовления «антиглюкозных» наногелей, являются бороновые кислоты (см. Boronic acid) и их производные, которые также способны реагировать с глюкозой. Исследователи из Университета Торонто под руководством Ширли Ву (Shirley Wu), в рамках этого подхода предположили, что нужными свойствами будет обладать гель, в котором присутствуют полимер с остатками бороновых кислот (для связывания сахаров в крови) и цвиттер-ионный полимер (для более эффективной биологической совместимости). Цвиттер-ион — это молекула, которая, являясь в целом электронейтральной, имеет части с отрицательным и положительным зарядами. Во-первых, цвиттер-ионные полимеры хорошо растворяются в воде, что упрощает их перенос по кровеносной системе. Во-вторых, поскольку большинство белков сами представляют собой цвиттер-ионы, наногели из синтетических цвиттер-ионных полимеров остаются стабильными в биологических жидкостях (A. G. Nejad et al., 2016. In Situ Synthesis of Antimicrobial Silver Nanoparticles within Antifouling Zwitterionic Hydrogels by Catecholic Redox Chemistry for Wound Healing Application).

Для проверки своих предположений Ширли Ву с коллегами получили инъецируемый наногель. Для этого сначала был синтезирован один из прекурсоров полимера — мономер, содержащий фрагмент бороновой кислоты — 4-акриламидо-3-фторфенилбороновую кислоту (AFBA). Чтобы остаток бороновой кислоты мог обратимо связывать глюкозу при физиологическом значении рН крови (7,35–7,45) в бензольное кольцо был введен атом фтора, электронные эффекты которого «тонко подстраивали» силу бороновой кислоты. Из этого мономера и мономера цвиттер-ионной структуры (SBMA) с помощью радикальной полимеризации получали сополимер, который в водной среде самоорганизовывался в наногель. СЭМ- и ПЭМ-исследования показали, что частицы сополимера представляют собой сферы, средний диаметр которых составляет 400 нанометров (рис. 2).

Чувствительные к глюкозе наногели могут и поглощать, и высвобождать глюкозу — все зависит от концентрации глюкозы в крови. Как схематично показано на рис. 1, при высокой концентрации глюкозы она образует соединения состава 1:1 с остатками бороновой кислоты, расположенными на разных полимерных нитях. Это приводит к набуханию частички наногеля и запасанию в нем молекул глюкозы. Понижение содержания глюкозы в крови приводит к тому, что равновесие смещается и характер связывания глюкозы с фрагментами бороновой кислоты меняется: при низких концентрациях один фрагмент глюкозы выступает как мостик, связывающий два борсодержащих фрагмента на противолежащих концах полимерной цепи. При этом лишняя глюкоза, которая ранее была связана со сшиваемым остатком бороновой кислоты, высвобождается и происходит сшивка полимеров и, как следствие — уменьшение объема частиц наногеля.

Наногель был испытан на лабораторных крысах, у которых для этого принудительно вызывали диабет 1 типа. Для этого крысам две недели давали стрептозотоцин — вещество, которое разрушает клетки, вырабатывающие инсулин. Для испытания были отобраны крысы, содержание глюкозы в крови которых составляло 17 ммоль/л (человек с таким уровнем глюкозы находится на грани впадения в диабетическую кому). Крыс разделили на четыре группы. Первой делали подкожную инъекцию наногеля (дозировка 83 мг/кг), двум вводили рекомбинантный человеческий инсулин в разных дозировках, а одну (контрольную) группу оставляли без лечения. Еще одна контрольная группа была представлена здоровыми крысами, которым вкалывали наногель. Содержание глюкозы в крови подопытных измеряли через 15 минут после инъекции и далее каждые 15 минут пока уровень сахара оставался в пределах эугликемического окна (оптимальной для организма концентрации глюкозы в крови, на рис. 3 оно показано оранжевым прямоугольником).

Испытания показали, что при введении наногеля уровень глюкозы опускается несколько медленнее, чем после инсулиновой инъекции, но зато при этом нормальное содержание сахара в крови грызуна поддерживается шесть часов. Для сравнения: при введении инсулина в нормальной дозировке (в ходе именно этого исследования) содержание сахара в крови начинает превышать норму уже через три часа после инъекции, а при повышенной дозировке недостаток сахара в крови наблюдается уже через час после введения. На содержание глюкозы в крови здоровых крыс полимерный наногель не влияет (а вот инсулиновая инъекция здоровым грызунам привела бы к падению содержания сахара в крови и гипогликемическому шоку). Проще говоря, чувствительные к глюкозе полимерные наногели более эффективно регулировали содержание глюкозы в крови крыс-диабетиков, чем инсулин.

Но несмотря на оптимистичные результаты испытаний на лабораторных животных, до проверки на людях этот наногель должен пройти еще довольно много тестов, цель которых — доказательство безопасности препарата для человека.

Источник: Amin Ghavami Nejad, Brian Lu, Adria Giacca, Xiao Yu Wu. Glucose regulation by modified boronic acid-sulfobetaine zwitterionic nanogels — a non-hormonal strategy for the potential treatment of hyperglycemia // Nanoscale. 2019. DOI: 10.1039/C9NR01687B.

Аркадий Курамшин

Источники:

1. elementy.ru