Współczesna medycyna coraz śmielej korzysta z narzędzi nanotechnologii, a jednymi z najbardziej obiecujących są liposomy – zaawansowane „nanokapsułki” zaprojektowane do precyzyjnego transportu leków wprost do chorych komórek. Ich mikroskopijne rozmiary oraz budowa naśladująca błony komórkowe chronią substancję czynną. A gdy trafiają od razu we właściwe miejsce, minimalizują niepożądane skutki uboczne terapii.
Po wprowadzeniu do organizmu liposomy napotykają jednak istotną przeszkodę: natychmiast pokrywa je gęsta warstwa białek krążących we krwi, tworząc tak zwaną koronę białkową. A białka jest w ludzkiej krwi sporo – średnio ok. 60-80 g/l.
Ta dodatkowa warstwa może całkowicie zmienić właściwości liposomu, sabotując jego misję i prowadząc do usunięcia go z krwiobiegu – niestety, zanim dostarczy cenny pakunek. Aby temu zapobiec, naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego – Renata Bilewicz, Michalina Zaborowska-Mazurkiewicz, Natalia Kraśkiewicz i Piotr Sekuła – opracowali molekularną tarczę, która ma chronić nośniki i udoskonalić transport substancji leczniczych.
Jak liposomy przenoszą leki
Liposomy to mikroskopijne pęcherzyki zbudowane z lipidów, które rewolucjonizują współczesną medycynę. Można je porównać do maleńkiej bańki mydlanej – jest to wypełniona środowiskiem wodnym kulista struktura.
Ścianka bańki mydlanej to trójwarstwowa błona, składająca się odpowiednio z mydła-wody-mydła. Natomiast liposomy posiadają podwójną otoczkę, zwaną dwuwarstwą lipidową. Jej niesamowita moc kryje się w tym, że stworzona jest z dokładnie tych samych cząsteczek, co błony naszych własnych komórek – fosfolipidów. Dzięki temu organizm łatwiej akceptuje liposomy i nie traktuje ich jak intruzów.
Liposomy mogą transportować leki na dwa sposoby. Jeśli substancje są rozpuszczalne w wodzie, trafiają do wnętrza bańki, jeżeli natomiast w tłuszczach, ukrywa się je w podwójnej ściance fosfolipidowej, gdzie idealnie pasują do jej struktury.
Naukowcy z Wydziału Chemii UW w swoich badaniach wykorzystali iguratimod – nowoczesny lek przeciwreumatyczny. Dzięki zamknięciu go w liposomach, możliwe staje się jego bardziej zrównoważone i kontrolowane dostarczanie. Jednak samo zbudowanie idealnego nośnika to dopiero połowa sukcesu. Prawdziwym wyzwaniem jest jego podróż przez krwiobieg.
Niewygody podróżowania
Gdy liposom trafia do krwiobiegu, natychmiast staje w obliczu potężnej bariery. Można to porównać do nowego statku, który wypływa w morze i jego kadłub od razu zaczynają oblepiać morskie organizmy, takie jak pąkle czy glony.
W podobny sposób białka obecne we krwi, a zwłaszcza najliczniejsza albumina surowicy ludzkiej (HSA), przyczepiają się do powierzchni liposomu. Wokół nośnika tworzy się wtedy otoczka nazywana przez naukowców „koroną białkową”.
– W naszym środowisku biologicznym są miliardy białek. Zależą one od płci pacjenta, wieku, schorzeń i generalnego stanu zdrowia. Korona pojawia się na nośniku natychmiast. Wyróżniamy jej dwa rodzaje: koronę miękką, złożoną z białek słabo i dynamicznie związanych, oraz koronę twardą, składającą się z białek silnie związanych z powierzchnią nośnika. To jest nasz główny obszar zainteresowań: chcemy zrozumieć, jak białka znajdujące się w twardej koronie oddziałują z otoczką naszego nośnika lipidowego – wyjaśnia dr Zaborowska-Mazurkiewicz.
Korona białkowa stwarza dla terapii kilka problemów. Może zmieniać rozmiar i potencjał elektrokinetyczny liposomu, prowadzić do jego agregacji (zlepiania się), a także sprawiać, że lek zostanie usunięty z organizmu (w procesie obsonizacji, gdy – upraszczając – jego opakowanie zostanie wyeliminowane przez komórki układu odpornościowego).
Jeśli liposom zostanie wychwycony przez układ immunologiczny, leczenie nie będzie efektywne. Zrozumienie oddziaływań między koroną białkową a nośnikiem okazuje się kluczowe dla tworzenia bezpiecznych i stabilnych leków.
Naukowcy z UW badali dwa kluczowe zagadnienia, aby lepiej zrozumieć te interakcje: jak modyfikacja powierzchni liposomów (PEGylacja) wpływa na ich właściwości oraz jak nośniki lipidowe oddziałują z białkami korony, konkretnie – z albuminą surowicy ludzkiej (HSA).
Zaprojektujmy sobie lek
Zespół badaczy, chcąc zrozumieć, jak liposomy zachowują się w ludzkim ciele, musiał zbadać ich interakcje na poziomie molekularnym. Zanim stworzony zostanie kompletny kulisty liposom, często zaczyna się doświadczenia od prostszego modelu – pojedynczej warstwy lipidowej (monowarstwy) rozłożonej na powierzchni fazy wodnej.
Taki model 2D, choć jest uproszczeniem, pozwala z dużą precyzją badać interakcje między poszczególnymi cząsteczkami: lipidami tworzącymi błonę, cząsteczkami leku oraz białkami obecnymi we krwi, jak wspomniane już HSA. W tym celu wykorzystywana jest technika Langmuira.
Ponownie wyobraźmy sobie otoczkę liposomu jako sferyczną bańkę mydlaną (model 3D). Technika Langmuira pozwala zbadać, jak zachowa się płaska, pojedyncza warstwa tej bańki (model 2D). Polega to na tworzeniu i kontrolowanym ściskaniu pojedynczej warstwy cząsteczek na granicy faz powietrze-woda, co pozwala symulować upakowanie lipidów w jednej z warstw tworzących liposom i przewidzieć, jak modyfikacje składu, na przykład dodatek stabilizującego polimeru PEG, wpłyną na właściwości liposomu.
Naukowcy tworzyli warstwę lipidową, dobierając ich konkretny skład, a następnie dodawali do wodnego buforu roztwór ludzkiej albuminy – surowicy, która posłużyła jako uproszczony odpowiednik twardej korony białkowej.
– Na dobranym składzie lipidowym – znamy jego szczegółowe właściwości fizykochemiczne, znamy upakowanie lipidów i ich oddziaływanie między sobą – dodajemy nasze białka i badamy wywołane przez nie zmiany w strukturze warstwy tworzącej nośnik. To, czy białko silnie oddziałuje z warstwą liposomów, czy poprzez dodanie PEG-u trochę mniej, czy pod jego wpływem tworzą się domeny w warstwie, może przyczyniać się do większej przepuszczalności membrany. To jest największa nowość naszych badań. Chcemy zrobić modelowanie, ale proszę nie mylić tego z modelowaniem komputerowym, my tworzymy realne warstwy lipidowe – opowiada dr Zaborowska-Mazurkiewicz.
Dzięki badaniom na modelu 2D można było precyzyjnie określić oddziaływanie molekularne pomiędzy składnikami, upakowanie i elastyczność warstw lipidowych oraz stopień oddziaływania białka (albuminy) z warstwą.
PEGylacja – peleryna niewidka dla liposomów
PEGylacja to jedna z ważniejszych strategii stosowanych w nanotechnologii medycznej. Jej celem jest wydłużenie czasu, w którym nośniki z lekami krążą w krwiobiegu, co bezpośrednio przekłada się na zwiększenie szansy dotarcia do chorych komórek i poprawę skuteczności terapii.
Proces ten polega na dołączeniu do otoczki liposomów długich, elastycznych łańcuchów polimerowych – w tym przypadku DSPE-PEG(2000). Tworzą one swoistą „tarczę” lub „pelerynę niewidkę” wokół nośnika. Ta hydrofilowa (wodolubna) warstwa tworzy barierę, która fizycznie odpycha cząsteczki białek, uniemożliwiając im przyleganie do cząsteczki liposomu. W efekcie nośnik staje się słabiej widoczny dla mechanizmów obronnych organizmu i może znacznie dłużej realizować swoją misję.
W badaniu porównano dwa główne rodzaje nośników: liposomy dwuskładnikowe oraz trójskładnikowe (PEGylowane), czyli te z dodatkiem specjalnego lipidu z glikolem polietylenowym.
Wyniki uzyskane z badań na płaskich warstwach porównywano następnie z danymi ze standardowych badań na rzeczywistych, sferycznych liposomach 3D, analizując m.in. ich rozmiar, potencjał powierzchniowy (zeta) oraz szybkość uwalniania leku. Połączenie obu modeli dostarczyło rzetelnych informacji, niezbędnych do uzyskania bardziej skutecznego systemu dostarczania leków.
Zaskakujące wyniki badań
Głównym celem modyfikacji liposomów było zapewnienie im stabilności i długiego krążenia we krwi. Naukowcy udowodnili, że dodatek lipidów PEGylowanych poprawia stabilność struktury nośnika.
Najważniejszy wniosek dotyczył jednak interakcji z koroną białkową: hydrofilowe łańcuchy PEG działają jak bariera ochronna. Udowodniono, że otoczka glikolowa zmniejsza stopień przyłączania albuminy do liposomu. W porównaniu do lipidów dwuskładnikowych, warstwa trójskładnikowa (z PEG) była znacznie mniej podatna na destabilizujący wpływ albuminy. Jednak potrzebne są dalsze badania.
– Gdy dodajemy łańcuchy polietylenoglikolowe, otrzymujemy większe zagęszczenie lipidów w warstwie i jej stabilizację. PEG powoduje, że liposom jest w stanie dłużej utrzymywać lek w naszym układzie krążenia. Teraz musimy skupić się na tym, aby zastąpić PEG innymi cząsteczkami, które jeszcze bardziej utrwalą liposom, a jednocześnie będą korzystne dla zdrowia pacjenta – wyjaśnia dr Zaborowska-Mazurkiewicz.
W badaniach jako substancję czynną wykorzystano wspomniany iguratimod – lek przeciwreumatyczny stosowany m.in. w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów. Analiza wykazała, że PEGylowane liposomy trójskładnikowe charakteryzowały się wyższą efektywnością enkapsulacji leku (91% – podczas gdy standardowe tylko 83%).
Nośniki zapewniały także bardziej kontrolowane i trwałe uwalnianie iguratimodu. Zwiększona stabilność struktury dzięki PEG sprawiała, że lek był uwalniany wolniej, co jest korzystne szczególnie przy długotrwałych terapiach.
Co ciekawe, korona białkowa w niektórych przypadkach wpływała na ten proces pozytywnie, jednak oddziaływanie to zależy zarówno od składów samej korony, jak i składu nośnika.
– Musimy zwrócić szczególną uwagę na to, w jakie środowisko celujemy, do jakich komórek chcemy się dostać, a do jakich absolutnie nie chcemy, żeby uniknąć agregacji na przykład w komórkach wątroby. Chcemy, aby liposomy dalej krążyły po krwiobiegu i dostarczały lek tam, gdzie powinny. W przyszłości chcemy też pracować na bardziej złożonych układach. Gdybyśmy rozważali modyfikację otoczki lipidowej białkami, to nie chcielibyśmy, by korona przysłoniła ich efekt, ponieważ wtedy nie dotrą do celu – opowiada badaczka.
Dlaczego inteligentny projekt ma znaczenie?
Liposomy są niezwykle obiecującymi nośnikami leków, ale ich prawdziwa skuteczność zależy od inteligentnego projektu, który uwzględni wyzwania, jakie stawia przed nami ludzki organizm.
Technologie takie jak PEGylacja są kluczowe, ponieważ pozwalają przezwyciężyć naturalne bariery ochronne, takie jak formowanie się korony białkowej. Dzięki nim liposom staje się stabilniejszy, dłużej krąży w krwiobiegu i może dostarczyć więcej leku dokładnie tam, gdzie jest on potrzebny.
W praktyce leki w otoczce lipidowej stosuje się m.in. jako zawiesiny do wstrzykiwań lub specjalistyczne formy doustne czy wziewne.
Ostateczny cel pozostaje niezmienny: zwiększenie efektywności terapii przy jednoczesnej redukcji jej negatywnego wpływu na pacjenta. Badania naukowców z UW torują drogę dla medycyny spersonalizowanej, w której skład nośnika będzie optymalizowany pod kątem konkretnego pacjenta i jego schorzeń, aby lek trafił dokładnie tam, gdzie powinien.
