Осенью 2019 года Александра Предеина, тогда студентка первого курса магистратуры, пришла к руководителю SCAMT Владимиру Виноградову с желанием сделать научный проект с уклоном в Art&Science. Два с половиной года работы претворились в жизнь ― так появилась уникальная тест-система для анализа свойств нанофармацевтических препаратов, способная значительно уменьшить количество тестов на животных. 

Поперечный срез главной жилки листа шпината под световым микроскопом. Изображение предоставлено Александрой Предеиной

Наночастицы на страже здоровья

По сравнению с молекулярными формами лекарственных препаратов наноструктурированные имеют ряд преимуществ: они способны обеспечить таргетную доставку лекарственного средства, его контролируемое высвобождение, а также сохранять стабильность вещества по пути к месту назначения. Таким образом, при минимальном введении вещества ученым удается достигать большего терапевтического эффекта.

Для исследования таких нанофармацевтических препаратов необходимо, чтобы тест-система была максимально похожа на ту часть организма, на которую нацелены исследователи, например сосудистую систему. Также она должна быть прозрачна, чтобы можно было наблюдать за действием вещества.

Однако подобрать эффективную модель доклинического тестирования не так просто ― и это создает проблему для разработки новых нанофармацевтических препаратов. Традиционно для лабораторных экспериментов используют тканевые и клеточные культуры. Они дешевые и легко воспроизводимые, но не могут представить всю сложность организма. Отчасти с этим справляется компьютерное моделирование, но без экспериментальных подтверждений оно нерелевантно.

Некоторые исследователи предлагают использовать микрофлюидические чипы: в пленке материала продавливают каналы, имитирующие сосудистую систему. Но по химическому составу и некоторым физических параметрам все они далеки от реальных биологических объектов. К тому же чип может взаимодействовать с тестируемым препаратом, мешая исследованию, а его подготовка — многоэтапный дорогостоящий и трудозатратный процесс.

«Несмотря на перспективность области нанофармацевтики и огромное количество публикаций и доклинических исследований, относительно мало данных, которые бы показывали трансляцию этих результатов в нашу жизнь: в клиническую фазу и затем в реальную практику. Сейчас есть очень большой запрос на разработку тест-систем, имитирующих проведение испытаний в живых организмах. Поэтому любая попытка переместиться на новые модели в этой предметной области — прорыв, поскольку она также позволит сократить огромное количество лабораторных животных», — объясняет Владимир Виноградов, соавтор статьи, руководитель SCAMT ИТМО.

Обесклеточенные каркасы растений как модель сосудов мозга

Учтя недостатки существующих моделей, ученые разработали тест-систему на основе листа шпината (Spinacia oleracea). Каркас устройства представляет собой проводящую сеть листа, из которой удалили все клеточные компоненты, кроме стенки. Таким образом, она полностью состоит из целлюлозы — вещества, которое придает растительным тканям большую механическую прочность и устойчивость формы по сравнению с животными.

«Мы проверяли и другие растения, обладающие более разветвленной сосудистой системой. Но проблема в том, что их обесклеточивание происходит при более жестких условиях и после него не достигается нужная прозрачность, а листья теряют необходимую гибкость, свой каркас», — дополняет Владимир Виноградов.

Полученная система совпадает по диаметру и разветвлению с артериолами и капиллярами человека. Учитывая этот факт и дешевизну материала, предложенная модель подходит для тестирования как традиционных, так и нанофармацевтических препаратов.

«Проводящая система растений и кровеносные сосуды человека формируются по одному и тому же принципу (закону Мюррея) и похожи морфологически. И то, и другое — сложная разветвленная сеть каналов разного размера. Поэтому нам нужно было получить каркасы листов с цельной системой жилок, в которых можно было бы проводить эксперименты, и которые имели бы высокую воспроизводимость и низкую стоимость», — говорит соавтор статьи Александра Предеина.

Доказательства гипотезы

Чтобы проиллюстрировать эффективность своей разработки, ученые решили смоделировать одну из самых частых причин смертей во всем мире — тромбоз. Для этого они создали искусственный тромб и пустили его в тестовые сосуды. Затем ввели наночастицы с активирующим разложение сгустка лекарственным средством и с помощью магнитного поля направили их в зону закупорки.

«Надо понимать, что эксперименты проводят на живых организмах и исследования для них зачастую летальны. Растения же не чувствуют боль, поэтому кажется, что ставить эксперименты на них все-таки гуманнее. Кроме того, здесь и разнообразия больше: в зависимости от того, какую терапевтическую функцию вы хотите выполнить, можно использовать разные растительные объекты и имитировать ими разные системы. Эволюция для этого предоставила множество вариантов», — заключает Владимир Виноградов.

Следующий этап исследований — изучить, каким образом можно заселить целлюлозные каркасы непосредственно человеческими клетками. Так тест-система ученых Университета ИТМО может стать еще более правдоподобной имитацией человеческих сосудов.

«Я хочу пойти дальше и привлечь внимание научного сообщества к нерациональному использованию лабораторных животных. Сейчас достаточно протестировать новое соединение на клетках и сразу запускать тесты на животных. Я считаю, что это неправильно и нужен промежуточный этап тестирования, который отправит многие компоненты на доработку и сохранит жизнь многим зверям. Возможно, каркасы из растений как раз и станут этим этапом», — отмечает Александра Предеина.

Меняющее научный подход искусство

Трансдисциплинарный проект ученых находится на стыке разных и, казалось бы, несовместимых областей. Он заимствует идеи и решения у природы и перекладывает их на потребности человечества — при этом оставаясь гуманным по отношению к лабораторным животным.

«Кажется, я произвела неизгладимое впечатление, когда на первой встрече научной группы привела в качестве примера того, чем я хотела бы заниматься, проект-коллаборацию исследователей и дизайнеров E. chromi. Так за мной закрепился и творческий образ, и соответствующий проект. Сама его идея очень креативная: достать все из листа и начать творить на “пустом холсте”. Мне нужно было очень много работать руками, раз за разом собирать всю систему так, чтоб она работала, постоянно что-то менять и совершенствовать, пробовать миллион подходов», — говорит Александра Предеина.

По мнению авторов статьи, эстетический подход к исследовательским проектам также привлекает широкую публику к существующим научным проблемам и популяризует работу ученых, делает их труды более привлекательными для широкой аудитории.

«Мне всегда нравилось искусство, особенно визуальное. В магистратуре я поняла, что мне нравится еще и наука и что оба моих увлечения прекрасно совместимы — особенно когда у них есть реальное и даже очень полезное применение», — заключает Александра.

Проект был поддержан Российским научным фондом. Подробнее об исследовании: Aleksandra L. Predeina, Artur Y. Prilepskii, Veronica de Zea Bermudez, and Vladimir V. Vinogradov, Bioinspired In Vitro Brain Vasculature Model for Nanomedicine Testing Based on Decellularized Spinach Leaves (Nano Letters, 2021).

(источник https://news.itmo.ru/ru/science/life_science/news/12246/)