Наноалмазы доставляют инсулин для заживления ран
Бактериальная инфекция представляет серьезную угрозу для пациентов с тяжелыми ожогами и другими серьезными ранами, например, при травматических переломах костей. Инсулин был идентифицирован как новое важное средство для борьбы с инфекцией и заживления ран.
Исследователи из Северо-Западного университета с помощью крошечных наноалмазов продемонстрировали инновационный метод доставки и высвобождения этого лечебного гормона в определенном месте в течение времени. Кластеры «наноалмаз-инсулин» перспективны для применения в заживлении ран и могут быть интегрированы в гели, мази, повязки или шовные материалы.
Метод использует условие, типичное для места раны: уровень pH кожи может достигать очень щелочных значений в процессе восстановления и заживления. Исследователи обнаружили, что инсулин, прочно связанный с углеродными наноалмазами, высвобождается при контакте с основным (щелочным) pH, аналогичным тому, что наблюдается в инфицированных бактериями ранах. Эти уровни pH значительно выше физиологического уровня pH 7,4.
Результаты исследования были опубликованы 26 июля в журнале Biomaterials.
«Это исследование представляет концепцию опосредованного наноалмазами высвобождения терапевтических белков», — сказал Дин Хо, доцент биомедицинской и машиностроительной инженерии, руководивший исследованием. «Это сложная проблема, потому что белки, даже небольшие, как инсулин, очень хорошо связываются с наноалмазами. Но в данном случае правильный уровень pH эффективно запускает высвобождение инсулина».
Значительное количество инсулина можно загрузить на наноалмазы, обладающие большой площадью поверхности. Кластеры «наноалмаз-инсулин», высвобождая инсулин в щелочных областях раны, могут ускорить процесс заживления и снизить частоту инфекций. Эта способность высвобождать терапевтики из наноалмазов по требованию представляет собой многообещающую стратегию повышения специфичности лечения ран.
Исследования показали, что в водном растворе при нормальном физиологическом pH инсулин очень прочно связан с наноалмазами и практически неактивен в связанном состоянии — это полезное свойство для предотвращения избыточного или ненужного высвобождения.
При повышении pH до основных уровней, характерных для кожи при тяжелых ожогах, инсулин высвобождался из наноалмазных кластеров и сохранял свою функцию. Использование этого pH-опосредованного механизма высвобождения может дать уникальные преимущества для улучшенных методов доставки лекарств.
Исследователи также обнаружили, что инсулин медленно и стабильно высвобождался из кластеров в течение нескольких дней.
Инсулин ускоряет заживление ран, действуя как гормон роста: стимулирует пролиферацию и деление клеток кожи, восстанавливает кровоток в ране, подавляет воспаление и борется с инфекцией. Ранее было подтверждено повышение щелочности тканей раны из-за бактериальной колонизации до уровней pH 10,5 — именно такой уровень pH способствовал высвобождению инсулина из наноалмазов в данном исследовании.
Далее группа Хо планирует интегрировать комплексы «наноалмаз-инсулин» в гель и провести доклинические исследования, а также изучить другие области медицины для их применения.
Преимущества наноалмазов для биомедицины:
- Большая площадь поверхности для загрузки терапевтиков.
- Возможность функционализации различными агентами: малыми молекулами, белками, антителами.
- Легкая суспендируемость в воде.
- Минимальная инвазивность для клеток, биосовместимость, отсутствие воспаления (размер 4–6 нм).
- Масштабируемость и производство в больших количествах с однородным размером.
Используя уникальные поверхностные свойства наноалмазов, исследователи показали, что они служат платформами для успешного связывания, доставки и высвобождения нескольких классов терапевтических средств.
Ранее группа Хо также изучала наноалмазы для применения в терапии рака, демонстрируя их способность к медленному и стабильному высвобождению химиотерапевтического агента Доксорубицина. Кроме того, команда разработала устройства, использующие способность наноалмазов к медленному высвобождению лекарств, и показала их эффективность в диспергировании нерастворимых в воде препаратов.