Аэрогель поможет вернуть в оборот перспективное многофункциональное лекарство

Кремнеземные аэрогели — это хрупкие материалы с пористой структурой, обладающие большой площадью поверхности. Они недорогие, не вызывают раздражения кожи и слизистых оболочек, что позволяет использовать их в качестве веществ, переносящих лекарства в организме человека. Одно из таких соединений — мефенамовая кислота, обладающая обезболивающим, противовоспалительным и жаропонижающим действием. Однако в последнее время ее использование приостановлено из-за низкой растворимости кристаллических форм этого вещества в биологических жидкостях. При этом она потенциально может применяться в лечении рака молочных желез, ревматоидного артрита, воспалительных заболеваний кишечника. Чтобы вернуть кислоту в терапию, необходимо улучшить ее форму, а также разработать механизм ее доставки.

Сотрудники из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново), Института химии Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Университета Коимбры (Португалия) изучили аэрогели в качестве систем доставки мефенамовой кислоты. Они предположили, что лекарство и носитель реагируют друг с другом и это влияет на свойства каждого их них — это может как решить проблемы использования кислоты, так и добавить новых, например, сделав ее неактивной. Для проверки гипотезы авторы использовали ЯМР-спектроскопию — метод, при котором частицы, помещенные в магнитное поле, испускают разные электромагнитные волны в зависимости от своего строения и состава.

Оказалось, что гель, легированный кислотой, имел более плотную структуру. Используя математические модели, исследователи также установили физико-химические свойства такого материала. Для этого они использовали сверхкритический диоксид углерода (CO2), находящийся в состоянии флюида при температуре выше 30 oC и давлении выше 73 атм. Так, чистый аэрогель поглощал CO2 в 1,7 раз быстрее, чем легированный материал. Кислота занимала некоторые свободные участки на поверхности пор аэрогеля, что затрудняло адсорбцию молекул флюида. При этом она не оказывала никакого химического воздействия на функциональные группы в порах, а взаимодействовала с гелем за счет слабых межмолекулярных сил. Степень поглощения флюидов используют для оценки пористости и избирательности в отношении конкретных веществ. Поэтому полученные данные позволят установить поглощательную способность геля, которая будет учитываться при разработке лекарственных препаратов.

Кроме того, ученые установили, как контакт с аэрогелем влиял на мефенамовую кислоту. В растворах она принимает несколько структурных состояний — конформеров. Они различаются углом, который образуется между составными фрагментами кислоты. Переход между конформерами называется релаксацией, при этом молекула из более напряженного, требующего больше энергии положения переходит в более доступное и наоборот. Добавление аэрогеля значительно увеличило скорость релаксации. Молекулы накапливались в поре, что увеличивало вероятность контакта между ними, а следовательно, и обмена энергией. Частицы быстрее переходили из одного конформера в другой, то есть релаксировали. Так как кислота свободно входила в пору и выходила из нее, большое количество молекул «поучаствовало» во взаимной релаксации. В геле доля кислоты, находящейся в более напряженных конформерах, составила 78%, при этом в водных растворах таким вариантам соответствовало только 25% всех частиц. Такое соотношение необходимо учитывать при разработке лекарств, так как конформеры могут по-разному влиять на активность препаратов. Таким образом, полученные данные позволят предсказывать поведение лекарств в разных условиях, учитывать варианты их строения, оптимизировать процесс их доставки внутри организма.

«Проведенное исследование направлено на создание средств доставки лекарственных соединений. Это особенно важно для лекарственных соединений с низкой растворимостью и биодоступностью. В нашей работе мы показали, что использование аэрогеля из кремнезема в качестве носителя лекарственного соединения стабилизирует его аморфное фазовое состояние, что существенно увеличивает растворимость. Более того, было найдено распределение конформеров лекарственного соединения в матрице аэрогеля, что проливает свет на взаимодействие лекарственного соединения с мишенью. В дальнейшем мы собираемся исследовать его высвобождение в средах, имитирующих биологические жидкости человеческого организма», — рассказывает доктор физико-математических наук Илья Ходов, старший научный сотрудник Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН.