Российские ученые в сотрудничестве с зарубежными коллегами впервые создали сложную математическую модель, которая рассчитывает распределение наночастиц, в частности вирусов, в живых клетках. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Уральского федерального университета (УрФУ), сообщили в среду в пресс-службе Министерства науки и образования РФ.
"Процессы в клетках крайне сложные, но если говорить упрощенно, то вирусы используют различные варианты для размножения. Некоторые доставляют генетический материал непосредственно в цитоплазму. Другие используют эндоцитозный путь: доставляют вирусный геном, высвобождаясь из эндосом. Если вирусы задерживаются в эндосомах, то там повышается кислотность и они гибнут в лизосомах. Так вот, наша модель позволила выяснить, во-первых, когда и какие вирусы "сбегают" из эндосом, чтобы выжить. Например, некоторые вирусы гриппа - это вирусы с низкой pH-зависимостью, они сливаются с мембраной эндосомы и высвобождают свой геном в цитоплазму. Во-вторых, мы выяснили, что вирусам легче выживать в эндосомах в процессе кластеризации, когда две частицы сливаются и стремятся образовать единую частицу", - приводит пресс-служба слова руководителя лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрия Александрова.
С помощью математической модели авторы выяснили, как кластеризуются (сливаются в единую частицу) наночастицы внутри клеток, а именно в клеточных эндосомах, которые отвечают за сортировку и транспорт белков и липидов. Эти расчеты будут полезны в медицинских целях, так как показывают, как ведут себя вирусы, когда попадают в клетки и стремятся создавать свою копию. Кроме того, модель позволяет точно рассчитать необходимое количество препарата для терапии, чтобы лечение было максимально эффективным и с минимальными побочными эффектами.
Математическая модель будет полезна и в таргетной терапии опухолей: многие методы лечения рака зависят от того, когда и как наночастицы препарата насыщают раковые клетки. Модель поможет рассчитать и этот параметр. Кроме того, понимание поведения вирусов в клетках важно для разработки вакцин и лекарств, а также для генной терапии - с ее помощью лечат болезни, с которыми не справляется традиционная медицина. Например, различные векторы на основе аденовирусов и липидные частицы используют в качестве платформы для доставки генов с целью лечения заболевания. Но ограниченная возможность "выскальзывать" из эндосом уменьшает возможность их использования в качестве доставщиков.
"Наночастицы размером менее 100 нанометров становятся все более важными инструментами в современной медицине. Их применение варьируется от нанодиагностики до лучевой терапии рака. Так, для адресной доставки противоопухолевых препаратов используют имитирующие вирусы pH-чувствительные наночастицы. Таким образом доставляют лекарства от целых органов до отдельных клеток", - отметил профессор прикладной математики Манчестерского университета Сергей Федотов.
Публикации и поддержка
Описание модели и результаты расчетов ученые опубликовали в журналах Crystals, Cancer Nanotechnology и Mathematics. Исследования проводятся при поддержке Минобрнауки России. По программе "Приоритет-2030" ученые открыли новую научную лабораторию "Стохастический транспорт наночастиц в живом организме и разработка научных подходов для снижения их вредного влияния на здоровье экспонированного населения" совместно с Екатеринбургским медицинским-научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора, где планируется исследовать поведение вирусов в клетках, а также усовершенствовать прорывной метод лечения генетических и социально значимых заболеваний.
