Липосомы продлили нервную блокаду с нескольких часов до нескольких недель

Липосомы превратили нервную блокаду из часов в недели — но до длительного обезболивания у людей еще далеко

Более текучая мембрана оказалась не более проницаемой системой

Липосомы — микроскопические структуры из липидных мембран, внутри которых можно заключать лекарственные вещества. Они давно используются в фармацевтике: оболочка способна защищать молекулу, менять ее распределение в организме и регулировать скорость высвобождения.

Интуитивная логика разработки таких систем выглядит просто. Чем плотнее упакованы липиды мембраны, тем труднее лекарству выйти наружу. Поэтому для замедленного высвобождения часто выбирают относительно жесткие насыщенные фосфолипиды.

Группа Юаня Вана и Дэниела Кохейна из Бостонской детской больницы обнаружила практически противоположный эффект.

Исследователи сравнивали липосомы, построенные из фосфолипидов с одинаковой длиной углеродных цепей, но различным количеством двойных связей. Такие связи мешают липидным цепям плотно укладываться друг возле друга, поэтому мембрана становится более текучей.

Можно было ожидать, что через нее лекарство будет уходить быстрее. Именно такой эффект ранее связывали с ненасыщенными липидами.

Однако для гидрофильных, то есть хорошо растворимых в воде, молекул произошло обратное.

Липосомы на основе ненасыщенного фосфолипида DOPC обеспечивали примерно втрое более высокую загрузку лекарства, примерно в 11 раз уменьшали начальный выброс содержимого и примерно в четыре раза снижали высвобождение через семь дней по сравнению с аналогом из насыщенного фосфолипида.

Причина оказалась не столько в свойствах отдельной мембраны, сколько в архитектуре всей частицы.

«Луковица» из мембран создала для лекарства полосу препятствий

Криоэлектронная микроскопия показала, что насыщенные и ненасыщенные липиды образуют принципиально разные структуры.

Вместо относительно простой оболочки ненасыщенные фосфолипиды формировали многослойные и многовезикулярные липосомы: концентрические мембраны или небольшие пузырьки, заключенные внутри более крупных.

Получается важный физический парадокс.

Через каждую отдельную текучую мембрану молекуле действительно может быть легче пройти. Но таких мембран становится гораздо больше. Чтобы покинуть частицу, гидрофильному лекарству приходится последовательно преодолевать несколько липидных барьеров.

Этот результат интересен не только для анестезиологии. Авторы проверили подход на нескольких гидрофильных соединениях — от небольших молекул до пептидов и белков, включая инсулин, терипаратид и интерлейкин-2. Эффект, однако, не оказался универсальным: для более липофильного амфифильного препарата бупивакаина зависимость была иной.

Поэтому речь идет не о новом общем правиле для любых лекарств, а о потенциальной платформе прежде всего для гидрофильных молекул.

Тетродотоксин стал жестким испытанием для новой системы доставки

Для проверки технологии на животных исследователи выбрали тетродотоксин — чрезвычайно мощный блокатор натриевых каналов нервных клеток. Именно через эти каналы распространяется электрический импульс по нерву, поэтому их блокирование способно временно прекращать передачу болевых сигналов.

Тетродотоксин известен прежде всего как нейротоксин, содержащийся, например, в рыбе фугу. В клинической практике он не используется как зарегистрированный местный анестетик. При этом для эксперимента по контролируемому высвобождению он особенно интересен: молекула хорошо растворяется в воде и обладает узким терапевтическим диапазоном, поэтому слишком быстрое поступление вещества потенциально опасно.

Свободный тетродотоксин в дозе 4 мкг блокировал седалищный нерв крысы примерно на два часа. Увеличение дозы всего до 5 мкг вызывало системные неврологические эффекты и оказалось смертельным для животных в эксперименте.

Помещение вещества внутрь новых липосом радикально изменило его поведение.

При дозе 80 мкг время до восстановления половины функции нерва составило 6,5 дня. При 120 мкг — 8,2 дня, при 200 мкг — около 11 дней, а при 260 мкг — примерно 13 дней. Полная продолжительность эффекта в некоторых экспериментах достигала двух-трех недель.

Таким образом, липосома выполняла сразу две функции: удерживала большое количество вещества возле нерва и ограничивала скорость его выхода в организм.

Сверхдлительная блокада обнаружила собственную проблему: она начинается медленно

Продлить действие лекарства недостаточно. Для анестетика имеет значение и то, насколько быстро он начинает работать.

Здесь обнаружился существенный компромисс. У липосомальной формы тетродотоксина в дозе 120 мкг начало блокады задерживалось примерно на 35 часов. Для послеоперационного обезболивания такой интервал практически неприемлем.

Исследователи попытались решить проблему, добавив бупивакаин — давно применяемый местный анестетик. Комбинация 100 мкг тетродотоксина и 120 мкг бупивакаина начинала действовать уже через 30 минут, то есть к первому моменту измерения, сохраняя длительную блокаду: показатель восстановления половины функции составил 8,4 дня.

Сам бупивакаин в использованной дозе и липосомальной системе такого эффекта не обеспечивал.

Это показывает более широкую логику будущих систем доставки: возможно, один компонент будет нужен для быстрого начала обезболивания, а другой — для его длительного поддержания.

Недели без боли пока одновременно означают недели нарушенной функции нерва

Именно здесь особенно важно отделить впечатляющий эксперимент от готовой медицинской технологии.

Исследователи измеряли не только чувствительную, но и двигательную блокаду. Существенной разницы между их продолжительностью обнаружено не было. Иными словами, система не показала способности избирательно выключать боль, сохраняя нормальную двигательную функцию.

Для некоторых клинических ситуаций продолжительная потеря чувствительности и движения могла бы сама стать серьезной проблемой. После операции пациенту часто требуется не только обезболивание, но и ранняя мобилизация, контроль состояния конечности и восстановление функции.

Кроме того, исследование проводилось на взрослых самцах крыс, причем основные группы включали всего по четыре животных. Это достаточный масштаб для демонстрации принципа, но не для оценки безопасности технологии, рассчитанной на многодневное или многонедельное применение у человека.

При самой высокой исследованной дозе тетродотоксина один из четырех животных продемонстрировал кратковременные признаки действия препарата на противоположную конечность, что авторы рассматривают как свидетельство некоторого системного распространения вещества.

Гистологическое исследование также обнаруживало местное воспаление после введения препаратов, хотя к 28-му дню оно значительно уменьшалось. Выраженного повреждения нерва исследователи не выявили, а показатели повреждения мышечной ткани оставались низкими.

Это обнадеживающие доклинические результаты, но они не устанавливают безопасность многонедельной нервной блокады у человека.

Новая липосома интереснее самого тетродотоксина

Сегодня уже существуют липосомальные местные анестетики. Например, липосомальный бупивакаин Exparel применяется для местной инфильтрации и некоторых видов периферической нервной блокады. Его фармакокинетика показывает, что липосомы действительно способны растягивать высвобождение анестетика на несколько суток.

Новое исследование предлагает другой масштаб и, возможно, более важный фундаментальный принцип.

Главным результатом становится не утверждение, что пациентам вскоре можно будет сделать одну инъекцию и устранить послеоперационную боль на несколько недель. Пока данных для такого вывода нет.

Гораздо интереснее открытие связи между химическим строением липида, трехмерной архитектурой липосомы и скоростью выхода гидрофильной молекулы.

Если этот принцип окажется воспроизводимым для других лекарств, разработчики смогут управлять продолжительностью действия препарата не только изменением самой активной молекулы, но и конструированием среды, из которой она высвобождается.

Это потенциально расширяет область применения технологии далеко за пределы обезболивания.

Длительное местное обезболивание может изменить саму логику послеоперационной терапии

Для периоперационной медицины привлекательность технологии очевидна. Значительная часть послеоперационной боли продолжается дольше, чем действие обычной однократной нервной блокады. Поэтому приходится использовать повторные препараты, катетеры или системные обезболивающие средства, включая опиоиды.

Инъекционная система, способная поддерживать локальную терапевтическую концентрацию лекарства несколько дней без опасного роста его уровня в крови, могла бы уменьшить потребность в системной терапии.

Но продолжительность сама по себе не является конечной целью. Клинически полезная система должна одновременно обеспечивать быстрое начало действия, предсказуемое прекращение блокады, приемлемую двигательную функцию, отсутствие повреждения нерва и тканей и возможность безопасно контролировать ситуацию при осложнениях.

Чем дольше действует необратимо введенная лекарственная система, тем важнее эти требования. Ошибку дозирования или нежелательную блокаду, сохраняющуюся часы, переждать значительно проще, чем эффект, рассчитанный на недели.

Поэтому следующий этап развития технологии будет зависеть не столько от того, удастся ли сделать блокаду еще продолжительнее, сколько от того, удастся ли сделать ее управляемой.

Для пациентов непосредственных изменений пока нет. Тетродотоксин не является коммерчески используемым местным анестетиком, а новая липосомальная система находится на доклинической стадии. Необходимы дополнительные исследования на животных, изучение фармакокинетики и токсичности, подбор подходящих лекарственных молекул и лишь затем — при благоприятных результатах — клинические исследования.