Новости химической науки > Биокомпьютер решает, когда вводить лекарства

Американские исследователи разработали ферментативную логическую систему, которая в перспективе может найти применение для высвобождения лекарств. Представленная работа является первой искусственной биомолекулярной системой, которая может обрабатывать серии физиологических сигналов без применения электроники [1].

Логическая система, основанная на биокомпьютере и обрабатывающая биомолекулярные сигналы, могла бы кардинально изменить доставку лекарственного препарата в организм. С использованием поверхности чувствительных электродов, реагирующих на определенные биохимические импульсы, персонификация терапевтического подхода «под конкретного пациента» становится все ближе к реальной действительности.

Недостатком систем, высвобождающих лекарства, являлось медленное и бесконтрольное высвобождение фармацевтически активного компонента. Для того, чтобы простимулировать высвобождение лекарственного препарата использовались различные внешние факторы воздействия, включая температуру, pH и биологически активные вещества. Системы, активирующиеся биохимическими сигналами, часто являются сложными и ограниченными в применении из-за того, что для их работы необходимо сочетание как рецептора, так и системы высвобождения лекарства. Физическое разделение этих двух компонентов на отдельных электродах смогло бы упростить процесс.

Дополнив свою последнюю работу [2] электродами, чувствительными к глюкозе, Евгений Кац (Evgeny Katz) и Шей Мэйлокс (Shay Mailloux) из Университета Кларксон при сотрудничестве с Жаном Халамек (Jan Halámek) из Университета Нью-Йорка в Олбани разработали логическую биомолекулярную систему высвобождения фармацевтически активного компонента. Электрод, покрытый редокс-активной полимерной пленкой альгината, поперечно сшитой ионами железа(III) и содержащей механически связанные биомолекулы, выполняет функцию элемента, высвобождающего лекарственное вещество, а электрод, модифицированный пирролохинолинхиноном [pyrroloquinoline quinone (PQQ)], выступает в качестве биокаталитического электрода.

Система отличается высокой селективностью, поскольку она реагирует только на специфические комбинации биомолекулярных возбуждающих сигналов, которые обрабатываются тщательно разработанной системой последовательно расположенных логических элементов - затворов. В результате окисления NADH биокаталитический электрод генерирует отрицательный потенциал и ток восстановления. В свою очередь, ионы железа (III) восстанавливаются до железа(II), пленка становится растворимой и инкапсулированные в ней биомолекулы высвобождаются. Использование NADH для инициирования высвобождения является важным достижением, поскольку NADH может быть сгенерирован многочисленными биокаталитическими системами организма, а это позволяет расширить применение разработанной модельной системы.

Система отвечает только на определенные комбинации биомолекулярных сигналов. (Рисунок из Analyst, 2014, DOI: 101.1039/c3an02162a)

Кац говорит, что новизна представленного подхода заключается в высвобождении целевой молекулы при получении определенных сигналов, которые в итоге могли бы быть сигналами, получаемыми от тела пациента. Кац подчеркивает, что эта работа впервые представляет систему объединяющую биологические вычисления с высвобождением биомолекулы. Кац поясняет, что исследование демонстрирует применение биологических вычисления, иными словами обработки данных с помощью биохимических способов, для инициирования последующего процесса. Такой процесс мог бы сравниться с соединением компьютера с принтером. В таком сочетании компьютер обрабатывает информацию, а принтер печатает данные. По существу, разработанная исследователями биохимическая система работает именно таким образом.

Э Празанна де Силва (A Prasanna de Silva), эксперт по квантовой химии из Королевского университета Белфаста в Великобритании, описывает систему как редкий образец логического высвобождения лекарства. Ему вторит Энди Адамацки (Andy Adamatzky) из Университета Западной Англии в Великобритании, говоря, что проведенное учеными исследование открыло новые области применения для вновь появляющихся моделей расчетов. Исследователи смогли перенести необычные способы вычислений из исключительно теоретической области в живую прикладную сферу, где представления о необычной обработке данных и принятие решения могут осуществляться с участием биомолекул и, в перспективе, применяться для лечения заболеваний.

Хотя представленная исследователями концепция еще не готова для полноценного медицинского применения, работа над повышением ее практичности уже находится на пути реализации, Исследователи для осуществления поставленной задачи пытаются использовать настоящие биологические жидкости.

Источники [1] Analyst, 2014, DOI: 101.1039/c3an02162a; [2] Chem. Commun., 2013, 49, 4755 (DOI: 10.1039/c3cc42027b)

метки статьи: #биохимия, #медицинская химия, #межмолекулярные взаимодействия, #молекулярная биология, #молекулярная электроника, #молекулярные устройства