Оптимизация нанo- и микрочастиц поли(гидроксиалканоата) с верапамилом гидрохлоридом с использованием методологии поверхностей отклика

Почему важны крошечные носители лекарств

Многие современные препараты хорошо работают в теории, но испытывают трудности с доставкой в нужное место организма в нужное время. Верапамил, распространённое сердечное средство, — один из таких примеров: он быстро всасывается в кишечнике, но большая часть разрушается до того, как сможет оказать эффект. В этом исследовании изучается упаковка верапамила в крошечные биоразлагаемые шарики из натурального бактериального пластика, чтобы защитить препарат, перенести его и высвободить более предсказуемо — что потенциально может улучшить лечение и снизить побочные эффекты.

Преобразование бактериального пластика в интеллектуальную медицину

Исследователи сосредоточились на семействе материалов, называемых поли(гидроксиалканоатами), или PHA. Это натуральные пластики, которые бактерии накапливают в качестве запасов энергии; они уже известны как безопасные и биоразлагаемые. В работе команда запрограммировала бактерии на синтез специального PHA, объединяющего четыре слегка отличающихся структурных звена. Такая смесь придаёт материалу полезное сочетание гибкости, прочности и медленного разложения в организме. Тщательное тестирование показало, что полимер был очень чистым, имел ожидаемую структуру и не содержал пирогенов (веществ, вызывающих лихорадку), что делает его перспективной основой для медицинского применения.

Создание нано- и микрошариков для доставки лекарств

Чтобы превратить этот полимер в носители лекарств, учёные изготовили частицы двух размеров: наночастицы — в сотни раз меньше эритроцита, и микрочастицы — приблизительно размером с тонкую пыль. Обе группы получали методом «двойной эмульсии»: водные капли с растворённым верапамилом сначала захватываются в облаке полимера, растворённого в органическом растворителе, а затем эта смесь снова диспергируется в воде со стабилизатором. По мере испарения органической фазы формируются твёрдые шарики с запертым внутри лекарством. Команда систематически варьировала три ключевых компонента — количество полимера, количество препарата и концентрацию стабилизатора — чтобы выяснить, как каждый влияет на размер частиц и на долю захваченного препарата.

Использование статистики для поиска оптимума

Вместо изменения одного ингредиента за раз исследователи применили статистический подход — методологию поверхностей отклика. Это позволило им изучить взаимное влияние трёх переменных и прогнозировать комбинации, дающие частицы нужного размера с хорошей загрузкой препарата. Для наночастиц оптимальная рецептура дала частицы примерно 245 наносантиметров в диаметре с узким распределением размеров, умеренно отрицательным поверхностным зарядом и средней загрузкой и эффективностью захвата препарата. Для микрочастиц оптимизированная формула дала частицы около двух микрометров в поперечнике с похожими поверхностными свойствами и несколько большей эффективностью захвата, хотя с большим разбросом по размеру — типичным для частиц этой величины.

Что определяет, сколько препарата оказывается внутри

Анализ выявил очевидные закономерности, помогающие объяснить поведение носителей. Увеличение количества полимера, как правило, приводило к образованию более крупных частиц, но могло также разбавлять препарат внутри каждой сферы. Увеличение содержания верапамила обычно повышало долю захваченного препарата до некоторого предела, но слишком мало полимера приводило к образованию протекающих капель, теряющих препарат в окружающую воду. Стабилизатор помогал предотвратить слияние капель, что сужало распределение размеров, но в избытке он способствовал вытеснению водолюбивого препарата в внешнюю водную фазу вместо удержания его в формирующихся частицах. На nano- и микромасштабах баланс между массой полимера и количеством препарата оказался главным фактором, определяющим размер и загрузку, тогда как стабилизатор играл вспомогательную, финирующую роль.

Значение для будущих методов лечения

Для неспециалистов ключевой вывод в том, что команда показала возможность упаковать очень водолюбивое сердечное средство в полностью водоотталкивающий, биоразлагаемый пластик, произведённый бактериями, и сделать это контролируемо и предсказуемо на двух очень разных ступенях размера. Хотя полученные частицы удерживают лишь умеренную долю препарата, работа даёт ясную дорожную карту по настройке ингредиентов для регулирования размера и загрузки. Такой подход к дизайну может ускорить разработку новых пролонгированных или целевых версий уже известных лекарств с использованием материалов, безопасно разлагающихся в организме — приближая нас к более эффективным и более щадящим пациентам методам лечения.

Цитирование: Ramachandran, S., Prakash, P., Raman, S. et al. Optimisation of verapamil hydrochloride loaded polyhydroxyalkanoate nano and microparticles using response surface methodology. Sci Rep 16, 12288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39694-y

Ключевые слова: биоразлагаемая доставка лекарств, наночастицы, микрочастицы, поли(гидроксиалканоаты), верапамил