Кофеин хорошо известен своей способностью помогать людям сохранять бдительность, но группа исследователей из Массачусетского технологического института и Brigham and Women's Hospital придумала новое применение этому химическому стимулятору - катализирует образование полимерных материалов..
Используя кофеин в качестве катализатора, исследователи разработали способ создания жевательных, биосовместимых гелей, которые можно использовать для доставки лекарств и других медицинских применений.
«Большинство синтетических подходов к синтезу и сшивке полимерных гелей и других материалов используют катализаторы или условия, которые могут повредить чувствительные вещества, такие как биологические лекарства. В отличие от этого, здесь мы использовали зеленую химию и обычные пищевые ингредиенты», - говорит Роберт. Лангер, профессор Института Дэвида Х. Коха в Массачусетском технологическом институте и один из ведущих авторов исследования. «Мы считаем, что эти новые материалы могут быть полезны при создании новых медицинских устройств и систем доставки лекарств».
В своей статье, опубликованной в журнале Biomaterials, исследователи продемонстрировали, что они могут загружать гели двумя противомалярийными препаратами, и они ожидают, что материал также может быть использован для переноса других типов лекарств. Исследователи говорят, что наркотики, переносимые таким материалом, можно жевать или легче глотать.
«Это действительно привлекательно для пациентов, особенно для детей, которым трудно глотать капсулы и таблетки», - говорит Джованни Траверсо, научный сотрудник Института интегративных исследований рака им. Женская больница, который также является старшим автором статьи.
Бывший постдоктор Массачусетского технологического института Анджела ДиЧиччио, которая сейчас работает в Verily Life Sciences, медико-биологическом подразделении Google X, является ведущим автором статьи.
Всплеск кофеина
Для изготовления полимерных гелей обычно требуются металлические катализаторы, которые могут быть опасными, если какой-либо из катализаторов остается в материале после образования геля. Команда Массачусетского технологического института хотела придумать новый способ изготовления гелей с использованием катализаторов и исходных материалов на основе пищевых продуктов и других материалов, безопасных для приема внутрь.
«Наша цель состояла в том, чтобы попытаться упростить метод производства и с самого начала обеспечить улучшенный профиль безопасности за счет использования потенциально более безопасных катализаторов», - говорит Траверсо.
Хотя кофеин ранее не использовался для химического синтеза, он привлек внимание исследователей, потому что он растительного происхождения и может действовать как слабое основание, а это означает, что он мягко удаляет протоны из других молекул. Он также имеет структуру, аналогичную некоторым другим органическим слабым основаниям, которые использовались для катализа типа химической реакции, необходимой для образования этих гелей - образования сложноэфирных связей для создания сложного полиэфира.
«Полиэфиры позволяют преднамеренно создавать съедобные материалы, изготовленные из биоресурсов», - говорит ДиЧиччио. «Однако не существовало катализаторов, которые были бы достаточно мягкими, чтобы связывать эти молекулы, не вызывая нежелательных реакций и не требуя сверхвысокого нагрева. Наша новая платформа предлагает элегантное решение этой проблемы с использованием недорогих материалов и широко доступных химических веществ».
Исследователи решили использовать кофеин, чтобы стимулировать лимонную кислоту, другой съедобный материал, вырабатываемый растениями, для формирования полимерной сети вместе с полиэтиленгликолем (ПЭГ), биосовместимым полимером, который использовался в лекарствах и потребительских товарах, таких как зубная паста на протяжении многих десятилетий.
При смешивании с лимонной кислотой и ПЭГ и при небольшом нагревании кофеин открывает кислородсодержащее кольцо в ПЭГ, позволяя ему реагировать с лимонной кислотой с образованием цепей, состоящих из чередующихся молекул ПЭГ и лимонной кислоты. Если в смеси присутствуют молекулы лекарства, они также включаются в цепи.
Смешивайте и сочетайте
Исследователи показали, что они могут загрузить в эти полимеры два лекарства от малярии, артесунат и пиперахин. Они также могли изменять химические и механические свойства геля, изменяя его состав. Они создали гели, которые содержат либо ПЭГ, либо другой полимер, называемый полипропиленгликолем, а также гели, которые сочетают эти два полимера в разных соотношениях. Это позволяет им контролировать такие свойства, как прочность материала, структура его поверхности и скорость высвобождения лекарств.
«В зависимости от области применения или от того, какие лекарства добавляются, вы можете смешивать и сочетать, чтобы найти оптимальную смесь», - говорит Траверсо.
На гелях также можно отпечатывать узоры, такие как микромасштабная архитектура, обнаруженная на поверхности листьев лотоса, что позволяет им отталкивать воду. Изменение свойств поверхности материала может помочь исследователям контролировать, насколько быстро или медленно гели перемещаются по пищеварительному тракту.
Гели, полученные в результате, содержат небольшое количество кофеина, примерно такое же, как в чашке чая. В предварительных тестах на безопасность исследователи не обнаружили никаких вредных эффектов в четырех типах клеток человека или у крыс.
Исследование финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Национальным институтом здравоохранения и Фондом Александра фон Гумбольдта. Среди других авторов статьи из Массачусетского технологического института - Люси Ли Янг-А, Дин Глеттиг, Элизабет Уолтон, Ева де Ла Серна, Вероника Монтгомери и Тайлер Грант..