Применение и свойства наноразмерных частиц

В настоящее время проведен большой объем исследований с использованием наночастиц на основе углерода (нанопорошки, трубки, фуллерены), оксида кремния, нанооболочек из золота и серебра, парамагнитных комплексов гадолиния, железа, кобальта и других металлов.

Среди углеродных НЧ, образованных только атомами углерода, наиболее широко распространены фуллерены и нанотрубки, которые можно получить с помощью разнообразных химических или физикохимических методов. Например, в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа, при пониженном давлении, в присутствии катализатора. Фуллерены, по мнению экспертов, могут стать основой нс только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Главная их особенность — каркасная форма: молекулы выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур — это фуллерен Сбо, открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов). После разработки методики получения фуллеренов в макроколичествах было обнаружено множество других, более легких (С20) и более тяжелых фуллеренов — С70, Q2, С% и выше. На основе фуллеренов в настоящее время разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

Рис. 7.1. Фуллерены, состоящие из атомов углерода: а) Сцп с диаметром около 1 нм: б) фуллерен С70.

К числу эффективных нанопереносчиков относятся также неорганические соединения на основе оксида кремния и различных металлов. Часто такие наночастицы имеют кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать препараты, обладающие рядом уникальных свойств. Их активность и, в частности, высвобождение терапевтического агента могут быть инициированы термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля.

На сегодняшний день в России разработан способ получения наноколлоидного серебра, стабилизированного синтетическими фульвокислотами. Наноколлоидное серебро обладает сильными бактерицидными и бактериостатическими свойствами, а фульвокислоты характеризуются иммуномодулирующими, регенерирующими, противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Начальным соединением синтеза является оксид серебра, что исключает проблему загрязнения конечного раствора анионами исходных солей (чаще всего нитратами или перхлоратами). Препараты на основе наносеребра уже приобрели международную известность и вошли в международные программы исследований по лечению онкологических заболеваний и травм центральной нервной системы (ЦНС). За счет их использования достигается ощутимое снижение дозировок и токсического воздействия на организм цитостатиков, т. к. они доставляются только в опухоль и не затрагивают здоровые ткани. При лечении травм ЦНС, например разрывов спинного мозга, максимальное восстановление функций, достигаемое современными методами, обычно не превышает 20%, а при введении молекул, «посаженных» на наночастицы серебра размером 1…3 нм, удается достигать 80%-го восстановления функций.

Не меньшим интересом пользуются и препараты коллоидного золота. Задача их получения была решена коллективом лаборатории физики наноколлоидов НПО «Звезда» под руководством ученика Ж. Алферова Сергея Нестерова. Наряду с серебром и золотом разработан новый метод получения химически чистых (> 99,7%), хорошо дезагрегированных нанопорошков оксидов алюминия, циркония, титана, цинка, железа и т. д. со средним размером частиц 20… 100 нм.

Интересно отметить, что и в самой природе имеется достаточно большой набор нанопереносчиков, например вирусов. В частности, обработанные определенным образом аденовирусы могут быть эффективно использованы для вакцинации через кожу. Кроме того, коллоидные частицы, присутствующие в живых организмах, являются активными переносчиками кислорода (гемоглобин). Такие же транспортные функции выполняют различные белки. В силу своих особенностей они не растворимы в биологических жидкостях, т. е. не образуют истинных растворов из-за своих размеров и строения, однако это не препятствует их достаточной биологической подвижности. Существенно то, что они метаболизируются и, следовательно, не накапливаются и не несут нежелательных побочных эффектов.

Ярким примером нанокапсул-переносчиков являются липосомы, представляющие собой замкнутые пузырьки воды, окруженные одним или несколькими слоями клеточного жирафосфолипида. Размеры и форма липосом зависят от кислотности среды, присутствия солей и других факторов. Благодаря такой полусинтетической природе это позволяет широко варьировать их свойства. По своему строению липосомы напоминают клеточные мембраны. При определенных условиях они могут поглощаться клетками или же сливаться с клеточными мембранами. Помещая в такую оболочку лекарственные средства, витамины, антибиотики и пр., представляется возможным осуществлять их транспорт внутрь клетки без негативных последствий. Очень важно, что в пути следования липосомы надежно укрывают свой груз от контакта с иммунной системой и не вызывают защитных аллергических реакций организма.

Все это говорит о том, что создание подобных, максимально приближенных к природным коллоидам соединений позволит наиболее эффективно использовать весь их потенциал. На сегодняшний день к искусственным биогенным наночастицам, способным к направленной доставке, относят также липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии липидного происхождения, некоторые циклические пептиды, хитозаны, наночастицы из нуклеиновых кислот.

Одним из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека является трансдермальный (через кожу). Именно из-за его простоты пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений вне зависимости от их молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Некоторые из таких наноразмерных соединений, для которых возможно использование трансдермального метода введения, представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул: I — липосома и аденовирус; 2 — полимерная наноструктура; 3 — дендример;

4 -углеродная нанотрубка

Изучение биологического поведения (фармакокинетики и фармакодинамики) в живом организме искусственных НЧ неорганического и органического происхождения представляет не только большой общенаучный, но и практический интерес. Согласно предположениям, для наночастиц с размером от 1 до 100 нм может быть характерно облегченное проникновение через барьеры организма (гемато-энцефалический, барьеры желудочно-кишечного тракта, молочной железы и др.). Вместе с тем даже такие современные высокочувствительные физико-химические методы анализа, как масс-спектрометрия, атомно-адсорбционная и атомно-эмиссионная спектрофотометрия, принципиально не применимы для обнаружения и определения количественного содержания наночастиц тех элементов, которые присутствуют в составе естественных биологических тканей. К ним относятся так называемые биофильные, или эссенциальные, микроэлементы — Fe, Zn, Си, Mn, Cr, I, Se, В и др.

Выходом из положения является введение в состав наночастиц радиоактивной метки (индикатора), которая бы не изменяла существенным образом их поверхностные свойства, геометрические размеры, гидродинамический радиус, массу и в то же время позволяла проследить динамику их накопления в тех или иных органах или тканях методом сцинтиграфии или путем прямых радиометрических измерений исследуемых биологических объектов.