Неорганические наночастицы для диагностики и лечения in vivo

Неорганические наночастицы, размером от 1 до 100 нм в скором будущем станут весьма перспективной альтернативой химиотерапии и будут использоваться для лечения раковых заболеваний, а так же других болезней.

Результаты первых клинических испытаний указывают на то, что терапия наночастицами может оказаться весьма действенной, значительно снижая количество побочных эффектов благодаря более направленному воздействию на опухоль и активному поглощению клетками.

Минимальное значение диаметра этих наночастиц рассчитывалось на основе коэффициента фильтрования для гломерулярной капиллярной стенки, поскольку предположительно предельный размер частиц для выведения из почек составляет 10 нанометров в диаметре. Верхняя граница определена не настолько четко. Известно, что сосудистая сеть опухолей легко пропускает макромолекулы. Лимфатическая система опухолей у подопытных мышей функционирует плохо, и макромолекулы, проходящие по кровеносным сосудам, имеют тенденцию к накапливанию, — феномен, известный как «синдром повышенной проницаемости и ретенции». Частицы диаметром в сотни нанометров способны проникать сквозь стенки кровеносных сосудов и накапливаться в опухоли. Однако крупные макромолекулы или наночастицы обладают ограниченной способностью к проникновению во внеклеточном пространстве.

Рис. 4 (наночастица «4-in-1»)

Наночастицы обладают высоким отношением величины поверхности к объему по сравнению с более крупными частицами, поэтому контроль за их поверхностными свойствами крайне важен в процессе внедрения в организм человека. Окончательный исход наночастиц в организме определяется их взаимодействием с внутренней средой, а это зависит от сочетания размера и поверхностных свойств. Пространственно стабильные частицы (например, полимеры полиэтиленгликоля на поверхности), обладающие слегка отрицательным или положительным поверхностным зарядом, минимально взаимодействуют между собой и с другими частицами. Внутренняя поверхность кровеносных сосудов и поверхность клеток содержит множество отрицательно заряженных компонентов, которые начнут отталкивать отрицательно заряженные наночастицы. По мере того, как поверхностный заряд станет сильнее (будь он положительным или отрицательным), активизируется деятельность макрофагов, что может привести к повышенной работе системы мононуклеарных фагоцитов. Таким образом, минимизация неспецифических взаимодействий благодаря пространственной стабилизации и контролю за поверхностным зарядом помогает предотвратить нежелательное распыление наночастиц. Однако полное уничтожение неспецифических взаимодействий пока невозможно, поэтому потеря частиц все равно происходит: главное здесь — свести эти потери к минимуму.

Если бы можно было избежать потери наночастиц, тогда бы их распределение внутри организма млекопитающего было бы равномерным при условии того, что не существовало бы ограничений в размере на основе термодинамических принципов. Тем не менее, в организме существует множество ограниченных по размеру участков, способствующих неравномерному распределению. К примеру, мозг защищен гематоэнцефалическим барьером, имеющим значительный размер и поверхностные свойства, ограничивающие проникновение. Учитывая требования к размерам и поверхностным свойствам частиц, попадающих в тот или иной орган, можно легко добиться их проникновения в нужные участки.

Наночастицы обладают высоким отношением величины поверхности к объему по сравнению с более крупными частицами, поэтому контроль за их поверхностными свойствами крайне важен в процессе внедрения в организм человека. Окончательный исход наночастиц в организме определяется их взаимодействием с внутренней средой, а это зависит от сочетания размера и поверхностных свойств. Пространственно стабильные частицы, обладающие слегка отрицательным или положительным поверхностным зарядом, минимально взаимодействуют между собой и с другими частицами. Внутренняя поверхность кровеносных сосудов и поверхность клеток содержит множество отрицательно заряженных компонентов, которые начнут отталкивать отрицательно заряженные наночастицы. По мере того, как поверхностный заряд станет сильнее (будь он положительным или отрицательным), активизируется деятельность макрофагов, что может привести к повышенной работе системы мононуклеарных фагоцитов. Таким образом, минимизация неспецифических взаимодействий благодаря пространственной стабилизации и контролю за поверхностным зарядом помогает предотвратить нежелательное распыление наночастиц. Однако полное уничтожение неспецифических взаимодействий пока невозможно, поэтому потеря частиц все равно происходит: главное здесь — свести эти потери к минимуму.

Прибавление направленных лиганд, обеспечивающих специфические взаимодействия «наночастица — поверхность клетки», может играть значительную роль в конечном размещении наночастицы. Например, наночастицы могут быть направлены в раковые клетки, если их поверхность содержит такие агенты, как синтетические молекулы, пептиды, протеины или антитела. Эти агенты могут связываться с рецепторными протеинами на поверхности раковой клетки, например, с рецепторами трансферрина, количество которых в раковых клетках значительно увеличивается. Эти направленные лиганды позволяют наночастицам связывать рецепторы на поверхности клеток и проникать в клетки с помощью опосредуемого рецепторами эндоцитоза. Недавние исследования по сравнению ненаправленных и направленных наночастиц (на основе липидов или полимеров) показали, что основной целью направленных лиганд является усиление клеточного проникновения в раковые клетки, нежели их накопление в опухоли. Отличительные черты терапии наночастицами при лечении рака. Наночастицы могут быть запрограммированы на длительное или короткое время кругооборота в крови в зависимости от размера и поверхностных свойств. Также они могут быть направлены в определенные типы клеток в тех или иных органах (например, гепатоциты по отношению к клеткам Купфера в печени). В то время как другие типы лекарственных средств от рака, такие как молекулярные конъюгаты (конъюгаты антител) также могут удовлетворять этим минимальным требованиям, направленные наночастицы обладают по меньшей мере пятью свойствами, отличающими их от других противораковых лекарств.

• 1) Наночастицы способны переносить большую нагрузку в виде лекарственного средства и защищать его от распада (наночастица размером в 70 нанометров содержит примерно 2000 маленьких интерферирующих молекул рибонуклеиновой кислоты, в то время как конъюгаты антител содержат менее десяти); вся нагрузка наночастицы сконцентрирована в ней самой, и ее разновидность и количество не оказывают влияния на фармакокинетические свойства и биораспределение наночастиц;
• 2) наночастицы обладают довольно большим размером, чтобы в них могли содержаться множественные направленные лиганды, что способствует многовалентной связи с рецепторами на поверхности клеток;
• 3) наночастицы обладают достаточно большим размером, чтобы переносить различные типы молекул. В то же время с наночастицей могут производиться многочисленные регулируемые терапевтические манипуляции. Как упоминалось в первом пункте, тот факт, что фармакокинетические свойства наночастицы не изменяются в зависимости от количества терапевтического вещества, остается в силе при использовании множества разновидностей лекарственных веществ, сочетающихся внутри наночастицы;
• 4) динамика освобождения молекул лекарственного вещества из наночастицы может быть отрегулирована таким образом, чтобы соответствовать механизму того или иного действия;
• 5) наночастицы обладают способностью преодолевать механизмы устойчивости к лекарствам, включающие поверхностноклеточные протеины.

Некоторые наночастицы, проходящие сейчас клинические испытания, также имеют механизм, позволяющий контролировать высвобождение лекарственного вещества. Эти методики основаны на разрыве химической связи между частицей и лекарственным веществом посредством гидролиза, ферментов, находящихся внутри и вокруг клеток, например, лизоцима, эстеразы, или ферментов, расположенных исключительно внутри клеток, таких как катепсин В.