Медицинские применения нанотехнологии

Нанотехнологии в фармации

Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты. Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты. В 1959 году знаменитый американский физик-теоретик Р. Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 году никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». Медицина и фармацевтика — одни из важнейших практических приложений работы нанотехнологов, потому что описанный выше мир — мир этих научных дисциплин. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур — клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (к которым следует отнести и наночастицы) в медицине была высказана Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции «Там внизу — много места». Но только в последние годы, предложения Фейнмана приблизились к реальности, хотя, отметим, они ещё далеки от предложенного им микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца, произвести там операцию на клапане, а также выполнить целый набор подобных процедур, поражающих воображение. Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микрои нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микрои наноустройства различной степени автономности Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микрои нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы;микрои наноустройства различной степени автономности. То есть, «нано» (греч. — миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 10−9 м, что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение «наночастицы», попадают практически любые надмолекулярные комплексы, то есть, образования как «малых», так и огромных органических молекул (по современной терминологии — «хозяин») с ионными либо ковалентно построенными молекулами. Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции. Эти представления сегодня требуют предельной конкретизации. В своем обзоре, опубликованном буквально несколько дней назад исследователи из США и Франции настаивают на пересмотре термина «наночастица». Они считают, что назрела необходимость более точной систематизации этих частиц для дальнейших исследований и практического применения в различных областях. С такой точкой зрения нельзя не солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее. Что же это такое — нанотехнологии в фармацевтике? Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug — лекарственный препарат, design — проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты — лекарство и мишень являются молекулярными объектами. Основные понятия, используемые в драг-дизайне — это мишень и лекарство. Мишень — это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определённой функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определённое воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени — это рецепторы и ферменты. Лекарство — это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью. Если в качестве мишени выступает рецептор, то лекарство будет, скорее всего, его лигандом, то есть соединением, специфическим образом взаимодействующим с активным сайтом рецептора. Например, F1-аденозинтрифосфатаза (F1-АТФаза), относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. Диаметр молекулы фермента составляет 10−12 нм. Супрамолекулы — это ассоциаты двух или более химических частиц, связанных межмолекулярными нековалентными связями из обладающих геометрическим и химическим соответствием (комплиментарностью) фрагментов. Перегруппировка молекул приводит к разнообразию их комбинаций. Такие системы являются предметом изучения супрамолекулярной химии (этот термин предложен нобелевским лауреатом Ж.-М. Леном) и химии «хозяин-гость», и еще мало исследованы, хотя на их основе уже созданы новые материалы с уникальными свойствами. Например, использование пористой структуры, играющей роль «хозяина» (а в других случаях, эту роль обычно выполняет органический лиганд), позволяет обратимо разместить «гостя» наноразмерного масштаба для избирательного транспорта и выделения лекарственных веществ. Хотя бытует мнение о том, что нанообъектом следует считать любой объект, размер которого хотя бы по одному их измерений будет меньше 100 нм, в обзоре, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследователи настаивают на введении более жёсткой классификации. В этих терминах, взаимодействие таргетных лекарственных препаратов (размеры 1−10 нм) с биомишенью (белок или система белков, размерами до 100 нм), дает комплекс «лиганд-биомишень» по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой. Несомненно также, что и сами компоненты такой системы есть структурные объекты нанотехнологии. Продолжая эти рассуждения, напомним, что терапевтическое наноразмерное воздействие таргетного препарата на биомишень может осуществляться только при условии образования супрамолекулярной наносистемы"лиганд-биомишень" и лишь в во время существования последней. То есть, разработка таргетных лекарственных препаратов попадает под данное выше определение нанотехнологии, так как, в основемеханизма их действия лежит целенаправленное взаимодействие с биомишенью, ответственной за болезнь. Именно это взаимодействие в наномасштабах, реализующееся посредством нековалентной (а координационной, в то числе, водородной) химической связи между препаратом и белком которое изучается при разработке, и определяет избирательность, эффективность и более низкую токсичность таргетных препаратов сравнительно с предыдущим поколением лекарств, то есть улучшает потребительские свойства. Более того, во время своего существования, система «лиганд-биомишень» по всем своим характеристикам является биомашиной, а результатом её работы будет модификация болезни. Таким образом, к. п. д. нанобиомашины зависит от силы и продолжительности связывания компонентов обсуждаемого комплекса, что, для постоянной мишени, зависит исключительно от свойств инновационного таргетного препараталиганда. Тогда, формализуя понятия, можно утверждать, что нанотехнологии в фармацевтике — это совокупность методов и приёмов изучения, проектирования, производства и использования, основными этапами которых следует считать:

• — биологический скрининг, то есть, поиск активных молекул (1−10 нм), взаимодействующих с биомишенью (белок или система белков, размером до 100 нм).
• — изучение механизма действия (поиск биомишени и выявление механизма взаимодействия с ней активной молекулы).
• — компьютерный дизайн потенциально активных соединений, путем расчёта энергий взаимодействия молекул-кандидатов и биомишени (белка) на расстоянии нескольких нанометров, то есть расчёт возможных структур и положений молекул, соответствующих минимальной энергии такого взаимодействия (динамическое моделирование которого занимает примерно 24 часа на суперкомпьютере мощностью около 200 терафлопс).
• — целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих наномасштабных элементов («лиганд-биомишень», около 1−100 нм), что приводит к улучшению либо появлению дополнительных эксплуатационных иили потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов (повышение эффективности, биодоступности, уменьшение токсичности и побочных эффектов получаемых инновационных лекарственных препаратов).
• — производство наноразмерных готовых лекарственных форм (липосомальные формы, биодеградируемые полимеры, наночастицы для направленного транспорта и т. д.).
• — применение таргетных инновационных препаратов, обеспечивающее наноразмерное воздействие на биомишень, что приводит к терапевтическому эффекту. Системы доставки биологически активных веществ.

Наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул.

• 1- липосома и аденовирус;
• 2 — полимерная наноструктура;
• 3 -дендример;
• 4 -углеродная нанотрубка.

Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно из-за своей простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости отего молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Бактерии как нанобиомашины, доставляющие лекарства. Уже доказано, что бактерии можно использовать в качестве средства точечной доставки лекарств к больным тканям. Специалисты запустили в кровяную систему крысы бактерии MC-1. Эти бактерии способны быстро двигаться за счёт вращения своих жгутиков, но кроме того, они содержат магнитные наночастицы, что делает их чувствительными к магнитному полю и заставляет двигаться вдоль силовых линий. Исследователи считают, что прежде чем пытаться создавать искусственные наномашины, способные продвигаться по телу человека, следует обратить внимание на уже существующие создания природы. Наносферы и нанокапсулы относятся к семейству полимерных наночастиц. Если наносферы являются цельными матрицами, на полимерной поверхности которых распределяется активное вещество, то в нанокапсулах полимерная оболочка образует полость, наполненную жидкостью. Вследствие этого, активное вещество выделяется в организм по различным механизмам — из наносфер высвобождение носит экспоненциальный характер, а из нанокапсул — происходит с постоянной скоростью в течение длительного времени. Полимерные наночастицы можно получить из естественных либо синтетических полимеров, каковыми являются полисахариды, полимолочная и полигликолевая кислоты, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его аналоги, и др. Полимерные материалы характеризуются набором ценных свойств для лекарственного транспорта, как биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а «ветвящееся» строение. Первый образец был получен ещё в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в 80-е годы. Термин «дендримеры» появился раньше, чем «нанотехнология», и первое время между собой они не ассоциировались. Однако, в последнее время, дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических и наномедицинских применений. Дендримеры являются уникальным классом полимеров, поскольку их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе, что крайне важно для нанопереносчиков. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательные конвергентную и дивергентную полимеризации (в том числе, используя методы пептидного синтеза), задавая, таким способом, характер ветвления. Типичными мономерами, используемыми в синтезе, служат полиамидоамин и аминокислота лизин. «Целевые» молекулы связываются с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверхностью либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями. Кроме того, на поверхности дендримеров можно стереоспецифически расположить необходимые функциональные группы, которые с максимальным эффектом будут взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel — гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. В 1991 году, снова — совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок Среди углеродных наночастиц, образованных только атомами углерода, наиболее широко распостранены фуллерены и нанотрубки, которые можно получить с помощью разнообразных химических или физико-химических 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 не только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Главная особенность — их каркасная форма: молекулы выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». нанотехнология медицина молекула лекарство Самая знаменитая из углеродных каркасных структур — это фуллерен С60, абсолютно неожиданное 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 либо более тяжелых фуллеренов: начиная от С20 — и до С70, С82, С96 и выше.

На основе фуллеренов разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных. В 1991 году, снова — совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Они характеризуются разнообразием форм: большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные; уникальной прочностью, демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Вообще-то нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для транспорта многих химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Для нужд медицины нанотрубки обладают важным повышенным сродством к липидным структурам, они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами и, даже инкапсулировать эти молекулы. Совокупность указанных свойств обуславливает их применение в виде эффективных систем доставки вакцин и генетического материала. К неорганическим наночастицам, одному из важнейших классов нанопереносчиков, относятся соединения оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). Часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность (и, в частности, высвобождение терапевтического агента) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля.

В случае гетерогенных твёрдофазных композитов, например, наночастиц металла на поверхности пористого носителя, вследствие их взаимодействие появляются новые свойства. Самыми распространенными платформенными технологиями являются микрокапсулирование, а также технологии получения матричных, многослойных, оболочечных таблеток и капсул. Например, в России разработаны и сейчас патентуются платформенные технологии создания наноразмерных комплексов действующих веществ с биосовместимыми и биодеградируемыми синтетическими и природными полимерами. Наноформулировка может приводить к увеличению активности препарата в 2−4 раза, а также к появлению более выраженных терапевтических свойств. В ряде случаев уже ведутся доклинические исследования известных лекарств в новых наноупаковках. Платформенные технологии контролируемого высвобождения лекарств актуальны для направленной доставки высокотоксичных противоопухолевых лекарственных веществ. Традиционные онкологические препараты равномерно распределяются по всему организму: попадают в очаги болезни и в здоровые органы.

Проблему можно решить при помощи — направленной доставки лекарственного вещества вместе с биодеградируемым полимером — тогда лекарство высвобождается не моментально, а по мере деградации полимера. Но есть ещё более продвинутые методы целевой доставки лекарства при помощи наночастиц генетического материала, ДНК или РНК. Частицы размером около 200 нанометров или немного меньше, могут выйти из кровотока только в местах воспаления — там, где у капилляров расширены поры. Во время путешествия по кровотоку наночастицы могут обрастать белками плазмы крови, их поглощают иммунные стражи — макрофаги. Для продления срока пребывания наночастиц в организме к ним прикрепляют полимерные цепочки. Еще один вариант — прикрепление к наночастице антител опухолевых клеток, которые знают дорогу к мишени, и антибиотика, который уничтожит злокачественное образование. Например, учёные конструируют липосомный противораковый препарат, в котором термочувствительные липосомы завернуты в полимер и снабжены антителами, определяющими «адрес доставки».

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали рутинной процедурой, но сама методика практически не изменилась за последнее столетие. На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через кожу, к присутствующим там иммунным клеткам. Показано, что использование малых наночастиц (всего 40 нм) позволяет доставлять антигены непосредственно через волосяные фолликулы. В то же время, системы доставки активных веществ сегодня связаны с рисками, то есть побочными эффектами. Недаром, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba и некоторые другие крупные компании связали свои дальнейшие разработки в этом направлении только с биологически расщепляемым наноносителями.