Направленный транспорт лекарственных препаратов: современное состояние вопроса и перспективы

Одной из ведущих тенденций, проявляющихся в современной фармакологии, является создание систем направленного транспорта лекарств. Предпосылкой к её появлению явилось то обстоятельство, что препарат, введенный в организм традиционными способами, распределяется в нем относительно равномерно, проникая не только в органы-мишени, где он должен проявить терапевтический эффект, но и в другие органы, где действие препарата может носить негативный характер, тем больший, чем большая доза использовалась. При этом лекарственное вещество достигает своих биологических мишеней в концентрации, значительно меньшей по сравнению с необходимой терапевтической, что вынуждает использовать дозы, которые на один-два порядка превышают теоретически необходимые.

Реализация целенаправленного концентрирования лекарственного препарата исключительно или хотя бы преимущественно в зоне, охваченной патологическим процессом, позволяет резко снизить нежелательные реакции организма на медикаментозное воздействие, сократить терапевтическую дозу лекарства и кратность его введения. В связи с этим по эффективности и минимальной токсичности направленный транспорт фармакологических средств сравнивается с «точечным бомбовым ударом».

Для обеспечения направленности действия лекарств предложено использовать регионарное введение препаратов. Примерами подобных методов служат: внутрисуставное введение гормональных препаратов при лечении ревматоидного артрита; введение цитостатиков непосредственно в сосуд, питающий опухоль; внутрикоронарное введение тромболитических ферментов при терапии, вызванного тромбозом инфаркта миокарда. Применение регионарного введения лекарств в перечисленных случаях показало высокую эффективность. В то же время очевидно, что данный подход не может претендовать на универсальность, кроме того, его применение требует наличия достаточно сложной аппаратуры контроля.

Начиная с 70-х гг. XX в. изучается возможность создания систем доставки лекарств непосредственно к патологическому очагу путем связывания молекул лекарственного вещества и неких других молекул (векторов), обладающих тропностью к определенным клеткам (метод «мечения»), а также путем заключения молекул лекарства в «биоактивные» капсулы на основе полупроницаемых искусственных или естественных мембран (метод «упаковки»).

В качестве векторов для доставки лекарственных препаратов рассматриваются гормоны, ферменты, пептиды, антитела, гликопротеиды, гликолипиды, вирусы. Подход с использованием гибридных конструкций (конъюгатов) типа «белковый вектор — химиопрепарат» получил применение в разработке противораковых препаратов. Избирательность действия таких конъюгатов достигается либо за счет наличия на поверхности опухолевых клеток специфических рецепторов, «узнаваемых» векторным белком или антителом, либо за счет значительно более высокого уровня рецепторов векторного белка на поверхности опухолевых клеток по сравнению с нормальными.

Конъюгация препарата с белковым вектором может быть осуществлена с помощью химической сшивки (в простейшем случае — дисульфидная или тиоэфирная связь), полиэтиленгликолевого или полипептидного линкера. В любом случае, способ конъюгации должен удовлетворять двум основным критериям: высокий выход реакции и возможность внутриклеточного расщепления.

Использование в качестве векторов вирусных частиц является одной из основ генной терапии — лечения наследственных, мультифакторных и инфекционных заболеваний путем введения экзогенного генетического материала в клетки пациентов с целью направленного изменения генетических дефектов или придания отдельным клеточным органеллам новых свойств. Вирусы обеспечивают избирательность доставки генетического материала в строго определенные ткани и клетки, поскольку каждый вирус способен репродуцироваться только в клетках определенного типа. Но наряду с несомненными достоинствами вирусные векторы имеют и ряд существенных недостатков. Так, ретровирусные системы способны активировать онкогены и блокировать опухолевые супрессорные гены в инфицированных клетках, аденовирусные системы способны продуцировать токсичные вирусные белки и вызывать сильный иммунный ответ.

Новым направлением в биомедицине является разработка способов адресной доставки лекарств с использованием в качестве векторов различных наноструктур. Показано, что наноразмерные формы углерода (фуллерены, нанотрубки) обладают высокой проникающей способностью по отношению к биомембранам и, что весьма важно, могут преодолевать гематоэнцефалический барьер и являться транспортерами для лекарственных препаратов. В перспективе это может быть использовано для расширения терапевтических возможностей лечения онкологических и нейродегенеративных заболеваний, а также нейроинфекций. Наночастицы золота, наносферы и наностержни, сформированные молекулами золота и никеля, наночастицы железа, обладающие магнитными свойствами, и другие наноструктуры, содержащие металлы, начинают весьма эффективно использоваться при адресной доставке фармакологических средств в клетки.

Для создания систем направленного транспорта лекарств, помимо неорганических наноразмерных частиц, предложено применение биологических и биогенных нанотранспортных средств. На основе комплексов белков с нуклеиновыми кислотами сегодня конструируются бионаномашины, способные выполнять важные биологически целесообразные «задания», в том числе корректировать течение патологических процессов в организме. Например, для коррекции метаболизма и цитокиновой активности макрофагов в зоне ишемии при остром инфаркте миокарда используются инженерные наноконструкции, построенные из полиаргинингуанидиндеривата, антибиотика и б-2-макроглобулина, связывающегося с так называемыми рецептор-родственными белками (LRP-рецепторами) на клеточной поверхности. Несомненно, что применение векторов на основе наночастиц для направленного транспорта лекарств является весьма перспективным направлением исследований, однако сегодня оно находится лишь на начальной стадии развития. Кроме того, остается открытым вопрос о возможных побочных эффектах применения наночастиц в биомедицине.

Для создания лекарственных форм, способных избирательно доставляться к органам-мишеням, разработаны подходы, основанные на пространственном отделении лекарственного препарата от внешней реакционной среды путем помещения его в искусственные микрои наноконтейнеры. Одним из первых способов, предложенных для достижения данной цели, явилось создание липосомальной формы лекарственных препаратов. Липосомы представляют собой искусственно получаемые сферические частицы диаметром от 20 нм до 50 мкм, образованные из одного или не скольких бимолекулярных слоев фосфолипидов и содержащие внутри воду или раствор.

Для повышения тропности липосом к определенным органам и тканям их изготавливают из фосфолипидов и гликолипидов, изолированных из этих органов. Наилучшим гликолипидом для липосом в отношении их переноса в ткани головного мозга и печени является сульфатид, в ткани селезенки — ганглиозиды, в ткани легких — сфингомиелин. Человеческий б-интерферон, иммобилизованный в липосомы, мембрана которых построена из фосфатидилхолина, холестерина и сульфатида, после внутрибрюшинного введения в большей степени обнаруживается в крови, печени, селезенке и опухолевой ткани мозга.

На данный момент разработаны липосомальные формы противоопухолевых препаратов, таких как доксорубицин, метотрексат, винбластин, актиномицин, L-аспарагиназа, а также ряда пептидов, полиеновых антибиотиков, бычьего инсулина, противовоспалительных кортикостероидных препаратов — кортизона, гидрокортизона, дексаметазона. Весьма перспективным выглядит использование липосомальных форм препаратов для лечения внутриклеточного паразитизма (лейшманиоз, малярия, токсоплазмоз). Экспериментальным путем установлено, что липосомальная форма сурьмы подавляет размножение лейшманий в клетках печени в сотни раз эффективнее, чем обычная, при этом токсическое действие препарата существенно снижается. Актуальной представляется проблема инкапсулирования в липосомах и внутриклеточного введения нуклеиновых кислот.

В то же время липосомальные системы транспорта имеют ряд существенных недостатков, к основным из которых можно отнести быструю деградацию в кровеносном русле, доступность для лизиса клетками ретикулоэндотелиальной системы, а также малое количество транспортируемого соединения, ограниченное внутренним объемом липосомы. Липосомы могут блокировать легочные капилляры, вызывать повышение уровня глюкозы в крови, приводить к нарушению свертываемости крови и обмена холестерина. Широкое применение липосом сдерживается высокой стоимостью липосомальных форм лекарственных средств.

В качестве контейнеров для препаратов с противовирусной, противораковой и антибактериальной активностью предлагается использовать наноразмерные структуры: фуллерены и углеродные трубки. Уникальные свойства фуллеренов обусловлены их высокой реакционной способностью за счет большого количества свободных валентностей углерода. Одним из способов их введения в организм является инкапсуляция в липидную везикулу. Однако для применения в биомедицине чистые фуллерены малопригодны в силу их нерастворимости в водных растворах и, как следствие, ограничений по используемым концентрациям. Функционализация фуллеренов делает эти соединения биодоступными и, следовательно, более эффективными для исследований в биосистемах. Производные фуллерена C₆₀ являются перспективными реагентами широкого спектра действия, обладающими нейропротекторным и антибактериальным действием, а также способностью ингибировать протеазу ВИЧ-1.

Углеродные нанотрубки обладают повышенным сродством к липидным структурам. Кроме того, они способны образовывать стабильные супрамолекулярные комплексы (ансамбли) с пептидами и нуклеиновыми кислотами и инкапсулировать эти молекулы. Данное свойство определяет использование нанотрубок в области создания систем доставки вакцин и генетического материала. Как и в случае с фуллеренами, функционализация нанотрубок повышает эффективность их использования в качестве контейнеров. Углеродные нанотрубки, поверхность которых была модифицирована аммонийными группами и остатками аминокислоты лизина, успешно использовали для доставки плазмидной ДНК pCMV-Bgal, экспрессирующей в-галактозидазу, в клетки млекопитающих.

Как эффективные средства для доставки лекарственных средств выступают нанокомпозитные полиэлектролитные капсулы. Для их получения применяется метод полиионной сборки, заключающийся в последовательной адсорбции противоположно заряженных молекул полиэлектролитов на поверхности коллоидных частиц с последующим растворением и удалением исходного темплата. При помощи данного метода могут быть получены капсулы, отличающиеся широким диапазоном размеров (от 50 нм до 50 мкм) с возможностью выбора в качестве материала оболочки практически любых синтетических и природных полиэлектролитов, липидных бислоев, неорганических наночастиц (к примеру, наночастиц серебра, золота или оксида железа (II)) и ионов многовалентных металлов; с контролируемой толщиной и многофункциональностью стенок капсулы; их контролируемой проницаемостью для любых низкои высокомолекулярных соединений. В состав оболочек таких микрокапсул на этапе синтеза вводят неорганические наночастицы магнетита Fe₃O₄ с сильно выраженными магнитными свойствами, что позволяет управлять движением капсул при приложении внешнего магнитного поля.

Отдельным направлением, сформировавшимся в результате изучения возможности транспортировки лекарств к патологическому очагу, является разработка систем доставки, в которых в качестве носителей используются естественные контейнеры — форменные элементы крови человека или животных, не покрытые соответствующими антителами к клеткам-мишеням. Методы, предполагающие использование аутоклеток крови для модификации их свойств с целью создания внутриклеточного депо препарата и осуществления направленного транспорта, объединяют под общим названием «экстракорпоральная фармакотерапия». Получаемые при этом клетки обозначаются термином «фармакоциты». Подобные системы доставки наиболее выгодны с точки зрения их биологической совместимости.

С позиции экстракорпоральной фармакотерапии наиболее перспективным представляется использование в направленном транспорте эритроцитов — самых многочисленных клеток крови с целым рядом желательных морфологических и физиологических характеристик. Достоинствами эритроцита как носителя лекарственных препаратов являются: высокая степень биологической совместимости, особенно при использовании аутологичных клеток; способность к биологическому разложению и как следствие отсутствие токсических продуктов деградации; длительность циркуляции в кровотоке, существенно превышающая аналогичные показатели для искусственных носителей; возможность загрузки широкого спектра фармакологических препаратов; относительно инертная внутриклеточная среда, защищающая поставляемый препарат от инактивации эндогенными факторами; простота получения из крови в количестве, необходимом для загрузки терапевтической дозы препарата.

Относительным недостатком применения эритроцита в качестве микроконтейнера для направленного транспорта лекарств является его сравнительно большой объем (около 90 мкм³), исключающий проникновение эритроцита в ткани и тем самым ограничивающий область его избирательной доставки только мишеням, доступным для кровотока. Недостатком эритроцитов по сравнению с другими носителями можно считать и постоянство их свойств.

Реализацию терапевтического эффекта лекарственного средства, заключенного в эритроцит, связывают с его медленным высвобождением в процессе циркуляции и непосредственно целенаправленным поступлением к клеткам ретикулоэндотелиальной системы. В последнем случае модифицированные эритроциты захватываются и лизируются преимущественно макрофагами селезенки и печени, создавая в этих органах высокие локальные концентрации препарата. Эритроциты с минимальным уровнем повреждений разрушаются большей частью селезенкой. Носители со значительной степенью повреждений разрушаются преимущественно печенью. В то же время указывается, что эритроцитам принадлежит главная роль в обеспечении эффекта направленности доставки лекарств и в легочную ткань. Будучи измененными в процессе экстракорпоральной обработки, эритроциты секвестируются в капиллярах малого круга кровообращения, что обеспечивает повышение концентрации препарата, ассоциированного с клетками, в ткани легких.

Включение в эритроциты фармакологических агентов может быть осуществлено различными методами: 1) самым распространенным является гипоосмотический лизис, при использовании которого эритроциты помещают в солевой раствор пониженной ионной силы. Лизису предшествует набухание клеток до достижения критического объема и давления. При этом мембрана эритроцита лопается с образованием пор, которые в зависимости от условий могут иметь размеры от десятков ангстрем до 1,0−2,0 мкм. Через образовавшиеся поры вещества, подлежащие включению, поступают из внешней среды внутрь эритроцитов. При восстановлении тоничности раствора до исходного уровня целостность поврежденной мембраны эритроцитов может восстанавливаться. Нагруженные подобным способом эритроциты способны длительно циркулировать в кровотоке. В то же время выход из клеток большей части содержимого в ходе гемолиза приводит к образованию так называемых «теней» эритроцитов, которые in vivo достаточно быстро уничтожаются фагоцитами. Метод гипоосмотического лизиса при получении эритроцитарных контейнеров используется в нескольких модификациях, включая диализный метод, при котором в эритроцитах в наибольшей степени сохраняются аденозинтрифосфат (АТФ) и цитоплазматические ферменты, что обеспечивает высокий выход жизнеспособных «запечатанных» клеток. 2) Для загрузки лекарственных препаратов в эритроциты также применяется метод электропорации. При этом суспензию эритроцитов вместе с включаемым веществом в изотоническом растворе помещают в пульсирующее электрическое поле напряженностью до 20 кВ/см при длительности импульсов от нанодо микросекунд. Превышение трансмембранного потенциала критической величины 1 В приводит к временному образованию пор в клеточной мембране. В соответствующей среде перфорация клеток идет без гемолиза, позволяя готовить эритроцитарные контейнеры, длительно живущие in vivo. Преимуществом метода является возможность инкапсулировать нерастворимые в цитоплазме компоненты. 3) Ряд биологических веществ может быть включен в эритроциты при индукции эндоцитоза. Суть этого способа в том, что под действием определенных фармакологических агентов происходит инвагинация (впячивание) участка мембраны эритроцита с последующим образованием в цитоплазме мембранных пузырьков с внеклеточным содержимым. Кроме того, многие препараты способны включаться внутрь эритроцитов и по обычным транспортным механизмам. Выход таких лекарств из носителей, введенных в кровеносное русло, может быть задержан на часы, сутки и даже недели, что делает возможным пролонгирование эффекта. Высвобождение препаратов из эритроцитарных носителей осуществляется тремя различными путями. Первый — это простая диффузия препаратов через мембрану, характерная для липофильных соединений (метотрексат, цианокобаламин, дексаметазон). Второй — активный транспорт препаратов через мембрану с вовлечением специфических механизмов. Третий — выход препаратов из клеток-носителей в результате разрушения последних, что свойственно лекарственным препаратам с высокой полярностью (гентамицин, гепарин, аспарагиназа, пептиды). В то же время такое подразделение весьма условно, поскольку разрабатываются способы модификации мембраны эритроцитов, а также комплексы препаратов с другими молекулами, что ведет к изменению особенностей высвобождения препарата из клетки.

Другим направлением в экстракорпоральной фармакотерапии является использование аутолейкоцитов. Механизм действия лейкоцитарных носителей связывают со следующим: после насыщения лекарственными веществами и возврата в кровоток лейкоциты за счет хемотаксиса мигрируют непосредственно в очаг воспаления, где путем стимулированного экзоцитоза или после своего разрушения высвобождают пиноцитированный во время инкубации лекарственный препарат. Из-за замедленного выделения препарата из лейкоцитов в сосудистом русле значительно удлиняется, по сравнению с обычным введением, период сохранения в крови эффективных терапевтических концентраций. Проведение направленного транспорта в данном случае обеспечивается получением лейкоцитов при помощи цитафереза. Применение направленного транспорта антибиотиков в аутологичных лейкоцитах в комплексном лечении больных с острыми воспалительными заболеваниями почек позволяет значительно уменьшить частоту гнойно-септических осложнений, сократить длительность стационарного лечения. Для повышения фиксации антибактериальных препаратов клетками облучалась лейковзвесь гелий-неоновым лазером с длиной волны 633 нм.

Наконец, в качестве варианта своего развития технология адресной доставки фармакологических средств рассматривает использование аутогенной клеточной массы крови, получаемой в ходе плазмафереза. Выявлена способность таких препаратов, как фторхинолоны, рифампицин, клиндамицин, тетрациклины и хлорамфеникол, концентрироваться внутри клеток. Для улучшения связывания антибиотика с форменными элементами крови и создания устойчивого комплекса «препарат — носитель» было предложено дополнительно инкубировать полученную в результате отделения плазмы крови цитовзвесь с корректором связывания — АТФ, изменяющим микровязкость мембран клеток и способствующим более выраженному насыщению клеток препаратом. При применении методики реинфузии клеточной массы крови с антибиотиками (цефалоспоринами, фторхинолонами) и даларгином при лечении людей, больных панкреонекрозом, отмечено повышение концентрации препаратов в очаге поражения, снижение эндогенной интоксикации, положительные сдвиги клеточного и гуморального иммунитета, уменьшение побочных воздействий лекарственных средств на организм.