Наномедицина: достижения и перспективы развития новейших технологий в диагностике и лечении

Термин «нанотехнология» является производным от слова «нанометр» или миллимикрон – единица измерения, составляющая 1 миллиардную часть метра (10-9 м). Этот размер является очень важным потому, что при таких масштабах главную роль играют квантово-механические свойства электронов и фотонов, а также взаимодействие атомов внутри материи. В этом случае структуры нанометрового размера могут управлять фундаментальными свойствами материалов, не изменяя при этом их химические особенности. Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) определены следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки, нановолокна, нанодисперсии (коллоиды), наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллы и нанокластеры.

Непосредственно наночастица диаметром 5-100 нм состоит из 103-106  атомов. Нитевидные и пленочные частицы могут содержать значительно больше атомов и имеют даже два линейных размера, но их свойства остаются характерными для вещества, имеющего  нанокристаллическую структуру. Соотношение линейных размеров наночастиц позволяет рассматривать их как одно- двух- или трехмерные (соответственно 1D-, 2D- и 3D-наночастицы). Их, как правило, называют наностуктурами.

Составляющими наноматериалов могут быть неорганические соединения (металлы, производные углерода и другие) и органические, в том числе и природные (белки, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты). Последние составляют один из разделов нанотехнологий – нанобиотехнологию или биомолекулярную нанотехнологию.

Медицинские дополнения нанотехнологий способствовали возникновению нового научного направления – наномедицины. Она охватывает такие разделы как слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с помощью разработанных наноустройств и наноматериалов, позволяющих выполнять операции от диагностики и мониторинга до уничтожения патогенных микроорганизмов, восстановления поврежденных органов, поставку необходимых веществ организму.

Такое межотраслевое направление медицинской науки пока существует в качестве проектов, хотя большинство экспертов считают, что предложенные методы станут общедоступными уже в этом столетии. Так, например, Американский Национальный институт здоровья включил наномедицину в пятерку наиболее приоритетных отраслей развития медицины будущего.

На третьей годовой конференции участников Американской Академии наномедицины, состоявшейся в 2005 г. обозначены основные направления наномедицины: базовая, клиническая, диагностическая, инженерная, экспериментальная, генетическая, фармакологическая, токсикологическая, этическая и социальная наномедицина. Такая классификация несколько условна, так как соответствует современным отраслям медицины, но с приставкой нано. Публикации по проблемам наномедицины можно найти в различных изданиях медико-биологической, химической, физической и инженерной литературы. В последнее время появились и узкоспециализированные издания: Nanomedicine и Nanomedicine: nanotechnology, biology and medicine.

По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation объем рынка товаров и услуг с использованием нанотехнологий может составлять 1 трлн. американских долларов в ближайшие 10-15 лет. Мировой рынок наноприборов будет расти в среднем на 28% в год.

Биомаркеры и диагностикумы

Быстрая и высокочувствительная диагностика – залог надежной терапии заболеваний. Внедрение таких нанотехнологий, как оптико-биосенсорные, атомно-силовые, нанопоровые и нанопроводящие, позволяет существенно повысить чувствительность и точность диагностических манипуляций и сократить срок их проведения. Соответствующие достижения в этой области наномедицины связаны с двумя направлениями: 1) внедрение наноматериалов (биомаркеров) в протеомику и геномику; 2) визуальная диагностика клеточных структур.

Концентрационный предел при количественной оценке белковых молекул в биологическом материале, который существует, сейчас составляет 10-12, а методы радиоимунного и иммуноферментного анализа – 10-12-10-15 М. Использование нанотехнологических методов анализа белков и их комплексов уже в настоящее время позволяет проводить измерения в широком диапазоне (от 10-3 до 10-20 М). Преимущество метода заключается в том, что такое определение становится возможным для многокомпонентных белковых смесей. Все это становится доступным благодаря использованию нанотехнологий в электрофоретических и хроматографических методах разделения. Так, с помощью наноэлектрофореза разделение сложной смеси, вмещающей 20 белков с молекулярной массой 10-100 кДа осуществляется за 15 с, в отличие от нескольких часов для обычного 2-D-электрофореза.

Одним из способов выделения и концентрации белков из сложных смесей является их селективный захват и концентрация на поверхности нанобиорастворов за счет биоспецифического межмолекулярного взаимодействия. Это явление получило название биоспецифического фишинга. Большинство биосенсоров, относящихся к классу оптических, построены по такому принципу. Они используют эффекты поверхностного плазмонного резонанса и резонансного зеркала. Эти приборы позволяют в течение нескольких секунд зарегистрировать создание комплексов макромолекул с высокой концентрационной чувствительностью (до 10-12 М). Серийными представителями этой группы научных приборов являются 4-канальные SPR-биосенсоры BIAcore (Швеция). В ближайшее время готовится к внедрению многоканальный биосенсор (SPR-FLExchip, BIAcore), что позволяет регистрировать комплексообразования сразу в 400 каналах. Для определения белок-белковых взаимодействий используются также акустические биосенсоры, принцип действия которых основан на эффекте изменения акустических свойств нанорезонаторов в условиях увеличения массы вещества на их поверхности.

К молекулярным детекторам, которые могут анализировать отдельные молекулы и их комплексы относят криомас-детекторы нанопроводные и нанопор детекторы. Анализ такой молекулы дает более весомую информацию, чем при исследовании смеси молекул. Одиночные молекулы являются локальными репортерами микроокружения, что важно при изучении гетерогенных систем, в которых индивидуальная молекула находится в различных конформационных состояниях, что связано с самосборкой и ферментативной активностью. Например, с помощью волноводной техники есть возможность наблюдать ДНК-полимеразную активность одной молекулы.

В последнее время созданы криомасдетекторы, в которых чувствительным элементом является многокомпонентные наноструктурированные пленки, разделенные оксидным слоем, охлажденным до 0,1 К°. Устройство позволяет регистрировать и идентифицировать одинокие белковые молекулы с молекулярными массами от 2 до 200 кДа без предварительного проведения трипсинолиза. Принцип метода основан на преобразовании кинематической энергии молекулы в тепловую, что имеет место на криодетекторе.

В медицинской диагностике широкое распространение имеют биологические наносенсоры, состоящие из полупроводниковых нанотранзисторов, изготовленных из нанопроволоки толщиной в несколько атомов, расположенных на тонкой платформе. На поверхность нанопроволоки наносят белки-антитела, способные специфически связывать белки-антигены или вирусы. Межмолекулярное взаимодействие регистрируется за счет изменения электрической электропроводности. С помощью такого транзистора есть возможность анализировать даже одну вирусную частицу.

Одним из важных направлений нанодиагностики является ранняя диагностика рака. Реализация этого проекта связана с созданием наносенсоров на основе дендримеров. Их получают путем контролируемой самосборки мономеров, которые определяют в дальнейшем свойства полимера (оптические, магнитные или химические) и высокое сродство к соответствующим молекулам. Таким образом разработан метод определения раковых клеток, основанный на введении в лимфоциты наносенсоров сферической формы со специальным флуоресцентным покрытием. Интенсивность флуоресценции отражает изменения, происходящие при иммуном ответе лимфоидных клеток. Для усиления чувствительности иммунотестов используются конъюгаты антител в виде нанокапсул с золотым покрытием.

Кроме антител и белков, зондами в наночипах могут быть олигонуклеотиды, фрагменты ДНК и РНК. Приоритет при этом принадлежит одноцепной ДНК (их доля составляет 94%). Принцип работы такого наночипа базируется на взаимодействии комплементарных олигонуклеотидов исследуемого биологического образца и зонда на чипе. Использование ДНК-чипов позволяет выявить в организме пациента наличие соответствующей последовательности ДНК вирусов, бактерий, опухолевых клеток.

За последние годы существенно увеличилось число исследований по анализу отдельных молекул, выполненных с помощью атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов. Общим для них является наличие атомно острого инструмента – зонда, который способен выполнять несколько операций. Его с помощью трехкоординатного пьезоманипулятора можно с большой точностью передвигать в непосредственной близости от исследуемой поверхности. Такая точность, в некоторых случаях достигает тысячной доли нанометра. Острая часть зонда взаимодействует с отдельными атомами, которые в свою очередь зависят от макрогеометрии поверхности.

В туннельном сканирующем микроскопе между зондом и исследуемой поверхностью подается небольшая сила (~ 1пА) туннельного тока. Он фиксируется электроникой и запоминается компьютером. Сканирование пьезоманипулятором поверхности образца дает возможность собрать информацию о ней от точки до точки. Затем по соответствующей программе компьютер строит из точек изображения поверхности. Термин «изображение» в данном случае следует понимать как условный визуальный образ, дающий представление о свойствах поверхности (ионометрические, электрические, химические, эмиссионные и т.п.) в удобной для человека форме.

Другой способ изучения поверхности базируется на регистрации силы тяжести (силы Ван-дер-Ваальса, магнитные, электростатические) между острой частью зонда и небольшой частью поверхности. Анализ проводится с помощью лазерного пучка света. Такой вид микроскопии называют атомно-силовым. Представленная технология позволяет визуализировать белки в условиях близких к нативных (например CYP450, встроенного в липидный слой). Воплощение идеи нашло отражение в уже существующих атомно-силовых микроскопах фирм: SOLVER (nT-MDT, Россия) и Nanoscope (Digital Instruments, США). С их помощью визуализированы широкий спектр водорастворимых белков (иммуноглобулины, ферритин, фосфорилаза, фосфорилпротеинкиназа) и их комплексов. Продемонстрирована возможность обнаружения не только бинарных, но и тройных комплексов мембраных белков и регистрация иммунокомплексов антиген/антитело.

Широкое распространение в диагностике приобретают полупроводниковые нанокристаллы (2-100 нм), имещие уникальные оптические и электрические свойства. В англоязычной научной литературе они получили название Quantum dots (Qds) – квантовые точки. Для медицинских исследований используют Qds, которые содержат ядро, ​​окруженное оболочкой из биосовместимого покрытием, ответственным за специфическую биоактивность. В целом, Qds в медико-биологических исследованиях используют в следующих случаях: 1) специфической маркировки клеток и тканей (конъюгаты с антителами); 2) Western Blot-анализов; 3) визуализации в опытах in vivo. Например, Qds связанные с антителами «узнают» ДНК-последовательности, имеющие раковые мутации; 4) получение фармакокинетических параметров биологически активных соединений; 5) экспресс-определение активности ферментов, рецепторов и антигенов; 6) идентификации метастазов.

Среди биологических наночипов, используемых для диагностики соматических и инфекционных заболеваний, есть первые представители портативных приборов. В США функционирует наноцитометр – это карманное устройство, которое быстро определяет болезнь, тестируя одну каплю крови с помощью картриджа. Оно состоит из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами. Считают, что этот прибор необходим людям, страдающим лейкемией, болезнями предстательной железы или молочной железы. Он также способен на ранних стадиях диагностировать раковые заболевания.

Внедрен в медицинскую практику микросенсор для анализа содержания глюкозы и инсулина в крови. Миниатюрное устройство (8х5 мм) представляет собой чип, который вживляется в тело пациента, и регистрирует уровень сахара в крови. Это осуществляется за счет преобразования биохимической реакции в электрический сигнал.

Наноматериалы также нашли широкое применение в модификациях уже известных диагностических аппаратах (ЯМР-томографов, УЗИ, сиквенис-анализаторов ДНК и т.д.), что делает их более чувствительными и информативными.

Клиническая и профилактическая наномедицина

Предполагается, что в терапии наиболее существенные достижения будут иметь место в регенеративной медицине и при решении проблем доставки препаратов непосредственно к месту болезни, что позволит увеличить их эффективность и минимизировать побочные действия. Разработка наноматериалов и медицинских приборов на их основе для терапии заболеваний охватывает практически все направления медицины (кардиология, неврология, эндокринология, пульмонология, онкология и т.д.). Наиболее интересными на нашей взгляд является наноустройства, в которых предусмотрен переход от отдельных элементов и их сборки к включению в один прибор сенсорной, логико-аналитической, передвижной и исполнительной функций. Первый шаг в этом направлении сделан – созданы микро-нано-электромеханические системы (MEMS/NEMS). Они состоят из нанозонда (по аналогии с атомно-силовым микроскопом), который размещается на одном чипе вместе с нанонасосом, в результате чего формируется химическая лаборатория (наноробот), на пластинке площадью 1 см2. Уже существуют анализаторы, имитирующие функции носа и искусственного языка для аттестации пищевых продуктов.

Министерство обороны США финансирует создание умной пыли (smart dust), то есть нанороботов, которые могут проникать во все щели, каналы связи, создавать собственную сеть, собирать и передавать информацию, проводить специальные операции. Предлагаются и более гуманистические проекты – создание микроробота «врача», в котором совместятся функции диагноста, терапевта и хирурга. Они будут передвигаться в кровеносной, лимфатической или других системах человека. Уже созданы образцы таких роботов и их называют ассемблерами или репликаторами. Их функциональные узлы имеют размеры около 1 мм и есть надежда на их уменьшение до микронного и субмикронного уровней. Собираться они будут из наночастиц общим размером 0,5-3 мкм (три микрона – минимальная величина капилляров). Нанороботы, которые будут находиться в тканях, могут иметь размер от 50 до 100 мкм, а те которые будут предназначены для функционирования в бронхах, могут быть еще больше. Они будут сконструированы на базе углерода потому, что его производные обладают значительной прочностью и химической инертностью. Их использование, порядок, время работы и выведения из организма будут зависеть от конкретных задач. Основными источниками энергии питания нанороботов будет использование глюкозы или аминокислот, которые локализованы в теле человека. Управление нанороботами будет осуществляться акустическим путем или по командам компьютера.

Один из простых нанороботов, который разработал в свое время Роберт Фрейтас, получил название «респироцита» (искусственная красная кровяная клетка). Его размер 1 микрон в диаметре, изготовлен из 18 биллионов атомов углерода с кристаллической решеткой алмаза,  что создают сферическую оболочку механизма. Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29100 молекулярными сортирующими роторами, которые в состоянии нагнетать или выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот достигает альвеолярных капилляров, парциальное давление О2 выше СО2 и бортовой компьютер дает команду роторам нагнетать кислород в резервуары и выпускать диоксид углерода. Когда устройство определит свое местонахождение в тканях с дефицитом кислорода, возникнет обратная процедура. По своей сути респироцит – гидропневмоакумулятор, который может нагнетать в себя до 9 биллионов молекул кислорода и диоксида углерода. Газы сохранятся под давлением 1000 атмосфер.

Респироцит может транспортировать в 236 раза больше кислорода, чем эритроцит, заполненный гемоглобином. Он более эффективен благодаря исключительной прочности алмазоида, что позволяет удерживать в устройстве высокое давление. Рассчитано, что если ввести 1 литр респироцитов в кровоток человека, то можно будет задержать дыхание на 4часа, находясь при этом под водой.

Аналогично респироцитам прогнозируется создание и других заменителей важных клеток. К ним относятся клотоциты – искусственные аналоги тромбоцитов. Они позволят в течение нескольких секунд прекратить кровотечение. Их работа будет связана с быстрой доставкой к месту кровотечения связующей сетки. Она и будет задерживать кровяные пластинки, останавливающие кровоток. Как возможный вариант рассматривается проект создания клотоцитов, которые будут способны выполнять и обратную задачу – очистку крови от тромбов.

Заслуживает определенного внимания еще одна разновидность «механизованной крови» – механические фагоциты или микрофагоциты (нанофагоциты). Они способны в будущем выполнять различные функции в организме – от этапа первого реагирования в крови до работы в тканях  и органах. Их общая цель – уничтожение патогенных микроорганизмов в организме человека по схеме «перевари и выбрось». Расчеты показали, что микрофагоцит может оптимально функционировать, имея сфероидальную форму, которая состоит из 610 биллионов точно расположенных атомов, а также 250 биллионов молекула газа или воды в случае полного заполнения резервуаров. Размеры робота – 3,4 мкм в диаметре вдоль главной оси и 2,0 мкм вдоль перпендикулярной. Его значительный объем (12,1056 мкм3) дает возможность разместить внутри наноробота два пустых резервуара объемом 4 мкм3. Наноустройство потребляет 100-200 пиковатт энергии и при выполнении работы может полностью «переварить» микробов, находящихся во внутреннем резервуаре со скоростью 2 мкм3 за 30-секундный цикл. Для надежности работы наноробот спроектирован с десятикратным запасом прочности по всем основным характеристикам. Масса пустого прибора – 12,2 пикограмма.

На протяжении каждого цикла операции, выполняемой нанороботом, патогенные микробы прилипают к его поверхности благодаря специальным «присоединительным гнездам». Затем телескопические наноманипуляторы, изготовленные по принципу «руки работа», транспортируют микроорганизмы к входному отверстию порта с последующим перемещением в специальный резервуара объемом 2 мкм3. После интенсивного размельчения бактерий органические остатки выдавливаются поршнем в «дигестальный» резервуар (2 мкм3), где они будут переварены с помощью запрограммированных 40 специально созданных ферментов. Такая процедура может повторяться до шести раз. Конечный результат переваривания – простые составляющие (сахара, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, вода), которые выбрасываются в кровеносную систему пациента.

Несмотря на то, что нанороботы по своему строению и действию не относятся к лекарственным средствам, их количественная оценка (доза) и массопередача (фармакокинетика) имеет много общих черт с препаратами. Предлагаются некоторые простые математические модели, описывающие кинетические свойства соответствующих “доз” устройства, которые были введены в кровеносную систему. Рассчитано, что при терапевтической дозе наноробота в 1-теработ (1012 устройств), есть возможность устранить незначительную бактеремию (0,1х106 патогенных единиц, ПО на 1 см3) от 5,4х108 ПО в кровеносной системе человека до менее 1 ПО за 460-5400 сек для достижения полного «прилипания» патогена к поверхности наноробота. При этом необходимо учесть, что 1-теработ (внутривенная доза ~ 12 см3) микрофагоцитов составит концентрацию в крови устройства в один нанокрит (0,2%) с выделением тепловой энергии в 100-200 Вт, что составляет максимальную терапевтическую дозу теплогенного действия на организм человека медицинских наноприборов. Если накануне введения микрофагоцитов в кровь пациента она уже содержит значительное количество воспалительных цитокинов, то есть необходимость провести первичную противовоспалительную терапию. В рамках наномедицины это можно сделать введением в кровь пациента наноустройства класса респироцитов или их разновидности фармацитов для вывода молекул цитокинов. Внутривенная терапевтическая доза фармацитов 1-теработ (каждый робот имеет 105 молекулярных сортирующих роторов и резервуар объемом ~ 0,5 мкм3  для сохранения цитокинов). Использование таких нанороботов может позволить снизить содержание цитокинов в крови от ~ 100 нг/мл до нормального уровня ~ 10 нг/мл, в течение ~ 200 сек.

Объединив структуры респироцитов, микрофагоцитов и клотоцитов в один наноробот, был получен, пока экспериментальный вариант – механический протез (васкулоид). Его создавали в рамках проекта «Роботехническая кровь» и он способен функционировать в теле человека, заменяя составляющие кровеносной системы.

Существуют еще более отдаленные перспективы использования нанороботов интригующего характера. Предполагается, что они будут способны выполнять ремонтные работы по восстановлению всех клеток человека. Имея полное описание строения человеческого тела (индивидуума) с точностью до атома, они смогут вернуть тело к желаемому состоянию. Только тогда наступит время, когда у крионированных людей с помощью роботов смогут восстановить повреждения, возникшие в результате замораживания клеток.

Особые свойства наноматериалов уже сейчас с успехом используются для выращивания искусственных органов и тканей или их соответствующих частей. Обращает на себя внимание разработанная методика восстановления хрящевой ткани, которая имеет близкие к натуральной механические и биохимические свойства. На очереди восстановление механических свойств зубной эмали и других биоматериалов на потребности эндопротезирования и имплантации.

Фармакологические аспекты наномедицины

Основная идея этого направления – наноматериалы, как лекарственные средства нового поколения и контейнеры для адресной доставки препаратов в биофазу действия (мишени). Что касается первой части, то ее развитие связывается с открытием фуллерена (С60).  Термин «фуллерен» возник, благодаря американскому архитектору Ричарду Фулеру, который создал полусферические архитектурные конструкции, состоящие из пяти – и шестиугольников. Считается, что молекула фуллерена является органической, а кристалл, созданный такими молекулами (фуллерит), является связующим звеном между органическим и неорганическим веществами. Наряду со сфероидальными углеродными структурами в процессе синтеза образуются также и цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки и наночастицы. Большинство нанотрубок состоят из нескольких графитовых слоев, вложенных один в один, или «надетых» на общую ось.

О высоком потенциале фуллеренов, нанотрубок и наночастиц графита для использования в биологии и медицине ученые заговорили с момента их открытия. Преградой для их изучения была растворимость, что мешало их введению в организм. Для получения водорастворимых форм в молекулу С60  вводят функциональные группы (например, карбоксильную). Эксперименты на животных показали, что фуллерены и их родственные соединения восстанавливают нормальные функции клеток после нарушений, возникающих в результате окислительных процессов. Карбоксифулерен С60  в клетках гепатомы (Нер 38) человека тормозит TGF-beta-индуцированный апоптоз за счет взаимодействия вещества с активными формами кислорода, образующегося в мембранах. Введение людям этого соединения предупреждает апоптоз, вызванный ультрафиолетовым облучением и защищает мононуклеарные клетки периферической крови от окисдативного стресса.

Некоторые производные фуллерена способны проникать через гематоэнцефалический барьер, в связи с чем могут быть использованы при лечении нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Паркинсона. В экспериментах на белых крысах было показано, что аддукт фуллерена С60  с поливинилпирролидоном не только предупреждает гибель нейронов, но и препятствует нарушению долгосрочной памяти.

Особое внимание исследователей уделяется созданию таких модификаций фуллеренов, которые имели бы выраженные противовирусные и антибактериальные свойства. Для надлежащего проникновения в клетку животного или человека вирусы используют соответствующие рецепторы на поверхности мембраны. Если осуществить конформационные изменения мембраны или заблокировать их, то это сделает невозможным проникновение вируса в клетку. Фуллерен С60  является идеально сферической структурой для такой механической блокировки. Его аддукт с поливинилпирролидоном эффективно тормозил репликацию вирусов гриппа в экспериментах на куриных эмбрионах и клетках почек собаки. При этом доза соединения была значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина. Антивирусная активность фуллерена С60  также показана для цитомегавируса,   вирусов гепатита и везикулярного стоматита. С помощью компьютерного моделирования и на основе ренгеноструктурного анализа показано, что фуллерен С60  обладает комплиментарностью к активному центру протеазы ВИЧ инфекций и при взаимодействии с ним он инактивирует фермент, в результате чего репликативный цикл вируса прерывается.

Карбоксифулерен проявляет эффективное действие против стрептококковых инфекций и увеличивает бактерицидную активность нейтрофилов. На мышах продемонстрировано уменьшение смертности животных от менингита, который был создан введением E. coli. Положительно заряженные производные фуллерена тормозят также рост Mycobacteriumtuberculosis. Считается, что антибактериальное действие карбоксифулерена связано с его возможностью встраиваться в мембраны бактерий.

Приведены примеры противоопухолевого действия производных фуллерена. Так С60  существенно снижает скорость роста опухолевых клеток линии Hela 33, а также клеток лимфоцитов человека и эпидермальной саркомы Нер-2 на стадии образования митотического веретена. Липосомы, наполненные фуллереном С60 , являются активным агентом при терапии рака шейки матки.

Возможности нанотехнологий и материалов на их основе распространяются и на такую ​​отрасль фармацевтической химии как создание наночастиц (микронизация) уже известных в медицинской практике субстанций. Существует множество технологических приемов для такого измельчения субстанций. Их результатом является получение соответствующих нанокристаллов и наносуспензий. Нанокристаллы имеют некоторые преимущества по сравнению с другими модифицированными формами субстанции: 1) высокое (до 100%) содержание в лекарственной форме; 2) предусмотренная скорость растворения зависит только от структуры наноматериала; 3) простота и доступность производства. Субстанции, созданные в виде наносуспензий, с успехом используются для регуляции биодоступности таких лекарственных препаратов, как амфотерицин В, даназол, такролим. Такая форма субстанции позволяет регулировать дозу лекарств и их фармакокинетический профиль.

Кроме разработки (конструирования) инновационных лекарственных средств, с использованием различных подходов медицинской химии в области фармацевтической химии, большое значение придается повышению эффективности уже известных препаратов. Указанное достигается за счет создания так называемых пролекарств и использования вспомогательных веществ в составе лекарственной формы, что кардинально меняет физико-химические свойства фармацевтически-активного ингредиента (субстанции). Имеется в виду создание средств (систем) доставки препарата в организм по назначению. Лекарства, у которых есть такие системы, имеют ряд преимуществ по сравнению с исходными соединениями: 1) повышается растворимость соединений; 2) улучшается их проникновение в клетки и биодоступность; 3) появляется возможность пересекать гисто-гематические, в том числе и гематоэнцефалический барьеры; 4) реагировать на особенности рН среды.

Особое значение в создании систем доставки лекарственных веществ принадлежит наноматериалам (наноносителям). В отличие от других материалов, которые могут использоваться с аналогичными целями, нанострукции обладают свойствами, присущими только им: 1. Размеры частиц и разветвленная поверхность позволяет препарату использовать как межклеточный, так и сквозьклеточный транспорт. 2. Контролируемое высвобождение субстанции из лекарственной формы и целенаправленное достижение биофазы действия. 3. Стабильность субстанции в технологической схеме приготовления лекарственной формы. 4. Наведение лекарственного средства на биомишень, используя, например, магнитные или термические факторы. 5. Системы позволяют использовать различные способы введения.

Наноносители бывают двух видов: 1. Нанообразования, что составляют монолитные сферические формы, вмещающие субстанцию ​​по всей массе наночастицы, или только на ее поверхности. Высвобождение действующего вещества происходит постепенно со скоростью, которая может быть контролируемой. 2. Наноматериалы, имеющие полые сферические контейнеры (толщина стенки ≈10-30 нм), которые наполнены жидкостью с растворенными веществами. Высвобождение последних осуществляется за счет их диффузии через стенку. Скорость процесса контролируется конструкцией наноматериала и способом его получения.

Биофармацевтические свойства наноносителей обусловлены их структурой. Наиболее распространенными является: липосомы, эмульсии, полимеры, керамические, металлические, углеродные наноматериалы и квантовые точки.

Липосомы (120-250 нм) – липидные нанокапсулы, состоящие из липидной оболочки, у которых «хвосты» жирных кислот направлены внутрь. Некоторые из них имеют водное окружение, покрытое бислойной липидной мембраной. Амфифильные свойства веществ, составляющих бислой липосом, делают их похожими на биологические мембраны. В зависимости от размера и ламелярности (количества слоев) липосомы делятся на: малые олиголамелярные, большие однослойные и многослойные везикулы. Активное соединение, если оно гидрофильное, может быть помещено в водную среду, или в липидный слой, если оно – липофильное. Среди новых форм липосом особое место занимают так называемые липосомы «невидимки» ( «stealth» liposomes), которые не взаимодействуют с иммунной системой, поэтому имеют длительный период полувыведения.

Наночастицы на основе полимеров (20-250 нм) обладают более значительной стабильностью в биологических жидкостях, но в отличие от липосом могут вызвать побочное действие. Недавно были сконструированы растворимые в воде полимерные гибриды. Это конъюгаты, содержащие молекулы полимера и белка. Они улучшают стабильность последнего и проддевают время его пребывания в крови. Конъюгаты, содержащие полимерные частицы (хитозан) и лекарства используются для улучшения биодоступности и доставки к биомишени.

Керамические наночастицы являются носителями лекарств, созданных на основе нанокапсул (15-30 нм), покрытых диэлектрическими материалами (кремний, титан, алюминий). Высвобождение активного соединения из них имеет место после разрушения нанокапсул под действием облучения. Например, дозированное высвобождение инсулина происходит при нагревании поверхности кожи в месте введения наносферы. Недостатком таких нанокапсул является то, что они не биодеградируют в организме и накапливаются в различных органах и тканях. Что касается нанокапсул, покрытых золотом, то их использование ограничивается диагностическими целями. В то же время, есть сведения о том, что наночастицы золота на поверхности которых находятся дендримеры (разветвленные нанополимеры 2-10 нм), используются не только для диагностики опухолей (флуоресценция), но и для уничтожения последних за счет нагрева золота с помощью лазера или инфракрасного облучения. Наноэмульсии (липидные наночастицы) относятся к разновидности жировых эмульсий и они используются для таких лекарственных форм как нитроглицерин, таксол, диазепам, амфотерицин В.

Заслуживают особого внимания работы по созданию так называемых магнитных носителей. Так кварцевые капсулы (70 нм) с ферромагнитными частицами внутри, имеющими векторы к опухолевым клеткам, накапливаются в них и активируются при воздействии импульсного магнитного поля. Активация магнитных частиц может осуществляться и другими способами. Например, электрическими полями, рентгеновскими лучами и светом.

Фуллерены и углеродные нанотрубки (0,4х100 нм) используются в фармацевтических разработках как контейнеры целенаправленной доставки лекарственных средств [28]. Созданные на их основе так называемые SWNT-системы являются пригодными носителями лекарств, белков, а также используются в гений терапии и лечении онкологических заболеваний. Значительным недостатком, сдерживающим использование фуллеренов и нанотрубок является то, что они не деградируют в живых организмах, поэтому накапливаются, что способствует возникновению побочных эффектов.

Риски и вредные последствия использования наноматериалов

Медико-биологическое направление в различных областях нанотехнологий все больше приобретает своеобразный оттенок, смущающий не только ученых, но и политиков и простых людей. Сегодня сложилась ситуация, которую проходило человечество. Имеется в виду общественное мнение относительно генетически модифицированных продуктов. Ее противников становится все больше, невзирая на значительные успехи и безопасные результаты, которые имели место при внедрении модифицированного инсулина, гормона роста человека и вакцины от гепатита В.

Один из мировых экспертов в нанотоксикологии Понтер Обердостер сказал «В большинстве случаев обещания наномедицины является не чем иным как очковтирательством». И действительно, некоторые вещи имеют привлекательный вид, но их принцип работы показан только в организме экспериментальных животных. Он верит, что процессы регулирования, хорошо развитые в разных странах мира, воспрепятствуют опасности новых материалов. Более того, если исследования токсичности наносоединений проводить только на здоровых организмах (доклинические или клинические исследования), опасное их действие может иметь место у людей с некоторыми недостатками здоровья (чувствительными) и проверка этого требует отдельных испытаний.

Кроме очевидных потенциальных рисков для пациентов имеются и другие. Это, прежде всего, утилизация отходов и загрязнения окружающей среды при изготовлении наномедицинских приборов и материалов.

Наиболее информативные сведения о негативном влиянии на здоровье человека химических веществ могут дать эксперименты на животных и наблюдения, проведенные на людях, возникающих в некоторых случаях. Использование физиологических, биохимических, гематологических, патоморфологических и других методов в опытах на животных позволяет оценить токсические свойства соединений и с возможной уверенностью прогнозировать степень безопасности на производстве или в клинической практике.

Наноматериалы, которые изучаются на токсичность могут быть условно разделены на четыре группы: 1) те, что находятся в окружающей среде (продукты производства); 2) отдельные представители, что планируются использовать в медицинских целях (например, субстанции) 3) наноматериалы в составе лекарственных форм; 4) смесь наноматериалов.

Вообще, люди подвергались воздействию наночастиц на протяжении всей эволюции (выбросы вулканов, пожарные и т.д.). Однако такое влияние имеет особое распространение в течение индустриальной революции. Эпидемиологические исследования показали, что в городах наночастицы представляют собой твердые частицы, образующиеся из таких источников, как сжигание, автомобильные и промышленные выбросы. Типичные атмосферные наночастицы имеют сложное строение со средним диаметром от 100 нм. Доказано, что только те частицы, что имеют диаметр 2,5 нм или менее способны проникать глубоко в легкие. В типичной атмосфере города умещается примерно 107 частиц в см3  воздуха, имеющие диаметр 300 нм и меньше. Углерод в элементарной форме является основным компонентом этих частиц и их размер определяет последствия действия на сердечно-сосудистую систему. Создается замкнутый круг. Сначала частицы размерами 0,1-2,5 нм получают легкий доступ в легкие, а затем в кровеносную систему и, наконец, вызывают дисфункцию сердечно-сосудистой системы.

Наиболее точные и валидированные результаты были получены в экспериментальной нанотоксикологии. Определено, что из физико-химических свойств в реализации токсического действия наноматериалов имеют значение два показателя – размер (диаметр) частицы и общая поверхность. Так количество накопленных соединений в биологических мишеням (клетка линия Сасо-2) уменьшается в 2,5 и 6 раз при использовании наночастиц одного и того же материала соответственно в размерах 1 μm и 10 μm в отличие от контроля (100 нм).

Фуллерены (С60) в концентрациях от 1 до 15 ррm вызывает гибель животных клеток различного происхождения в условиях активации процесса светом. Действие его несколько уменьшалась, когда молекула была модифицирована карбоксильными группами, что делало ее водорастворимой. В случае внутрибрюшинного введение крысам производного полиалкилсульфоната С60, его LD50 составило 600 мг/кг. В интервале доз 100-600мг/кг зарегистрировано нефротоксическое действие материала. Токсикокинетика растворимой формы фуллерена изучена на примере производного n, n1-бис (2-аминоэтил) -бифенил- С60. После внутривенного введение соединения в дозе 15 мг/кг ее концентрация в плазме крови крыс была 2-,3-х экспоненциальна. В терминальной фазе период полувыведения составлял 6,8±1,1 ч. Оноло 99% соединения было связано с белками плазмы. Объем распределения составил 2,1 ± 0,8 л/кг, а клиренс – 0,19 ± 0,06 л/ч/кг. Моча животных, получавших вещество (24 час), не содержала ее. Дозы 200-500 мг/кг тела мыши не вызывали их гибели, но делали животных несколько вялыми.

Углеродные наночастицы и нанотрубки (MWCNT, SWCNT) вызывают агрегацию тромбоцитов и непосредственно стимулируют морфологические изменения эндотелиальных клеток сосудов и понижение синтеза в них оксида азота. Различные типы SWCNT накапливаются в значительной степени в тканях легких, что способствует возникновению воспаления и гранулем. При использовании смеси наночастиц наблюдается, как синергизм их токсического действия, так и уменьшения. Примером такой зависимости является токсические свойства квантовых точек (кадмиевых или цинковых) в смеси с меркаптопропионовой кислотой или полиэтиленгликолем на изолированных клетках и in vivo. Что касается токсичности известных препаратов, в которых при создании соответствующей формы были использованы наноматериалы, то она несколько уменьшалась. Так индометацин, покрытый наносферами метоксиполиетиленгликоль-поли-ε-копролактоном, на 15-20% уменьшал значение LD50  в опытах на мышах.

Наиболее непредсказуемыми и опасными могут быть нанороботы, так как они сочетают в себе новые материалы, обладающие значительной токсичностью, а также их механическое воздействие. Так один из главных энтузиастов нанотехнологий – директор института прогнозирования Е. Дрекслер предупреждает, что в этой области можно столкнуться с очень серьезными проблемами, так как никто не может гарантировать не выход нанороботов из-под контроля, что может привести человечество к фатальным последствиям. Вместо лечения больных клеток и синтеза пищи они используют здоровые организмы, а возможно и все неживое для своей потребности, то есть репликации (самопроизводства). Тогда вся окружающая среда превратится в то, что Дрекслер назвал мрачно-поэтически «большой серой пропастью», то есть серой массой неуправляемых нанороботов.

Этические и социальные проблемы наномедицины

Вне проблемы безопасности находится вопрос этического использования нанотехнологий. При их разработке необходимо учитывать права и достоинство человека, как пациента и субъекта медицинских научных исследований, а также предотвращения возможных негативных последствий использования нанотехнологий. Решение этих вопросов возможно только на основе взаимопонимания, которое основывается на полной информации оценки риска, токсичности и выздоровления.

Д. Векерт, который недавно назначен главным редактором нового международного журнала «Nanoethics» в своей статье пишет, что обсуждение этических проблем нанотехнологий влечет за собой много сложных вопросов для общества. Например, уже сегодня с помощью нанотехнологий генетическая проверка могла бы быть гораздо легче и более доступной, но тогда проблема аборта дефектных зародышей встанет перед большим количеством людей.

Другая проблема – связь между медицинским и немедицинским использованием нанотехнологий в диагностических, терапевтических и профилактических целях. Суть вопроса – должны ли использоваться наноматериалы для изменения тела человека, если с медицинской точки зрения они не являются необходимыми.

Фактически наномедицина поднимает много социальных вопросов. Согласно заявлению группы по этике в науке и новых технологиях Европейской комиссии наиболее проблематичным является вопрос согласия на проведение медицинских мероприятий. Его получить не слишком сложно, если человек будет получать полную информацию. В этом случае желание пациента будет независимым.

Особого внимания заслуживают вопросы, связные с вмешательством в умственные способности человека, определении конечного срока жизни человека (при возможности продолжения ее) и использованияем достижений нанотехнологий в военном деле.

В целом, несмотря на огромный потенциал наномедицины и значительное финансирование исследований этические, юридические и социальные проблемы находятся на ненадлежащем уровне. Справедливо отметил П. Синджер «Наука стремится вперед, этика отстает».

Таким образом, анализ литературных данных позволил установить, что применение наноматериалов в медицине открывает огромные возможности в диагностике, лечении и профилактике болезней и тяжелых заболеваний. Согласно данным NanoBiotech News (http: /www.nanobiotechnews.com), начиная с 2005г. в мире внедрены в медицинскую практику 130 лекарственных средств и систем доставки, и 125 диагностических биомаркеров, созданных на базе нанотехнологий. Если их появление было незаметным в большинстве случаев, то овладение сложными наноприборами (например, нанороботами) требует предварительной подготовки, как соответствующих регуляторных органов, так и врачей.

Николай ГОЛОВЕНКО,

академик НАМН Украины, д.б.н., профессор,

заслуженный деятель науки и техники Украины,

заведующий отделом Физико-химического института им. А.В. Богатского НАН Украины,

консультант Государственного экспертного центра МОЗ Украины

 Источник: “Журн. АМН Украины”, 2007, т. 13, № 4.