Наночастицы в медицине и фармацевтике
Медицина и фармацевтика в наномире
Редакция STRF продолжает публиковать материалы посвященные нанотехнологиям. На этот раз речь пойдет о наномедицине, которая в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом.
Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, представляющая собой совокупность теоретического обоснования, приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.
В принципе, нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Она, заменив другие технологии, позволит не только победить старение и болезни, но и обеспечит человечество фантастическими материальными богатствами. Практически же нанотехнология в медицине, фармацевтике и смежных с ними областях, решает сегодня следующие основные задачи:
- Создание твёрдых тел и поверхностей с измененной молекулярной структурой. На практике это даст металлы, неорганические и органические соединения, нанотрубки, биологически совместимые полимеры (пластмассы) и другие материалы имитирующих ткани живых организмов, служащие транспортными средствами доставки лекарств либо имплантантами.
- Развитие наноконтейнерных технологий векторной доставки лекарств.
- Синтез новых химических соединений путем образования молекул без химических реакций. В ближайшие это приведёт к созданию принципиально новых лекарств, которые синтетики, фармацевты и медики будут «конструировать», исходя из конкретной болезни, и, даже – конкретного пациента.
- Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших.
- Создание точных медицинских наноманипуляторов и диагностических устройств.
Рассматривая отдельный атом в качестве детали, нанотехнологи разрабатывают методы конструирования из этих деталей материалов с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться, подобно детскому конструктору, поскольку любую химически стабильную структуру, которую можно описать соответствующей формулой, можно и построить.
По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрейтаса, наномедицина – это: «слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры». Таким образом, в медицине перспектива применения нанотехнологий заключается, в конечном счете, в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне с помощью нанороботов либо иными нанотехнологиями
Наномедицина в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом. Под этим термином (отражающим и перспективу) сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний.
Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.
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.
Место лекарственных препаратов и биоактивных молекул в нанометровом мире
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); микро- и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро- и 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 (супрамолекулярные) комплексы, то есть, образования как «малых», так и огромных органических молекул (по современной терминологии – «хозяин») с ионными либо ковалентно построенными молекулами («гость»). 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 (13 сентября, журнал Nature Nanotechnology, 2009, DOI: 10.1038/nnano.2009.242 ), 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 быть солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее.
Вот, для примера, размеры (табл. 1) молекул некоторых веществ (молекул, частиц) в нанометрах:
| Вещество | Диаметр, нм |
| Азот | 0.32 |
| Вода | 0.30 |
| Водород | 0.25 |
| Гелий | 0.20 |
| Кислород | 0.30 |
| Оксид серы (IV) | 0.34 |
| Оксид углерода (IV) | 0.33 |
| Оксид углерода (II) | 0.32 |
| Хлор | 0.37 |
| Хлороводород | 0.30 |
| Размеры частиц пыли | 0.1-0.001 мм |
| Размер частиц тумана | 0.01-0.001 мм |
| Размер броуновской частицы | 40 |
| Размер молекулы гемоглобина | 0.4 |
| Аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды (мономеры) | 0.5-1 |
| Белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (макромолекулы) | 3-300 |
| Небольшой белок | 4 |
| Хромосома | 1 |
| Вирусы | 20-300 |
| Органеллы | от 20 |
| Рибосомы | около 20 |
Специалисты высказывают важнейшую мысль о том, что отнесение новых объектов к наноматериалам не должно строиться «слепо по их размеру» – а на основании того, приводит ли данный размер к появлению новых свойств таких объектов.
Несмотря на то, что во многих странах наноматериалы уже нашли широкое применение даже в косметических средствах и солнцезащитных кремах, в этих же странах не существует чётких правил, упорядочивающих безопасное применение наночастиц, при этом очевидно, что без четкого определения понятия «наночастица», появления таких правил вообще вряд ли уместно ожидать. 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.
Авторы обзора отмечают, что нельзя просто классифицировать наночастицы, «гребя их всех под одну гребёнку», однако, добавляют, что не всё, что «мало» – непременно представляет собой наноматериалы. Возникает вопрос, какие же критерии следует использовать при систематизации наноматериалов? В обзоре рассматриваются различные физико-химические характеристики, которые могут лечь в основу предлагаемой новой классификации. Так, например, размер наносистемы влияет на строение её кристаллической структуры, которая, в свою очередь, определяет реакционную способность наночастиц и особенности их взаимодействия с окружающей средой. Обнаружено, например, что свойства наночастиц, имеющих размер значительно отличаются от более крупных образований.
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, относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. Диаметр молекулы фермента составляет
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. Несомненно, супрамолекулярные структуры – следующий за нанокристаллами перспективный объект детального изучения.
В этих терминах, взаимодействие таргетных лекарственных препаратов (размеры с биомишенью (белок или система белков, размерами до 100 нм), дает комплекс «лиганд-биомишень» (типа «субстрат-рецептор» или «хозяин-гость»), по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой (супрамолекулярным комплексом). 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 основе механизма 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 (лигандом) и белком (мишенью), 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 (полное или частичное излечение). 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 препарата-лиганда.
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 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 что приводит к улучшению либо появлению дополнительных эксплуатационных и\или 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.
Хотелось бы напомнить слова, сказанные академиком В. Л. Гинзбургом: «В то же время, биология, используя в основном всё более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и, после расшифровки в 1953 году генетического кода, начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по существу, распределением „мест“ в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология».
Системы доставки биологически активных веществ
Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости от его молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Тем не менее, для описанных ниже нанопереносчиков, трансдермальный метод рассматривается, как один из возможных способов транспорта нанообъектов. (На рисунке – наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул: 1 – липосома и аденовирус; 2 – полимерная наноструктура; 3 – дендример; 4 – углеродная нанотрубка
Уже давно известны различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы , образующиеся в растворах липидов. Интерес для практических целей могут представлять липосомы, размерами не более которые и используются как средства доставки лекарственного средства к биологической мишени. Кроме того, сама природа заблаговременно подготовила большой набор нанопереносчиков, например, вирусов . Обработанные определенным образом аденовирусы могут быть эффективно использованы для вакцинации через кожу. К искусственным биогенным наночастицам, способным к направленной доставке, помимо липосом относят также липидные нанотрубки , наночастицы и наноэмульсии липидного происхождения, некоторые циклические пептиды, хитозаны, наночастицы из нуклеиновых кислот.
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 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. Такие силовые линии способно создавать, например, устройство магнитного резонанса. 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 а основные методы их синтеза разработаны 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.
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». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С 60 , 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 С 20 и до С 70 , С 82 , С 96 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. 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.
Пожалуй, 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 а также к появлению более выраженных терапевтических свойств. В ряде случаев уже ведутся доклинические исследования известных лекарств в новых наноупаковках (например, таксол или нурофен пролонгированного действия). 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.
Нанометровые молекулы могут применяться и в качестве активных веществ. Одним из новых походов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров – около половины новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо, то есть, обладают недостаточной биодоступностью.
Кристаллы активного лекарственного нановещества состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить из нее гранулы или таблетки. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику еще в 2000 году, является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) – иммуносупрессивное средство, которое применяют после трансплантации органов. Термотерапия наночастицами , по всей видимости, имеет большую перспективу. Известно, что при попадании ближнего ИК излучения на нанотрубки, последние начинают вибрировать и разогревают вещество вокруг себя. Эффективность такой терапии оказалась весьма велика: у 80 процентов мышей, получившую дозу раствора многослойных нанотрубок, раковые опухоли в почке через некоторое время полностью исчезли. Почти все мыши из этой группы дожили до конца исследования, которое продолжалось около 9 месяцев. Проводятся клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Исследователи обнаружили, что контакт нанотрубок с поврежденной костной тканью мышей ускоряет регенерацию костной ткани и понижает вероятность возникновения воспалительных процессов в процессе лечения. Аналогично, частицы нанозолота убивают микробы, распознают и разрушают раковые клетки.
Наночастицы также могут использоваться для стимулирования врождённых механизмов регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками. Вот несколько достижений: амфифильные белки, которые поддерживают рост клеток для восстановления поврежденного спинного мозга; покрытия областей опухоли головного мозга из магнитных наночастиц и чувствительных к ферментам частиц; зонды из наночастиц для внутриклеточной доставки препарата и экспрессии генов, квантовые точки, которые обнаруживают и определяют количество биомаркеров рака молочной железы человека.
Наноантитела представляют собой наименьшие из известных на сегодня белковых антиген-узнающих молекул (размером 2?4 нм). Они являются фрагментами (вариабельными доменами) особых однодоменных антител – состоят из димера только одной укороченной тяжелой цепи иммуноглобулина и являются полнофункциональными в отсутствие легкой цепи. После синтеза наноантитела уже функциональны и никаких пострансляционных модификаций не требуют. Это позволяет сразу нарабатывать их в бактериальных клетках или в дрожжах, что делает путь создания данных белков существенно более экономичным. С наноантителами довольно просто проводить всевозможные генно-инженерные манипуляции, например, создавать более эффективные комбинированные конструкции, включающие два или несколько наноантител, а также другие белковые домены или функциональные группы. Такие антитела не существуют в организме человека, и поэтому приспосабливания к ним нет. Таким образом, появляется возможность обойти ухищрения аномальных, патологических клеток и микроорганизмов, которые сумели адаптироваться к иммунной системе человека и нащупать слабое звено в их защите.
Биологически активные добавки (БАД), разработанные с применением нанотехнологий, так называемые наноцевтики (nanoceuticals), нацелены на мощное усиление возможностей организма: от усиления усвояемости активных компонентов пищи и до улучшения умственной деятельности и возможности сконцентрироваться, являются изюминкой современного рынка. Однако, общества по правам потребителей настаивают на более жёстком государственном контроле реальной безопасности и эффективности продуктов, попадающих на прилавки магазинов.
О безопасности нанотехнологий в здравоохранении
Общее мнение экспертов – исследователи еще не создали инструментарий, необходимый для 100%-ной оценки рисков, связанных с нанотехнологиями в здравоохранении. Такие разработки а по некоторых оценкам – и больше, отстают по срокам от собственно создания важнейших медицинских наноматериалов. Наноматериалы относятся к абсолютно новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием (в том числе токсическим), которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий (Таблица 2).
| Физико-химические особенности поведения веществ в наноразмерном состоянии | Изменения физико-химических свойств и биологического (в т.ч., токсического) действия |
| Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе большой кривизны | Изменение топологии связи атомов на поверхности приводит к изменению их химических потенциалов, изменению растворимости, реакционной и каталитической способности наночастиц и их компонентов. |
| Высокая удельная поверхность наноматериалов (в расчете на единицу массы) | Увеличение адсорбционной емкости, химической реакционной способности и каталитических свойств может приводить к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода и далее к повреждению биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК). |
| Небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц | Возможно связывание с нуклеиновыми кислотами (вызывая образование аддуктов ДНК), белками, встраивание в мембраны, проникновение в клеточные органеллы и, как результат, изменение функции биоструктур. Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопления в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера. |
| Высокая адсорбционная активность | Возможна адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает процессы адсорбции на них различных токсикантов и способность последних проникать через барьеры организма. |
| Высокая способность к аккумуляции | Возможно, что из-за малого размера наночастицы могут не распознаваться защитными системами организма, не подвергаться биотрансформации и не выводиться из организма, что ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также в микроорганизмах, к передаче по пищевой цепи и в результате – к увеличению их поступления в организм человека |
В передовых странах Запада деятельность, связанная с определением уровня безопасности нанотехнологий и наноматериалов для животных, человека и окружающей среды, интенсивно развивается. Так, в 2000 году в США сформирована Национальная нанотехнологическая инициатива (The National Nanotechnology Initiative – NNI), координирующая работу 26 федеральных агентств. Это – межведомственная программа для оценки опасных для здоровья людей химических агентов по результатам современных токсикологических тестов. В 2008 году NNI получила бюджет в размере 1.44 миллиардов долларов, что более, чем в 3 раза превосходит расходы стартового 2001 году (464 миллиона долларов) и на 13 процентов выше бюджета 2007 года.
В зоне ответственности Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (Food and Drug Administration – FDA) лежит обеспечение безопасности, эффективности и надежности лекарств, медицинских приборов, биотехнологических продуктов, тканевых продуктов, вакцин, косметики и лекарственных препаратов, созданных для человека и животных с использованием нанотехнологий. В 2006 году образована комиссия FDA по нанотехнологиям (FDA Nanotechnology Task Force). Пока FDA не предъявляет дополнительных требований по безопасности нанотехнологических продуктов, поскольку не установлен их статус и отсутствует перечень данных, предоставляемых производителями, то есть оценка новинок происходит аналогично обычным препаратам. FDA заявило, что с учетом скорости развития и огромных потенциальных возможностей нанотехнологий в фармацевтической сфере, законодательная база их регулирования должна быть создана в максимально сжатые сроки.
Этические проблемы наномедицины
Вне проблемы безопасности лежат этические вопросы наномедицины: согласие пациента на основе полной информации, оценка рисков, токсичность и оздоровление человека – лишь некоторые из существующих этических проблем, обсуждающихся специалистами. Эксперты предупреждают, что обсуждение этики наномедицины принесет много трудных вопросов для общества. «Генетические проверки, например, могли бы стать намного легче и широко доступными, – объясняют они. – Но тогда проблема аборта дефектных зародышей коснется большого количества людей».
Наномедицина поднимет целый пласт социальных вопросов. По мнению экспертов группы по этике в науке и новых технологиях Европейской комиссии, при использовании наномедицины, вопрос согласия пациента (врача) на основе полной информации очень сложен. «Согласие на основе полной информации требует, чтобы информация была понята. Реально ли дать информацию о последствиях и провести оценку рисков в быстро развивающейся области исследований, на фоне многих неизвестных факторов и уровня сложности?», – ответы на эти вопрос не могут быть даны сегодня, и возможно, в обозримом будущем.
Другая проблема – связь между медицинскими и немедицинскими использованиями нанотехнологии в диагностических, терапевтических и профилактических целях. Хорошая новость – эти вопросы задают, но плохая тоже есть – ещё очень много работы в данном направлении.
Новые вещи и изменения в привычном укладе жизни могут привести к расшатыванию основ общества, появлению ряда этических проблем. Это относится, например, к медицинским препаратам и устройствам, позволяющим относительно легко модифицировать структуру мозга или осуществить стимуляцию определенных его отделов для получения эффектов, имитирующих любые формы психической активности.
Несмотря на огромный потенциал наномедицины и значительное финансирование, исследования этических, юридических и социальных значений применений наномедицины невелики. «Наука рвется вперед, этика отстает». Как и с нанотехнологией вообще, есть опасность крушения наномедицины, если исследование этических, юридических и социальных значений критически отстанет от научного развития.
Ожидаемые риски нанопрепаратов
Наномедицина и нанотехнология вообще являются новыми областями, и существует немного экспериментальных данных о непреднамеренных и неблагоприятных эффектах. Нехватка знаний о том, как наночастицы будут «встраиваться» в биохимические процессы в человеческом организме, доставляет особое беспокойство. В недавней статье в Medical Journal of Australia, говорится, что правило безопасности для нанопрепаратов может потребовать уникальные оценки риска, учитывая новизну и разнообразие продуктов, высокую подвижность и реакционную способность проектируемых наночастиц, а также размывание диагностических и терапевтических классификаций «лекарство» и «лечебное устройство».
Обнаружено, что наночастицы полиамидоаминдендримеров (PAMAMs), используемые как агенты доставки лекарств, вызывают клеточные повреждения в тканях лёгких, результаты опубликованы в журнале Journal of Molecular Cell Biology . В серии экспериментов, проведённых в Китайской академии медицинских наук над мышами, обнаружено, что наночастицы PAMAMs запускают программу «клеточной смерти», известную как аутофагия. Руководители проекта сразу же призвали научное сообщество обратить особое внимание на безопасность использования нанотехнологий в медицине.
Наиболее широко используемым, как в чистом виде, так и в составе наноматериалов, является оксид титана (TiO 2 ). Токсикологические исследования ультратонких (20 нм) частиц TiO 2 при ингаляционном введении крысам показали, что частицы способны накапливаться в лимфоидных тканях, обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга. Основным механизмом токсического действия наночастиц TiO 2 оказалась индукция активных форм кислорода. Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий и т. п.
Фуллерены были внутривенно введены крысам в дозах 15 и 25 мг/кг. Инъекция 25 мг/кг в течение 5 мин привела к смерти двух из двадцати крыс. Фуллерены почти полностью связывались с белками плазмы и инактивировали печеночные глутатион-S-трансферазы, глутатион-пероксидазы и глутатион-редуктазы, индуцируя окислительное повреждение гепатоцитов крыс. Как фуллерены, так и углеродные нанотрубки характеризуются высоким аффинитом к молекуле ДНК, что делает их потенциально опасными мутагенами. Все же, основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур является индукция активных форм кислорода и окисление биологических молекул.
Наночастицы на основе полистирола (30 нм) при пероральном введении способны проникать в печень и селезенку. Инъекции наночастиц поли-(изобутилцианоакрилата) размером 200 нм, при дозе 40 мл/кг, приводило к гибели 50 процентов мышей.
Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрофагами, а полиамидоаминовый дендример в концентрациях увеличивал поры в мембране клеток.
Представленные данные по токсическим свойствам некоторых наноматериалов далеко не исчерпывающи. Было показано, что токсичность зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода, другие – способны проникать через тканевые барьеры внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи – дендримеры различной степени генерации, некоторые другие типы наноматериалов, могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми. Рассматривая накопленный экспериментальный материал, можно обнаружить, что не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или иное повреждающее действие. Так, одни исследователи однозначно обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа, другие же напротив, показали, что они безвредны. И таких примеров достаточно. Это показывает, насколько уникальны и разнообразны по своим свойствам наноматериалы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества.
Эксперты указывают, что область нанотехнологий могут счесть рискованной, опасной и сомнительной для инвестиций , если при проведении исследований не будут учтены важные проблемы безопасности и здоровья людей. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, чем более крупные объекты того же состава, поэтому они способны образовывать комплексные соединения с не известными ранее свойствами. Наночастицы, благодаря своим малым размерам, легко проникают в организм человека и животных через защитные барьеры (эпителий, слизистые и т. д.), респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. Абсорбирующие свойства наноэлементов значительно выше, чем у других молекул.
Один из ведущих экспертов в области здоровья и окружающей среды профессор Э. Ситон (Эдинбургский университет, Великобритания) считает, что наночастицы фармпродуктов могут вызвать у человека проблемы с органами дыхания, сердцем, иммунной системой и пр., но испытания таких товаров не проводились. Профессор Г. Обердерстер (Рочестерский университет, США) показал, что наночастицы углерода диаметром 35 нм способны проникать в мозг непосредственно по чувствительным нервным волокнам. Специалисты Национального аэрокосмического агентства США сообщают, что нанотрубки, при вдыхании в большом количестве, приводят к воспалению легких. Выявлено, что нанотрубка, представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет структуру, схожую с асбестом, а этот материал при вдыхании вызывает повреждение легких. Вдыхание наночастиц полистирола также вызывает воспаление легочной ткани и, к тому же, провоцирует тромбоз кровеносных сосудов. Есть сведения о том, что углеродные наночастицы могут вызывать расстройства сердечной деятельности и подавлять активность иммунной системы.
Кроме того, учёные обращают внимание на очень важный факт возможного изменения свойств наночастиц после их проникновения в организм, например, покрытие белками при попадании в физиологические жидкости (кровь, плазма). В зависимости от свойств и концентрации использованных наночастиц, при их проникновении в организм, мы можем получить широкий спектр внутриклеточных изменений.
В заключение заметим, что необходимость подробнейшего изучения всех аспектов действия нанолекарств на живые системы не представляется драматичным и никоим образом не снижает огромного интереса к препаратам будущего. Напомним, что подобный этап пришлось пройти и фармацевтической индустрии «классических» лекарств в пору ее создания и становления, и этот путь стоил человечеству немалых потерь. Постепенно были разработаны правила выведения новых лекарственных средств на рынок, включающие строго соблюдаемые безопасные нормы производства, длительные и всеобъемлющие клинические испытания и т. д.
Аналогично, изучение нанопроцессов и их механизмов, разработка норм, требований, методологий, стандартов, и последующее, на их основе, изучение химических, фармацевтических свойств нанолекарств-кандидатов, их токсикологии, экологии и иных свойств позволит создать новые правила, совокупность которых мы сегодня условно назовем GNP (good nanotechnological practice). С этого момента, несомненно, и начнется отсчет времени новой эры в мировом здравоохранении.
Источник
