CC BY
112
УДК 621.38+615.83
^ П. Вихров, д-р физ.-мат. наук,
Т. А. Холомина, д-р физ.-мат. наук,
Рязанский государственный радиотехнический университет
Методы адресного введения нанокомплексов для диагностики и терапии
Ключевые слова: биоматериалы, медицинская диагностика, квантовые точки, нанокомплексы, нанотехнология, наноси-стемы, наночастицы
Рассмотрены возможности применения нанокомплексов для медицинской диагностики, терапевтических и локальных физических воздействий на организм. Обобщены результаты исследований, проведенных в разных научно-исследовательских центрах. Развитие наномедицины открывает новые перспективы в ранней диагностике и лечении различных заболеваний.
Введение
Нанобиоматериаловедение и нанобиотехнологии являются одновременно и самыми древними и одними из самых современных отраслей науки, объединяющими достижения биофизики, биохимии, генетики, молекулярной биологии, фармакогнозии, информатики, электроники и др. Понятие «нанона-ука» относится к фундаментальным исследованиям свойств веществ на атомарном, молекулярном уровнях, когда они существенно отличаются от свойств веществ при больших размерах частиц. Нанотехно-логии — это разработка, производство и применение структур, устройств и систем, выполненных на основе частиц в нанометрическом диапазоне и обладающих благодаря этому новыми физическими, химическими или биологическими свойствами.
Развитие нанонауки в значительной мере основано на бионических принципах, то есть имитации действий природы, создании аналогов устройств, являющихся продуктом эволюции. Можно без пре-
увеличения утверждать, что любой организм — от простейшего до высшего — есть высокоорганизованная наноструктура, благодаря которой он может функционировать, размножаться, эволюционировать. Под биоматериалами подразумеваются те, которые выделены из биологических объектов или предназначены для медицинских приложений, то есть в качестве имплантатов, диагностических или терапевтических средств.
Применение наноматериалов и нанотехнологий в медицине служит высшей цели прогресса — улучшению качества жизни человека. На протяжении нескольких последних лет основным направлением экспериментальных работ в области наномедицины было широкое использование наноразмерных частиц. Эти частицы со средними размерами около 20-30 нм, введенные в кровь человека, легко проходят по самым узким капиллярам и поэтому могут доходить по кровеносной системе практически до любого органа.
Целью настоящей работы явились анализ и обобщение современных идей и разработок в области технологии и применения методов программируемого введения в организм пациента лечебных и диагностических компонентов при помощи нанокомплексов.
Диагностика заболеваний
В табл. 1 представлены основные цели и направления развития методов адресного (программируемого) инвазивного воздействия на организм при помощи нанокомплексов и наносистем.
Таблица 1 Цели и направления развития методов программируемого воздействия на организм пациента при помощи нанотехнологии
Цель Направление развития
Диагностика заболеваний Адресная доставка терапевтических препаратов Адресная доставка биохимических средств для локальных физических воздействий Молекулярная визиография.Сенсорные системы. Квантовые точки Использование нанокомплексов и наноконтейнеров (липосом, дендримеров, фуллеренов, полиплексов, наносфер, нанокапсул, сложных неорганических наночастиц и др.). Трансдермальная нанотехнология. Имплантация наноустройств Введение противоопухолевых генов в онкологии. Радиационное воздействие на опухоли (наночастицы золота и др.). Термотерапия (нанооболочки, наночастицы силикагеля и др.)
биотехносфера | № 5-6 (11-123/2010
Использование наносистем (наночастиц) — своеобразных контейнеров с заданным алгоритмом доставки диагностических или лечебных комплексов сопряжено с решением ряда сложных проблем, к числу которых относятся:
• биологическая совместимость;
• подбор биохимических, биофизических и геометрических параметров;
• разработка технологии введения в организм;
• побочные эффекты.
В ряде случаев методы применения новых диагностических устройств и лекарственных средств совпадают с теми, которые давно используются в традиционной медицине. Препараты можно ввести путем заглатывания (перорально), ингаляции (вдыхание), инъекции (внутримышечного, внутривенного, внутриполостного впрыскивания), инфузии (капельного ввода) через кожу (трансдермально-го ввода) и т. д. Стоит отметить, что за последние тридцать лет разработаны новые методы введения диагностических и терапевтических средств в организм, что обусловлено как научными успехами, так и использованием новых технологий.
Одной из наиболее серьезных проблем является биологическая совместимость. Любой живой организм снабжен целым рядом защитных механизмов, нацеленных на выделение или биологическое разрушение всех чужеродных соединений и веществ, поступающих извне. Например, большинство вводимых в организм извне небольших молекул очень быстро удаляется из крови, когда та попадает в почки. Для использования в медицинских целях наиболее удобными являются частицы от 5 до 200 нм, так как частицы крупнее 5 нм не захватываются в почках, а частицы меньше 200 нм могут достаточно долго оставаться внутри клеток, не подвергаясь воздействию макрофагов, которые реагируют на более крупные посторонние объекты. Существует мнение,
что наночастицы удобнее всего принимать в виде пероральных средств.
Известно, что большая часть микрочастиц проникает в организм, всасываясь через стенки кишечника. Способность проникать через стенки обычно обратно пропорциональна размеру частиц, благодаря чему наночастицы оказываются чрезвычайно удобными носителями любых веществ и препаратов. Далее рассмотрены существующие типы наносоеди-нений и наноустройств, используемых для направленной доставки диагностических устройств и лекарственных препаратов, а также некоторые перспективы дальнейшего развития нанобиотехнологии.
Спектр используемых сегодня наночастиц широк. В него включены и надмолекулярные агрегаты типа липосом, и полимерные молекулы — дендримеры и фуллерены. Наиболее интересные результаты были получены в ходе разработки специализированных твердотельных структур — нанооболочек и квантовых точек. На рис. 1 показаны относительные размеры биологических молекул и надмолекулярных структур, а также типы наночастиц — контейнеров для направленной доставки.
Диагностику, основанную на передаче визуальной информации о молекулярных структурах, называют молекулярной визиографией (см. табл. 1). Среди актуальных методов молекулярной визио-графии слует отметить технологию использования биомаркеров, биочипов и квантовых точек.
Наночастицы. Контрастное вещество для молекулярной диагностики состоит из наночастиц, с которыми соединены визуализирующие компоненты и определенные антитела либо молекулы (фрагменты РНК, гамма-глобулины), способные отыскать цель. Когда контрастное вещество вводится в кровеносное русло, его поисковые компоненты взаимодействуют со структурами на поверхности больной клетки по принципу самоорганизации «ключ — замок», и
а) б) в) г) д) е)
* V • I •
-ю 1 ю ю2 ш3 ю4 ю5 ю6 ю7 ю8
Рис. 1 Наночастицы, применяемые в медицине [1]: а — вода; б — глюкоза; в — антитело; г — вирус; д — бактерия; е — раковая клетка; ж — теннисный мяч; з — липосома; и — дендример; к — нанооболочка; л — квантовая точка; м — фуллерен
№ 5-6 (11-12)/2010 I
биотехносфера
визуализирующие компоненты попадают в больные ткани. После этого остается «считать» визуализированную информацию [2].
Как известно, оксид железа обладает ферримаг-нитными свойствами и относится к сильномагнитным материалам. При введении в организм суспензии из магнитных наночастиц каждую из них, как инородное тело, захватывает макрофаг. В результате последний становится «меченым». Поскольку переварить неорганическую частицу он не может, то продолжает двигаться вместе с ней дальше. Если где-то есть опухоль или протекает воспалительный процесс, макрофаги устремляются туда, чтобы бороться с инфекциями, вирусами, бактериями, и скапливаются там в течение определенного времени. Магнитно-резонансная томография дает возможность обнаружить области повышенной концентрации магнитных наночастиц и таким образом определить очаги воспаления на самой ранней стадии их возникновения [3].
Необходимо отметить, что нанотехнологии позволили применить ряд принципиально новых биосенсорных концепций. Ученые из Университета штата Техас (США) сделали важный шаг в области обнаружения раковых клеток, используя золотые наностержни для получения изображений методом двухфотонной люминесценции.
Более 85 % всех видов рака зарождаются в эпителии, толщина которого в организме может достигать 500 мкм. Мощным инструментом диагностики таких онкологических заболеваний на ранних стадиях является метод двухфотонной люминесценции, позволяющий исследовать клетки ткани, находящиеся на глубине сотен микрон. Ученые приступили к изучению новых классов люминесцентных контрастных агентов — своего рода маркеров. Однако большинство из них содержат тяжелые металлы, не пригодные для клинического применения. Зато наночастицы золота не только биосовместимы с организмом человека, но и позволяют получать изображение почти в 4000 раз ярче, чем другие средства.
К новым наномедицинским диагностическим тестам относятся также сенсорные системы Cantilever и SPR (Surface Plazma Resonance, поверхностный плазменный резонанс) [2]. Сенсор Cantilever состоит из искусственных балок длиной приблизительно 100,0 мкм и толщиной 0,5-1,0 мкм. Балки покрываются слоем молекул ДНК или протеинов, которые специфически взаимодействуют с целевыми биомолекулами в пробе. Это взаимодействие приводит к отклонению балки, движение которой улавливает лазерный детектор. По сравнению со многими оптическими приборами Cantilever обладает тем преимуществом, что молекулы в пробе не требуют маркировки, и за счет этого процедура диагностики существенно упрощается. Данные приборы уже нашли широкое применение в медицинском материаловедении.
Квантовые точки. В последние годы внимание исследователей все больше привлекают структуры
с так называемым размерным квантованием, которые искусственно создаются в твердом теле. В пространстве этих структур движение частиц (электронов) ограничено в определенном направлении толщиной используемого материала. Если эта толщина находится в нанометровом интервале, движение частицы определяется квантовыми законами: возникают дискретные уровни энергии частицы. В качестве таких структур могут выступать тонкие пленки на-нометровой толщины (квантовые ямы), одномерные образования — квантовые нити и микроскопические частицы, которые получили название квантовых точек [1, 3, 4].
Первой замечательной особенностью квантовых точек являются их оптические свойства. Частота излучения, определяемая переходом электрона из зоны проводимости в валентную зону, находится в видимом диапазоне спектра. Кроме того, длина волны излучения зависит от размера квантовой точки.
Вторая замечательная особенность оптических свойств квантовых точек заключается в том, что интенсивность излучения этих объектов во много раз превышает интенсивность флюоресценции органических красителей, которые используются в медицинской практике при лабораторных исследованиях. Существенно большим оказывается и время высвечивания [1].
В силу уникальных свойств квантовых точек их использование в медицинских приложениях стабильно увеличивается. При этом усложняется и структура используемых частиц (рис. 2). Полупроводниковое ядро квантовой точки покрывается оболочкой, предохраняющей его от воздействия биоорганических сред. На этой оболочке иммобилизуются биоорганические молекулы, которые могут избирательно прикрепляться к объектам, выбранным для изучения.
Благодаря высокой интенсивности свечения квантовые точки позволяют диагностировать заболевание на ранних стадиях развития. На поверхность точки можно нанести биологические марке-
«II
Рис. 2
Структура наноточки для медицинских применений [1]:
1 — биоактивные молекулы; 2 — биосовместимое покрытие; 3 — полупроводниковая оболочка; 4 — ядро квантовой точки
ры — белки, фрагменты ДНК и РНК, обладающие сильным сродством к определенному виду клеток. Между тем с помощью оптического микроскопа невозможно проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки.
В настоящее время разработан метод приготовления суспензии из квантовых точек определенного размера, имеющих, например, зеленый или какой-либо другой удобный для проведения исследований цвет. Кроме того, к квантовым точкам можно присоединять такие молекулы, которые способны специфически связываться с нужными молекулами или частями небольших органических тел, находящихся внутри живого организма. При таком соединении размер и цвет точки изменяются.
К квантовой точке можно прикрепить какое-нибудь антитело, которое затем свяжет белок, или вещество, имеющее возможность создать химическое соединение с определенным фрагментом ДНК — геном. Биохимики научились прикреплять к нано-частицам характерные молекулы-зонды, которые связываются с белком, сосудистой стенкой либо просто находятся в крови или лимфе.
Суспензию из зеленых квантовых точек можно вводить в сосуды. После того как они достаточно быстро и равномерно распределятся, через кожу будет видна разветвленная сеть кровотока в виде характерного светящегося изумрудного рисунка. И если в каком-то месте поврежден маленький сосуд или капилляр, это будет заметно по небольшим разрывам в зеленой сетке сосудов. Кроме того, видимыми станут выпячивания стенки кровеносных сосудов — аневризмы, опасные из-за возможного разрыва. Такой сигнал совершенно отчетлив, и его ни с чем нельзя спутать, поскольку в тканях человеческого организма нет зеленого цвета.
Сегодня широко распространено мнение, что квантовые точки будут широко и эффективно использоваться в медицине. Тем не менее нельзя забывать, что пока их применение не вышло за рамки лабораторных исследований.
Адресная доставка терапевтических препаратов
В 1970-х годах возникла и развилась новая медицинская концепция, основанная на контролируемой доставке лекарств с использованием вносимых в организм или даже в отдельные органы носителей, из которых необходимый препарат выделяется в заданном режиме и требуемых количествах. В идеальном варианте лекарственные препараты выделяются по программе, причем в течение длительного времени поддерживается их оптимальный уровень содержания в крови или конкретном органе, в результате чего достигается максимальный лечебный эффект.
Для того чтобы оценить перспективы предлагаемого направления, стоит вспомнить, что множество
очень ценных медицинских препаратов не применяются (или даже не доходят до клинических испытаний) вследствие присущих им чрезвычайно сильных побочных эффектов. С одной стороны, к глубокому сожалению врачей и пациентов, большинство низкомолекулярных хемотерапевтических препаратов представляют собой очень токсичные и плохо растворимые вещества. С другой стороны, многие ценные препараты на основе белков и нуклеиновых кислот очень неустойчивы и часто легко разрушаются внутри организма в обычных физиологических условиях. Создание системы временной защитной оболочки, обеспечивающей сохранность и доставку препаратов в нужные органы пациента, представляет исключительную ценность для медицины вообще и фармакологии в частности. Во многих случаях такие системы могут стать принципиальным фактором лечебной процедуры, например, когда исключительно ценный препарат оказывается малорастворимым, нестабильным после попадания в организм и т. п. [4-6].
Использование различных технологий описываемого типа позволяет решить несколько задач: повысить эффективность используемых препаратов, обеспечить большие удобства пациентам, снизить риск побочных эффектов, продлить время хранения и гарантийные сроки применения многих редких лекарств и т. д. Применение этих технологий связано с развитием конкретных методов направленной доставки препаратов, которые предполагают решение достаточно сложных задач создания биосовместимых материалов или устройств, необходимых для применения этих методов, а также разработку конкретных вариантов выделения нужных веществ в заданных тканях или органах организма пациента в требуемые моменты времени. Например, некоторые носители лекарственных средств могут быть активированы при изменении окружающих условий, в частности рН среды, под действием различных химических стимулов или внешнего источника тепла [7].
Более половины фармацевтических компаний-производителей, которые сегодня активно работают в области наномедицины, используют нанотех-нологии для разработки систем доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. В настоящее время эти препараты дают около 80% оборота в мировой наномедицине.
В качестве контейнеров часто применяют полимерные конъюгаты, полимерные мицеллы, фулле-рены, липосомы и полиплексы. Кроме того, для направленной доставки лекарств часто используются и сложные наночастицы, созданные из неорганических материалов или металлов. В частности, за последние годы в качестве носителей лекарственных препаратов все чаще стали использовать биочипы и микроиглы.
Наносферы и нанокапсулы. Особый интерес представляют такие контейнеры, как наносферы и нанокапсулы. Для этого класса фармакологических объек-
№ 5-Б (11-12)/20Ю I
биотехносфера
тов используются коллоидные частицы из твердых полимеров, имеющие размеры от 50 до 200 ни. На-носферы — матричные системы, в которых препарат распределяется достаточно однородно, нанокап-сулы — резервуары, где препарат содержится в ядре частицы и окружен полимерными мембранами. Представленные виды наночастиц различаются по технологии высвобождения активного лекарственного вещества: из наносфер высвобождение протекает по экспоненте, а из нанокапсул — константно в течение длительного времени. В качестве материала таких частиц обычно выбирается какой-либо из биоразрушаемых (биодеструктируемых) полимеров, например полисахариды, полимолочная кислота, по-лилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры и др. [2]. Наносферы, изготовленные из сложного поли(орто) эфира, позволяют даже регулировать выделение содержащихся в них препаратов изменением показателя рН среды. Нанокапсулы применяются в тех случаях, когда требуется предотвратить разрушение переносимого частицей препарата ферментами или химическим воздействием среды организма. Естественно, этот тип частиц обеспечивает большие преимущества при доставке химически неустойчивых веществ (например, белков или нуклеиновых кислот) и лекарственных препаратов.
Полианионные полимеры. Еще один способ доставки лекарственных активных веществ появился благодаря достижениям в области разработки дефинированных поливалентных и дендрических полимеров. В качестве примера можно привести полианионные полимеры — ингибиторы клеточных связей с вирусами, поликатионные комплексы с ДНК или РНК (полиплексы) и дендритные клетки [2].
Липосомы. В 1960-х годах были получены липо-сомы, способные доставлять в орган-мишень лекарственное вещество. Различают липосомы двух видов: мультиламеллярные, диаметр которых может составлять до 10 нм, и одноламеллярные с диаметром примерно от 20 до 50 нм. Последние используются в качестве средства доставки активного лекарственного вещества.
Липосомы состоят из фосфолипидов и холестеро-лов, вследствие чего их иногда называют жировыми пузырьками. Обычно они содержат двухслойные ли-пидные структуры, в которые легко могут быть инкапсулированы лекарственные препараты. Таким образом липосомы становятся очень удобным материалом для создания объектов, обеспечивающих направленную доставку лекарств в организме. В качестве примера стоит упомянуть препарат AmBisome, представляющий собой амфотерицин В на липидном носителе, который обеспечивает необходимый механизм его доставки и распределения в организме. Препарат производится фирмами Fujisawa Healthcare Inc. и Gilead Science и является эффективным средством лечения ВИЧ-инфицированных пациентов, страдающих тяжелыми формами менингита. Другим известным лекарством этого типа является пре-
парат Doxil, разрешение на выпуск которого фирма Alza получила еще в 1999 году. Он применяется при лечении рака яичника и пока остается единственным липосомным цитотоксическим веществом, разрешенным к применению при лечении некоторых форм рака [6].
Фуллерены. Благодаря широкому набору свойств возможно применение молекул фуллеренов как основы создания препаратов для лечения ряда заболеваний. Лекарственное соединение на основе производной фуллерена Сдд может выступать в качестве ингибитора протеазы (ферментного комплекса) вируса СПИДа. В основе биологического действия — прямое взаимодействие фуллеренового кора с биологической мишенью. Перспективным является использование фуллерена в составе пролекарств, то есть химически модифицированных форм лекарственных средств. На основе фуллеренов разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных [2].
Нанопористые мембраны и биочипы. Кроме указанных, получили развитие имплантируемые устройства доставки лекарственных средств — нанопористые мембраны и биочипы [8]. Специалисты предсказывают, что к 2012 году товарооборот рынка иплантируемых устройств может превысить 2 млрд долл.
Трансдермальное введение. В США еще в 1979 году был разрешен выпуск пластырей (аппликаторов, накладок), обеспечивающих постепенное трансдермальное введение лекарственных препаратов через кожу пациента. Затем эта методика получила достаточно широкое распространение. Популярность метода легко объясняется его простотой, удобством и тем фактом, что вводимые вещества не подвергаются первичному метаболизму в почках и сохраняют свои биологические особенности. Еще одно преимущество такой методики — возможность поддерживать устойчивый уровень содержания препарата в плазме крови гораздо эффективнее, чем инъекции, и т. д.
Существенное ограничение в применении методов трансдермальной доставки лекарств в организме связано с тем фактом, что кожный покров человека является очень эффективным «барьером» против проникновения большинства молекул и веществ. С одной стороны, кожные поры не пропускают большие молекулы из-за их размеров, а с другой — поверхностный слой кожи содержит много липидов, препятствующих проникновению в организм любых водорастворимых молекул. Таким образом, особенности человеческой кожи не позволяют применять методику для введения лекарственных препаратов обширных классов (например, содержащих небольшие гидрофильные молекулы, пептиды, белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), в результате чего применение лечебных аппликаторов длительное время оставалось весьма ограниченным по ассортименту самих препаратов. В частности, выпускаемые пластыри содержали никотин (для подавления стремления
Рис. 3
Микроиголки из кремния длиной примерно 150 нм, позволяющие безболезненно осуществлять транс-дермалъный перенос лекарственных препаратов [6]
к курению), скополамин (для лечения расстройств двигательного аппарата и т. п.) и заменители некоторых гормональных средств.
Проницаемость кожного покрова для макромолекул и гидрофильных соединений, а следовательно, и эффективность описываемого метода могут быть значительно повышены за счет создания микроскопических пор в кожном слое. Сложность состояла в том, что микроотверстия должны быть достаточно большими для пропускания макромолекул препарата, но настолько малыми, чтобы не вызывать болезненных ощущений у пациента. Раньше такая задача казалась неразрешимой, однако современные технологии, в частности разработанные в области электроники, позволяют создать массивы микроскопических иголок требуемого размера.
На рис. 3 схематически показана структура, состоящая из кремниевых наноразмерных иголок, предложенная в 1998 году Р. Просницем для создания нового поколения аппликаторов. Позднее для введения лечебных препаратов разных видов были созданы и другие структуры этого типа на основе специально подбираемых материалов (стекла, полимеров, металлов, кремния), позволяющие вводить в организм через кожу небольшие молекулы, олигонуклеотиды, плазмиды и протеины. Такие структуры прикладываются к коже, а затем покрываются обычным пластырем. При использовании аппликаторов проницаемость кожного покрова возрастает на несколько порядков, а эффективность методики в целом может быть повышена за счет использования дополнительных веществ, замедляющих процесс всасывания препарата с поверхности игл, или создания микроканалов внутри игл, позволяющих регулировать подачу препаратов.
Однако использование наноматериалов в качестве средства доставки делает актуальным вопрос об их токсичности, поскольку свойства материалов могут существенно меняться, если размер частиц находится в нанодиапазоне [2, 9]. Кроме того, при применении наноматериалов необходимо решать вопрос об обратной связи, поскольку в литературе было показано, что при доставке нанокомплексов с активными препаратами процесс может выходить из-под контроля [7]. Принимая во внимание этот факт, в процессе разработки наноматериалов следует учитывать их способность к биодеградации или элиминации из организма путем метаболизма и экскреции. Альтернативой может быть использование устройств — геттеров самонаведения, которые позволят собирать и удалять из организма нанома-териалы после достижения необходимого эффекта. В табл. 2 представлены основные области применения наиболее распространенных наносистем для доставки лекарственных препаратов.
Таблица 2 1 Наносистемы доставки лекарственных препаратов [2]
Лекарственные препараты
Наносистема Противоопухолевые Антибио-тики/ви-ростатики Протеины /пептиды Генно-инженерные Для лечения больных СПИДом Вакцины Радио-терапевтические Иммуно-подавляющие
Липосомы + + - + - + - -
Полимерные наночастицы + + + + + + - -
Твердые липидные наночастицы + + + + - + - +
Соединения (конъюгаты) полиме-
ров и активных веществ + - - + - - - -
Полимерно-протеиновые соединения - - + - - - - -
Дендримеры + + - + + -
Фуллерены + - - - + +
Наночастицы фосфата кальция - - + - - + - -
Наночастицы золота + - + - - - - -
Магнитные наночастицы + - - + - - - -
Силикатные наночастицы - - - + - - - -
№ 5-6(11-12) | биотехносфера
Адресная доставка биохимических средств для локальных физических воздействий
Генная терапия. Одним из направлений генной инженерии является генная терапия опухолей, которая за счет избирательного воздействия путем направленного введения противораковых генов может существенно уменьшить размеры опухоли. Более того, в экспериментах на мышах удавалось вылечить 80% больных особей [3].
Генная терапия не убивает все клетки, как химиотерапия. Последняя подвергает воздействию область организма, в которой находится опухоль, убивая все клетки, включая и здоровые. Исследователи и врачи надеются на то, что прицельная доставка генных препаратов поможет избежать тяжелых побочных эффектов. Особое значение таких исследований заключается в том, что ученые нашли не только способ введения противораковых генов в наноча-стицы, которые при этом оставались устойчивыми, но и способ стимулирования наночастиц искать и поражать только раковые клетки, не затрагивая здоровые клетки. Это означает, что метод генной терапии потенциально может быть усовершенствован для лечения метастазов раковых опухолей.
Одной из приоритетных областей применения систем адресной доставки биохимических средств для локальных физических воздействий является онкология. Использование систем доставки в этой области направлено прежде всего на уменьшение неблагоприятных побочных эффектов применения лекарственных средств при химиотерапии [7].
Радиационные методы. Среди нанотехнологиче-ских методов воздействия на злокачественные новообразования особое место занимают радиационные. Группа исследователей из Центра биологической нанотехнологии (Мичиганский университет, США), возглавляемая Лайошем Баложем, предложила оригинальный метод локального радиационного воздействия на злокачественные опухоли [1]. Он основан на использовании комплекса атомов золота с молекулой полиамидоамино-дендримера — сферической молекулы, в которой центральное ядро является источником большого числа растущих из него разветвленных молекулярных цепочек (см. рис. 1). Эти цепочки связывают достаточно большое число атомов золота, в то же время было показано, что в лечебных концентрациях они не токсичны. Введенные в кровеносную систему, эти комплексы избирательно накапливаются в разветвленной системе сосудов опухоли. После этого область опухоли облучается интенсивным потоком нейтронов. Последний вызывает ядерную реакцию в атомах золота, превращая их в радиоактивный изотоп 198Аи. Этот изотоп, один из 18 радиоактивных изотопов золота, является бета-излучателем. В тканях человеческого организма данное излучение не распространяется на большие расстояния и воздействует в основном на опухоль, в которой он накапливался. Период его полураспа-
да составляет 2,69 дня, то есть радиоактивное воздействие быстро прекращается. Таким образом, источник радиации, воздействующей на злокачественную опухоль, находится в самой опухоли.
Термотерапия. Иная концепция заложена в основу термотерапии опухолей наночастицами [1]. Например, новый способ лечения раковых опухолей заключается в том, что наночастицы вводят в опухоль, а затем путем либо воздействия магнитного поля, либо лазерного облучения их нагревают, при этом опухолевые клетки разрушаются.
Впервые данная медицинская технология была предложена более 15 лет назад учеными из университета клиники «Шарите» (Берлин) под руководством доктора Р. И. Джордана. В 2005 году за эту разработку ученые были отмечены премией Фроста и Салливана за инновации в области технологии (Frost & Sullivan Award for Technology Innovation). Сегодня в этом направлении работает несколько компаний в Европе (например, Magnamedics, Ахен) и США (Nanospectra Bioscience, Хьюстон).
Нанооболочки. Многообещающие результаты были получены группой, возглавляемой Д. Уэст на факультете биоинженерии в Университете Раиса (Хьюстон, США). В основе ее работ — создание специализированных наночастиц — микросфер си-ликагеля, покрытых оболочкой металлического золота, которые в литературе получили название «нанооболочки». Уникальной особенностью нанообо-лочек оказались их оптические свойства, которые зависят от их размера и структуры, то есть от соотношения радиусов силикагелевого ядра и золотой оболочки. На рис. 4 показана зависимость поглощения оптического излучения нанооболочками, у которых радиус силикагелевого ядра составляет 60 нм и заметно изменяется толщина. При этом максимум поглощения изменяется от -1000 (толщина золотой оболочки — 5 нм) до -700 нм (толщина оболочки — 20 нм). В общем случае отношение «радиус ядра — толщина оболочки» оказывается характерной для нанооболочек величиной, определяющей положение максимума поглощения светового излучения. Это дает возможность создавать наночастицы, поглощающие (или рассеивающие) световое излучение как в видимой, так и в инфракрасной области. Особенно интересна область поглощения 800-1300 нм, для излучения такого рода ткани человеческого тела наиболее прозрачны. Именно в этой области нанооболочки могут использоваться как в диагностических, так и в терапевтических целях. На рис. 5 показаны изображения нанооболочек, которые были получены методами микроскопии в темном поле оптической когерентной томографии.
Терапевтические возможности нанооболочек изучались на мышах в лабораторных условиях. Было показано, что нанооболочки, введенные в кровеносную систему, активно накапливаются в опухоли. После этого мыши облучались инфракрасным
биотехносфера
| № 5-6 (11-12)/20l0
Рис. 4 Оптические характеристики (а) и радиусы нанооболочек (б, в) [1]:
1-4 — максимумы поглощения, для. нанооболочек разных радиусов: 1 — 20 нм; 2 — 10 нм, 3 — 70 нм; 4 — 50 нм; б — радиус ядра 60 нм; толщина оболочки — 20 нм; в — радиус ядра 60 нм; толщина оболочки — 5 нм
а)
г Г с
¡М
ШМ Ч
Рис. 5 Нанооболочки [1]: а, б — для диагностики; в — для терапевтического применения; а — радиус ядра — 120 м;
толщина ядра — 35 нм; б — радиус ядра — 100 м; толщина ядра — 20 нм; в — радиус ядра — 60 нм; толщина ядра — 10 нм
излучением с длиной волн ~1 мкм, то есть в максимуме поглощения излучения нанооболочками. В результате нанооболочки нагревались до температуры -50 °С, что приводило к деградации опухоли. В то же время нагревание нанооболочек, сконцентрированных в опухоли, практически не воздействовало на ткани, окружающие опухоль. Было также показано, что спустя месяцы после такой процедуры злокачественные опухоли в организме мышей не появлялись.
В реконструктивно-пластической хирургии, в частности в онкологии, для которой характерен большой объем оперативного вмешательства, когда при операциях удаляется много ткани, сформировалось новое направление тканевого инжиниринга, требующего не только структурного, но и функционального замещения тканевых дефектов. Оно, в свою очередь, сделало актуальным создание нового поколения материалов с повышенной адгезионной способностью для обеспечения наиболее тесной связи
№ 5-6(11-12)72010 I
с окружающими их тканями, с одной стороны, и возможностью имплантации на этих материалах клеточных и тканевых культур — с другой. Возможный путь решения указанных проблем — создание и исследование двумерных и трехмерных полимерных нанобиоматериалов. Управление свойствами поверхности таких материалов осуществляется посредством изменения состава, структуры, рельефа и ее заряда [3, 6].
Заключение
Успехи в развитии наномедицины обещают открыть новые перспективы в ранней диагностике и лечении различных заболеваний. Опубликованные обзоры литературы содержат лишь первые данные относительно возможной токсичности наночастиц для человека. В связи с этим при разработке нано-медицинских технологий необходимо тщательно
биотехносфера
оценивать риск, связанный с использованием на-номатериалов.
Естественно, нельзя забывать о том, что химические и биохимические препараты давно уже используются в современной медицинской практике. Новым оказывается то, что нанотехнология открывает эффективные способы направленного изменения характеристик молекулярных систем, что приводит к принципиально новым возможностям их использования.
Нанобиоматериаловедение и нанобиотехноло-гии — значимые отрасли науки и производства, в которых значимые результаты достигнуты благодаря применению принципов бионики. Исследование биологических объектов и процессов на молекулярном и клеточном уровнях создает предпосылки к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, наноэлект-роники, национальной обороны и безопасности [10]. К ним относятся проблемы расшифровки геномов человека, животных, растений, генная инженерия, мониторинг окружающей среды, утилизация отходов, хранение и переработка сельскохозяйственной продукции, диагностика и лечение болезней века(сер-дечно-сосудистых заболеваний, рака, СПИДа и др.).
Таким образом, в настоящей работе обобщены, классифицированы и проанализированы перспективы и проблемы основных разработок и тенденций развития нанотехнологии в сфере адресного введения нанокомплексов для диагностики и терапии. Несомненно, следует отдавать себе отчет в том, что во многих направлениях развития нанобиотехно-логии мировая наука находится в начале пути.
Убедительным свидетельством осознания возможностей и перспектив нанобиотехнологии являются высочайшие темпы роста инвестиций в эту область. В течение последних нескольких лет они ежегодно удваиваются. Это больше, чем в любой другой сфере нанотехнологии.
| Л и т е р а т у р а |
1. Рамбиди Н. Г., Березкин А. В. Физические и химические основы нанотехнологий. М.: Физматлит, 2009. 456 с.
2. Пальцев М. А. Нанотехнологии в медицине и фармации // ГлавВрач. 2009. № 3. С. 63-68.
3. Уолкер Ш. Биотехнология без тайн. М.: Эксмо, 2008. 336 с.
4. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. — 496 с.
5. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии / Пер. с англ.; под ред. Ю. И. Головина. М.: Техносфера, 2006. 336 с.
6. Фоетер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М.: Техносфера, 2008. 352 с.
7. Самеонова М. В. Наномедицина: перспективы развития // Здравоохранение. 2007. № 4. С. 13-15.
8. Вихров С. П., Холомина Т. А. Нанотехнологии и биосистемы. Рязань: Сервис, 2010. 236 с.
9. Плешанов А. В., Марченков Н. С., Симпеон Д. Среднесрочные национальные стратегии разработки и внедрения новых высоких технологий в здравоохранении: международные сравнения и анализ // Здравоохранение. 2007. № 4. С. 33-46.
10. Вихров С. П., Холомина Т. А., Гривенная Н. В. Взаимодействие естественных и искусственных полей и излучений с биологическими объектами: Учеб. пос. для вузов. М.: Горячая линия — Телеком, 2009. 308 с.
