Наночастицы в медицине кратко

Обновлено: 19.05.2024

Приводится краткая характеристика наночастиц, используемых в медицине. Рассматривается применение наночастиц для целевой доставки лекарств и различных видов гипертермии в онкологии. Значительное место уделяется использованию наночастиц в диагностике и лечении злокачественных новообразований. Обсуждаются перспективы развития наноонкологии.

В последнее время широко обсуждаются медицинские технологии, в которых используются наночастицы (наноматериалы). В значительной степени это обусловлено теми уникальными свойствами, которые приобретают различные вещества ультрамалых размеров. Быстро развивающаяся отрасль технологий предоставляет уникальные возможности для создания самых современных методов диагностики и лечения ряда заболеваний [5, 9, 16, 18, 21, 27]. Уже наметились и активно изучаются перспективные направления применения наночастиц в медицине. Они прежде всего касаются управления с помощью наночастиц физическими, химическими и биологическими процессами, протекающими в живых организмах на молекулярном уровне. Ранее нами рассматривались актуальные вопросы использования нанотехнологий в клинической медицине, а также в физиотерапии [36, 37, 39]. В данном обзоре изложены важнейшие сведения о возможных направлениях и проблемах применения наночастиц различной природы в онкологии.

Краткая характеристика наночастиц

Наночастицы (греч. nanos — карлик, гном, миллиардная доля) — это молекулярные конструкции, ансамбли, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нм (1 нм=10~9 м) и соответствуют уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Например, наноразмеры имеют атомы углерода (диаметр 0,15 нм), аминокислота аланин (0,35 нм), белковые полипептиды (4—50 нм), ДНК (двойная спираль с периодом 3,4 нм и диаметром 3 нм), ген (2 нм шириной и 10—100 нм длиной), гексамерная РНК (внутренний канал 3,6 нм), вирусы (10—450 нм) и др. [15, 73]. Именно соответствие наночастиц размерам биологических молекул и некоторых надмолекулярных структур предопределяет новые возможности и направления их применения в биологии и медицине.

Выделяют несколько классов наночастиц. Охарактеризуем основные из них, имеющие отношение к биологии и медицине.

ЛИТЕРАТУРА

В статье рассмотрены актуальные вопросы применения нанотехнологий в фармакологии, способствующие прогрессу современной медицины. На сегодняшний день перспективным направлением является использование наносистем и наноматериалов для целевой и адресной доставки лекарственных средств (фуллерены, дендримеры, липосомы, нанотрубки). Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии. Непосредственно важным звеном развития нанофармакологии также является создание новых лекарственных препаратов путем образования комплекса между известными лекарственными средствами и наночастицами металлов с целью повышения их фармакологического действия или придания им новых специфических свойств. Проведенные в последние годы исследования по созданию и изучению фуллеренов, дендримеров липосом, нанотрубок, наночастиц металлов показывают, что нанотехнологии открывают новые возможности в получении препаратов и наночастиц с принципиально новыми, еще не изученными свойствами.

2. Нанотехнології, наномедицина, нанофармакологія: стан, перспективи наукових досліджень, впровадження в медичну практику / В. Ф. Москаленко, Л. Г. Розенфельд, Б. О. Мовчан [та ін.] // I національний конгрес "Людина та ліки - Україна": тези (Київ, 7-11 квітня 2008р.).– Київ, 2008. – С. 167-168.

4. Fenske DB, Chonn A, Cullis PR. Liposomal nanomedicines: an emerging field // Toxicol Pathol. 2008. № 36(1). Р. 21-29.

5. Foldvari M, Bagonluri M. Carbon nanotubes as functional excipients for nanomedicines: II. Drug delivery and biocompatibility issues // Nanomedicine. 2008. № 11. Р. 34-39.

7. Liu W.T. Nanoparticles and their biological and environmental application // J. Biosci. Biomed. 2006. № 102. P. 1–7.

8. Venkatesan N, Yoshimitsu J, Ito Y et al. Liquid filled nanoparticles as a drug delivery tool for protein therapeutics // Biomaterials. 2005. № 26(34). Р. 7154-7163.

Без малейшего преувеличения, начало XXI века проходит под знаком нанотехнологий. Нанотехнологии представляют совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами. Приставка нано, пришедшая из греческого языка (nanos - гном), означает одну миллиардную долю (1нм=10-9м). Новые соединения и вещества, полученные с помощью нанотехнологий, имеют особую привлекательность для фармакологии, основной задачей которой является поиск новых эффективных лекарственных средств [1,6].

На сегодняшний день нанотехнологии широко применяются для точечной доставки лекарственных средств, что является особенно актуальным для терапии онкологических заболеваний, патологии нервной и сердечно-сосудистой систем, в спортивной медицине. Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии. Для нее служат нанокапсулы (стелс-липосомы) или векторы для генной терапии (вирусные и невирусные). В настоящее время в экспериментальной и клинической фармакологии используют дендримеры (обладающие антибластомным действием, выступают в роли транспортеров лекарственных средств); липосомы (обладают антиагрегантным и антиоксидантным действием, повышают биодоступность и транспортируют лекарства); нанокластеры (обладают антиоксидантным действием, повышают синтез АТФ, усиливают восприимчивость к лекарствам, ускоряют биохимические реакции и метаболизм лекарств в организме) [2,3].

На место наиболее вероятного средства целевой доставки лекарственных препаратов претендуют дендримеры, имеющие ветвящееся строение, к которым можно прикрепить определённое количество различных видов молекул. Так, например, первая группа молекул будет непосредственно бороться с болезнью, в то время как остальные займутся, так сказать, обеспечением процесса: помогут отследить лекарство в организме, выступит в качестве химического триггера, высвобождающего препарат по команде извне, а также будут посылать сигналы о результатах лечения. В данный момент некоторые нанопрепараты уже получили одобрение при лечении различных заболеваний, причём в первую очередь это касается серии препаратов, предназначенных для лечения онкологических заболеваний. Преимуществами дендримеров являются предсказуемость, контролируемость, возможность воспроизводить размеры макромолекул с большой точностью, наличие в макромолекулах пор и каналов, которые имеют хорошо воспроизводимую форму и размеры [2].

Примером нанокапсул являются липосомы, которые нетоксичны и биодеградируемы; их мембрана может сливаться с клеточной мембраной и обеспечивать доставку содержимого в клетку. Липосомы представляют собой наночастицы шаровидной формы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) или в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества). Несмотря на то, что размеры липосом могут быть очень вариабельными, большинство липосом имеют диаметр менее 400 нм 4.

Существенное внимание ученые уделяют фосфолипидным наночастицам, которые применяются для введения вакцин и лекарственных соединений. Задачами лекарственных средств нового поколения является снабжение их такими системами доставки, которые обеспечивают постепенное дробное поступление лекарств в строго определенные органы или клетки-мишени, и оптимизация фармакологических свойств лекарственного вещества. Разработанные системы доставки используются во всех отраслях медицины: в эндокринологии, кардиологии, пульмонологии, онкологии и других. Их эффективность в значительной степени превышает эффективность обычных лекарственных форм [4].

Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Для доставки и высвобождения лекарственных веществ существуют три способа использования нанотрубок: сорбирование активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка; химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок; помещение молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубки. Функционизированные нанотрубки могут служить переносчиками как небольших молекул лекарственных веществ, так и макромолекулярных комплексов[5].

Второе направление использования нанотехнологий в фармакологии – создание новых лекарственных средств, совершенствование хорошо известных лекарственных препаратов с целью повышения эффективности действия, улучшения биодоступности и уменьшения побочных эффектов. Кроме этого, наноносители обладают такими преимуществами, как высокая способность к проникновению активных компонентов внутрь клетки, улучшенные фармакокинетические показатели, возможность создания альтернативных лекарственных форм, а также переход от инъекционных форм преператов к назальным и трансдермальным. Еще одним важным преимуществом наночастиц как лекарственной формы выступает постепенное высвобождение лекарственного вещества, содержащегося в них, что ведет к пролонгированию времени его действия [2].

Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время обширные перспективы использования в качестве лекарственных средств для диагностики и лечения ряда заболеваний имеют наночастицы металлов. Это обусловлено, прежде всего, широким спектром возможностей их практического применения, в которых используются специфические свойства как самих наночастиц, так и модифицированных ими материалов. Показано, в частности, что наночастицы серебра могут использоваться для получения разнообразных материалов с бактерицидными свойствами, наночастицы золота - для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов в радиотермальной терапии опухолей [7].

В то же время, за последнее десятилетие установлено, что наночастицы различных видов, особенно наночастицы металлов, попадая в организм человека, могут стать причиной серьезных заболеваний (нанопатологий), представляющих реальную угрозу здоровью и жизни людей. Известно, что наночастицы металлов могут проникать в организм человека разными путями: через слизистые оболочки дыхательных путей и пищеварительного тракта, трансдермально (например, при использовании косметических средств), через кровоток в составе вакцин и сывороток и т.д. Опасность распространения нанопатологий, хотя еще и не вполне осознана, но, несомненно велика уже сегодня, и, очевидно, будет нарастать в будущем. Выяснение причин патологического действия наночастиц и разработка способов борьбы с заболеваниями, вызванными проникновением в организм наночастиц, становятся сейчас предметом нового направления в экспериментальной медицине[8].

Вывод. В последние десять лет возросло число публикаций, посвященных наномедицине. Этот факт свидетельствует о том, что нанотехнологии, долгое время находившиеся почти исключительно в поле зрения материаловедения, физики и химии, сейчас активно внедряются в биологию, медицину, в частности, в фармакологию. Проведенные в последние годы исследования по созданию и изучению фуллеренов, дендримеров липосом, нанотрубок, наночастиц металлов показывают, что нанотехнологии открывают новые возможности в получении наночастиц и препаратов с принципиально новыми, еще не изученными свойствами. Таким образом, перспектива использования достижений нанотехнологии в фармакологии предвещает решение многих поставленных задач.

Нанотехнология – это отрасль науки фундаментальной и науки прикладной, а также раздел науки, изучающий возможности применения технических средств и новшеств современных изобретений, раскрывающиеся в совокупном объёме представления теоретических аспектов, прикладных основ изучения, работы по исследованию аналитико-синтетической, методической и методологической составляющей применения продуктов научного труда с определённой структурой на атомном уровне, что достигается использованием регулируемого манипулирования структурами наномира – атомами и молекулами как отдельными объектами исследования. Нанобиотехнологии – это раздел в нанотехнологиях, посвящённый направленному изучению взаимодействия наночастиц и живых организмов, а также разработке возможных способов моделирования и практического применения биологических наноструктур, наноявлений и нанопроцессов в экспериментальной биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях науки и техники.

Исследование наноструктур, наноявлений и нанопроцессов является целенаправленной задачей современной науки, выявившей безграничные перспективы способов и методов изучения наномира как прикладных основ развития техники, технологии, науки, в том числе биологии, медицины, фармации. Нанотехнологии представляют весьма большой интерес в современных исследованиях, поскольку способствуют мировоззренческим преобразованиям в понимании современного мира, его основ и возможностей существования вещества. А. Стайкман писала в журнале Technology review, что на уровне наноявлений, нанопроцессов и нанообъектов исчезает принципиальное различие между живым и неживым, так что граница таким образом между различными формами существования вещества фактически стирается. Так, производится поиск объединения различных свойств материалов неживой природы (к примеру, электропроводность) с характеристиками, являющимися основополагающими принципами материалов живого (примером могут послужить самоорганизация и адаптивные возможности живого).

Раскрывая основные направления развития нанотехнологий, существующие и развивающиеся в настоящий период времени, необходимо выделить следующие возможности исследования наномира:

Моделирование и воспроизведение наноявлений и наномеханизмов живых систем в лабораторных и производственных условиях;

Получение наночастиц и наноматериалов с участием живых организмов;

Разработка методов и способов использования наноструктур и нанопроцессов для вторжения в живой организм с целью его исследования, диагностики состояния и лечения.

Возможности нанобиотехнологий в области преобразования наномира при исследовании биологических объектов оказываются прямой предпосылкой и поводом становления уникального и интересного направления в современной медицине, развивающегося в настоящее время, – наномедицины. Наномедицина – это исправление, направленное и теоретически обоснованное и подкреплённое конструирование, а также контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных с помощью современных технологий наноустройств и наноструктур. Наномедицина обеспечивает создание технологий, нацеленных на управление с использованием наноматериалов и наночастиц комплексом физических, химических и биологических процессов, протекающих непосредственно в живом организме на молекулярном уровне и определяющих его состояние здоровья и возможности развития заболевания в силу причин, опосредованных преобразованиями и ошибками на молекулярном уровне.

Нанобиотехнологии в медицине – наномедицина – развиваются в следующих направлениях:

- Нанодиагностикумы на основе молекулярных детекторов и биосенсоров и флуоресцентных наночастиц;

- Нанопоровые секвенаторы индивидуальных геномов;

- Наночастицы в качестве контейнеров с целью доставки лекарств и вакцин;

- Синтетические геномы как системы саморазмножающиеся;

- Нанобиоинженерия – репарация органов и тканей при помощи создаваемых наноматериалов;

- Нанороботы для медицины – устройства, настраиваемые для поиска очагов поражения тканей, которые способны устранять данные поражённые участки, а также наноустройства, способные имитировать и исполнять функции различных клеток организма (например, эритроцитов).

Метод использования нанодиагностикумов на основе молекулярных детекторов и биосенсоров и флуоресцентных наночастиц раскрывается в возможности видеть белки – маркёры заболеваний при помощи молекулярных детекторов – нанодиагностикумов – на основе сканирующих микроскопов высокого разрешения или нанопроводов и нанопор. Таким образом, детекторы, измеряющие не концентрацию тех или иных белков, а считающих единичные молекулы белков с целью поиска отдельных характеристик позволяют регистрировать белки, являющиеся маркёрами различных заболеваний, так что их использование целесообразно и актуально для наномедицины. Задача детектирования белков – маркёров заболеваний включает необходимость выделения и концентрирования белков из сложных смесей (такой смесью может оказаться, к примеру, плазма крови), что может быть решено при помощи селективного захвата и концентрирования белков на поверхности нанобиочипов. В итоге на поверхности нанобиочипа осуществляются биоспецифические межмолекулярные взаимодействия, называемые биоспецифическим фишингом. Следовательно, реализуется возможность выделения белков с низким их содержанием из биологической жидкости, которые так концентрируются и в дальнейшем идентифицируются при использовании атомно-силовой микроскопии. Перспективы метода представляются весьма яркими для достижения целей идентификации заболеваний на молекулярном уровне.

Наночастицы сами могут проявлять качества лекарств. Лекарства в виде наночастиц обладают целым рядом преимуществ: высокой скоростью растворения, повышенной биодоступностью, быстрым терапевтическим эффектом. При использовании подобных лекарств снижаются риски развития большого количества побочных эффектов.

Нанотехнологии позволяют реализовать возможности развития нового раздела науки – нанобиоинженерии. Нанобиоинженерия, к примеру, раскрывается в использовании репарации органов и тканей при помощи наноматериалов. Особые свойства наноматериалов могут быть использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Возможности применения наноматериалов находят своё отражение как в России, так и за рубежом. К примеру, за рубежом существует методика восстановления хрящевой ткани, которая по механическим и биохимическим свойствам оказывается близка к естественному хрящу. В России осуществляется использование биосовместимых наноматериалов для восстановления механических свойств зубной эмали.

Примером достижений нанобиотехнологий в медицине может оказаться использование наномоторов. Таким наномотором может быть фермент АТФ-синтаза – механическое устройство, образованное двумя совместно работающими роторными наномоторами, обеспечивающими таким образом синтез АТФ. Существуют и другие белковые наномоторы линейного движения, они относятся к трём большим семействам белков: миозин, динеин, кинезин.

В современной нанобиотехнологии также находит широкое применение использование молекулярных наносит. Первое контролируемое импульсами напряжения молекулярное наносито было сконструировано Шарлем Мартином с коллегами в Университете штата Колорадо в 1995 г. Мембрана Ш. Мартина включает в себя массив цилиндрических золотых нанотрубок с внутренним диаметром 1,6 нм. Когда трубки положительно заряжены, положительные ионы через мембрану не проходят, что позволяет разделять отрицательные и положительные ионы. Напротив, когда трубки заряжены отрицательно, пропускаются только положительно заряженные ионы, что также обеспечивает разделение ионов. Такого типа наноустройства способствуют достижению точного контроля ионного транспорта и, как следствие, реализации значительной избирательности на молекулярном уровне.

В современной нанотехнологии находит применение создание синтетических геномов в качестве саморазмножающихся систем. К примеру, в 2008 г. Крейг Вентер и Клайд Хатчисон синтезировали первый в мире искусственный геном. Внедрение искусственного генома в бактериальную клетку без генетического аппарата привело к созданию искусственной бактерии Mycoplasma laboratorium. Таким образом, впервые за всю историю науки синтезирована живая система.

В заключение следует отметить, что нанобиотехнологии в настоящее время развиваются стремительными темпами. Так, происходит совершенствование наномедицины, раскрытие новых направлений исследования в наномедицине. Совершенствуются принципы лечения заболеваний, а также уровни рассмотрения метаболических и функциональных изменений при возникновении заболевания в организме. Помимо всего прочего, использование нанотехнологий формально позволяет стереть непреодолимую грань между живым и неживым веществом, живой и неживой природой. Добавим, что нанотехнологии являются реальностью сегодняшнего дня, и их развитие – одно из ключевых направлений совершенствования всей современной науки, в том числе биологии, медицины и фармации.

1. Арчаков А.И. Нанобиотехнологии в медицине: нанодиагностика и нанолекарства. // Биомедицинская химия. – 2010. – Том 56, вып. 1. – С. 7-25.

2. Горобец С.В., Горобец О.Ю. Перспективы развития нанобиотехнологии. // Химия, физика и технология поверхности. – 2007. – Вып. 13. – С. 265-272.

4. Stikeman A. Nano Biomaterials: new combinations provide the best of both worlds. // Technology Review. – 2002. – Р. 35-42.

Краткая характеристика наночастиц

ЛИТЕРАТУРА

Читайте также: