Нанотехнологии в медицине и фармации реферат
Обновлено: 08.07.2024
Цель настоящей работы - выявление областей применения наночастиц и перспектив их использования в качестве наноструктурных раневых биопокрытий.
Направлениями применения нанотехнологий являются аэрокосмическая, автомобильная, электронная промышленность и наномедицина, так как наночастицы по химической активности во много раз превосходят обычные атомы и обладают повышенной растворимостью даже в слабых кислотах (нанозолото), высокоразвитой поверхностью, избирательностью в химических реакциях.
В настоящее время решены вопросы растворимости и биодоступности лекарственных препаратов, уменьшены их побочные эффекты, разработаны системы их доставки к больным органам, избегая здоровые, которым они могут нанести вред. В современной медицине наноматериалы представлены в виде липосом, сфер, капсул и покрытий.
Наибольший интерес у нас вызвали нанопокрытия - активно развивающееся направление при разработке перевязочных средств для оптимизации процессов ранозаживления, так как необходимо учитывать их эффективность в конкретном случае, что предопределяет актуальность данного вопроса.
Профессором СГМУ Н.В. Островским были изучены образцы раневых биопокрытий на основе нетканого волокнисто-пористого полотна из волокон хитозана (ХТЗ), отличающихся молекулярной массой. В основе способа получения этих биопокрытий лежит процесс электроформования, то есть вытягивания тонких струй из раствора полимера под действием электрического поля высокой напряженности.
Установлено, что растворимое биопокрытие из низкомолекулярного ХТЗ легко моделируется по поверхности раны и практически сразу растворяется. Высокомолекулярный образец требует больше усилий для аппликации, но хорошо сорбирует избыток раневого отделяемого, не высушивает дно раны, быстро останавливает кровотечение и существенно снижает объем кровопотери. Также биопокрытие из ХТЗ длительное время сохраняет способность дренировать раненую поверхность, сорбировать тканевые токсины и поддерживать оптимальный микроклимат, в частности паро- и воздухопроницаемость, что создает оптимальные условия для заживления ран.
Разработанные перевязочные средства предназначены для лечения ожогов II – III AБ степени, донорских участков, длительно незаживающих ран, трофических язв, пролежней. Клинические исследования показали, что биопокрытия отличаются улучшенной абсорбцией раневого отделяемого, атравматичны, хорошо моделируются на ране, комфортны в ношении и быстро заживляют раны.
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 3.
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.
Ученые утверждаю, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации – 1-ая половина XXI века.
Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых?
Что такое нанотехнологии?
- изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);
- разработка и изготовление машин;
- манипуляция атомами и молекулами.
Что такое наномедицина?
Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.
А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК. Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым смогут воспользоваться врачи в повседневной работе, понадобиться около пяти лет.
С помощью нанотехнологий медицина сможет не только с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адоптации человека в космосе.
Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?
Считается, что первостепенной опасностью для пациента будет некомпетентность лечащего врача. Но ведь ошибки могут происходить и в неожиданных случаях. Одним из непредвиденных случаев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если наноробот А будет удалять последствия работы робота В, то это приведет к повторной работе А, и этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то есть нанороботы будут исправлять работу друг друга. Чтобы таких ситуаций не возникало лечащий врач должен постоянно следить за работой нанороботов и в случае чего перепрограммировать их. Поэтому квалификация врача является очень важным фактором.
Как будет реагировать организм человека на нанороботы?
Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродные тела. Поэтому размер наноробота будет играть важную роль при этом, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из этой проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и алмазоидной поверхности и сильной ее гладкости внешняя оболочка роботов будет химически инертной.
Нанотехнологии, применяемые в медицине в последнее время
Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине. Основными областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.
У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.
Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.
Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.
Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Лично я считаю, что использование, например, таких нанотехнологий как наносенсоры может иметь рискованный характер. Ведь любая даже самая простейшая система может давать сбои, что уж тогда говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? И кроме того надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека.
И так, перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые NASA ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанороботов станут неуправляемыми как зомби.
Раздел: Медицина, здоровье
Количество знаков с пробелами: 9809
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 0
События
Анонс
У нас в гостях
Aктуальная тема
Рубрики
ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ
Случаи, открытия
Нанотехнологии в медицине и фармации
Наночастицы существуют в космосе, атмосфере, гидросфере, горных породах и магме, образующейся в глубинных зонах Земли. Они могут образовываться при фазовых переходах из жидкого или газообразного состояния в твердое в процессе выветривания горных пород, при физических процессах (электрические разряды и реакции конденсации, происходящие в солнечной туманности). Известно, что химия и физика наночастиц сильно отличаются от химии и физики макроэлементов; именно наночастицы являются так называемым зародышем, из которого образуются крупные кристаллы полезных ископаемых и силикатов.
Появление высокоразрешающих методик изучения вещества дало исследователям инструмент для прямого наблюдения за процессами зарождения минералов, изучения различных веществ на наноуровне. Исследование природных ультрадисперсных систем инициировало создание новых материалов для развития нанотехнологий — одного из самых приоритетных направлений современных исследований.
Из истории нанотехнологии: все меньше, и меньше, и меньше
1905 г. — Альберт Эйнштейн доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нм.
1931 г. — немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1985 г. — американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром 1 нм.
1998 г. — голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 г. — американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 г. — правительство США поддержало создание Национальной инициативы в области нанотехнологии (National Nanotechnology Initiative). Из федерального бюджета на проведение нанотехнологических исследований было выделено 500 млн долларов, а в 2002 г. ассигнования составили 604 млн долларов.
Новые свойства, новые структуры, новое качество
Нанотехнология развивается в трех направлениях: изготовление электронных схем с активными элементами, размеры которых сравнимы с таковыми молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин — механизмов и роботов размером с молекулу; непосредственная манипуляция атомами и молекулами, сборка из них всего существующего.
Реализация всех этих направлений уже началась. Почти 10 лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборке из них соответствующих конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, в ближайшие годы начнется масштабное производство наноэлектронных чипов, например микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт. Нанотехнологический контроль изделий и материалов буквально на уровне атомов в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Уже сегодня широко используют нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. Еще один пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.
Нанотехнологии в фармации
Применение нанотехнологий в фармации оказалось весьма плодотворным. В течение последних 10–15 лет на основе давно и хорошо известных лекарственных веществ (ЛВ) созданы препараты, обладающие новыми свойствами. Традиционные лекарственные формы не обеспечивают доставку ЛВ внутрь целевых клеток. Эту задачу могут решить наноносители, с помощью которых возможен целенаправленный транспорт ЛВ в орган-мишень или ткань-мишень, что является одним из базовых элементов технологии контролируемого высвобождения ЛВ. При длительной циркуляции наноносителей в кровяном русле содержащееся в них ЛВ защищается от инактивации, а его действие пролонгируется.
В отличие от макро- (например желатиновых) и микрокапсул (размером 10–500 мкм) наноносители предназначены не только для перорального, но и для внутривенного (транспорт к органам-мишеням либо длительная циркуляция в кровяном русле), внутримышечного (депо ЛВ или постепенное поступление наноносителей либо выделяемых ими ЛВ в кровоток), инъекционного введения. Кроме того, возможно ингаляционное и интраокулярное введение наноносителей, а также интра- и трансдермальная подача ЛВ с помощью наноносителей.
Что же представляют собой наноносители? Они могут быть двух видов. Первый — собственно наночастицы, представляющие монолитные, обычно сферические образования, которые содержат ЛВ по всей массе частицы или только на ее поверхности. Выделение ЛВ из наночастицы происходит постепенно с контролируемой скоростью. К наночастицам относятся также нанокристаллы, состоящие только из ЛВ, подвергнутого измельчению до соответствующих размеров, что позволяет им растворяться со скоростью, превышающей скорость растворения частиц более крупных размеров. Существуют липидные наночастицы (наноэмульсии) — разновидность жировых эмульсий для подачи ЛВ.
Второй вид наноносителей — нанокапсулы. Это полые сферические контейнеры (толщина стенки ~10–30 нм), содержащие жидкую среду, в которой растворено ЛВ. Высвобождение ЛВ происходит за счет диффузии ЛВ через стенку нанокапсулы или в результате ее разрыва. Скорость высвобождения регулируется дизайном нанокапсул и способом их получения.
Взаимодействие наноносителей с клетками зависит от материала, из которого они изготовлены. Наиболее часто используют нанокристаллы ЛВ без дополнительного материала; липиды для получения липидных нанокапсул, то есть липосом, и липидных наночастиц; полимеризованные липиды (полимерные липосомы); термически или химически модифицированный сывороточный альбумин; химически модифицированные полисахариды; биодеструктирующиеся (распадающиеся в организме постепенно) полимеры. Поскольку нанокапсулы обладают большой удельной поверхностью, их используют, в частности, для доставки труднорастворимых ЛВ. При пероральном введении увеличивается абсолютная биодоступность, уменьшаются индивидуальная вариабельность и зависимость наноносителей от потребленной пищи. Добавляемые иногда биостабилизаторы делают нанокристаллы более прочными (например, предотвращают агрегацию) и позволяют контролировать их распределение в организме, время транспорта через пищеварительный тракт, а также биоадгезию, то есть прилипание к стенкам кишечника в определенном месте (мишень). Также снижается терапевтическая доза ЛВ. Актуально применение нанокристаллов анальгетиков, когда быстрое устранение боли и уменьшение вариабельности концентрации ЛВ в плазме играют решающую роль. Например, в результате дисперсии нанокристаллов напроксена примерно через 20 мин концентрация ЛВ в плазме в 3–5 раз выше по сравнению с обычной суспензией или таблетками.
Нанокристаллы ЛВ часто включают в макрокапсулы, матричные таблетки и т. д. Добавление биоспецифических мукоадгезивов (веществ, склеивающихся со слизистой оболочкой) позволяет локализовать действие нанокристаллов ЛВ в соответствующей области пищеварительного тракта.
Помимо внутриклеточного и целенаправленного транспорта важным преимуществом наноносителей является способность транспортировать ЛВ внутрь клеток в неактивном состоянии с последующим перевариванием в лизосомах с выделением ЛВ. Полимерные нанокапсулы и наночастицы с сорбцией ЛВ в массе частицы транспортируют высокотоксичные ЛВ внутрь клеток при минимальном проявлении общей токсичности. Это свойство было использовано при создании нанокапсул и наночастиц с противоопухолевыми высокотоксичными ЛВ.
Кроме противоопухолевых средств, наноносители используют для доставки антибактериальных и противомалярийных препаратов, адреноблокаторов, других ЛВ, требующих внутриклеточного введения, а также диагностических маркеров, с помощью которых выявляют наличие в организме трансформированных (измененных) клеток на самых ранних стадиях заболевания.
Ученые полагают, что наноносители чрезвычайно перспективны с точки зрения введения вакцин, а также генетического материала. Возможно, именно нанокапсулы окажутся наиболее подходящей лекарственной формой для разовой иммунизации против вируса СПИДа.
По прогнозам специалистов, препараты на наноносителях получат широкое распространение уже в ближайшие годы.
Нанотехнология — будущему (говорят футурологи)
Читайте также: