Основные направления в технологии получения наноносителей лекарственных веществ

Иная концепция заложена в основу термотерапии наночастицами. Это новый способ лечения раковых опухолей. Суть метода в том, что наночастицы вводят в опухоль, а затем либо за счет воздействия магнитного поля, либо лазерного облучения их нагревают, при этом опухолевые клетки разрушаются. Впервые эта медицинская технология была предложена более 15 лет назад учеными из университетской клиники Шарите (Берлин) под руководством д-ра Йордана (Jordan). За эту разработку в 2005 г. ученые были отмечены премией Frost&Sullivan Award for Technology Innovation. В 2003 г. разработка была передана коммерческой нанотехнологической компании для доведения и внедрения. Тогда же начались клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Сегодня в этом направлении работает целый ряд компаний в Европе (например, Magnamedics, Ахен) и США (Nanospectra Bioscience, Хьюстон).

Диагностика in vivo

Революционные достижения геномики и молекулярной биологии привели к лучшему пониманию молекулярных процессов, которые лежат в основе болезней. Диагностику, основанную на передаче визуальной информации о молекулярных структурах, можно назвать молекулярной визиографией. Здесь используется тот же принцип, что и при традиционных методах получения изображений – радиографии, эхографии, УЗИ и т.д., только требуется иное контрастное вещество, а также специальные медицинские приборы и системы обработки данных.

Контрастное вещество для молекулярной диагностики состоит из наночастиц, с которыми соединены визуализирующие компоненты и определенные антитела либо какие-нибудь другие молекулы, способные отыскать цель. Когда контрастное вещество вводится в кровеносное русло, его поисковые компоненты взаимодействуют с целевыми структурами на поверхности больной клетки по принципу «ключ-замок», и визуализирующие компоненты попадают в больные ткани. После этого остается «считать» визуализированную информацию. Над этой концепцией работает компания Kereos (Ст. Луис), которая разрабатывает контрастные вещества на основе наноэмульсии перфторкарбона, каждая капелька которой несет по нескольку тысяч атомов гадолиниума. Таким образом, резко повышается контрастность. Эти препараты компания разрабатывает в сотрудничестве с мировыми концернами Philips и Bristol-Myers Squibb.

Сложные молекулярные контрастные вещества, создаваемые на основе нанотехнолоий, пока еще не доступны для клинической практики. Но уже внедрены простые контрастные вещества, которые состоят из наночастиц окиси железа. Они обеспечивают высокую контрастность в диагностике заболеваний печени. Такое контрастное вещество разработала и внедрила под торговой марктй Resovist® компания Schering.

Диагностика in vitro

Эксперты указывают, что нанотехнологии способствовали ренессансу биосенсорики, т.к. они позволили осуществить совершенно новые сенсорные концепции. Нанотехнологии в диагностике in vitro развиваются в двух направлениях: 1) использование наночастиц как маркеров биологических молекул; 2) применение инновационных нанотехнологических способов измерения.

Фирма Nanosphere из Иллинойса разработала новые диагностические тесты для выявления онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и муковисцидоза. Причем заявлено, что новый диагностический тест для муковисцидоза будет стоить в 10 раз дешевле имеющихся сегодня.

К новым наномедицинским диагностическим тестам относятся также сенсорные системы Cantilever и SPR (поверхностный плазменный резонанс). Сенсор Cantilever состоит из искусственных балок длиной от нескольких 10 до 200 µm и толщиной от нанометров до микрометров. 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 методами сенсор Cantilever обладает тем преимуществом, что молекулы в пробе не требуют маркировки, и за счет этого процедура диагностики существенно упрощается. Сенсор SPR позволяет измерять взаимодействие между протеинами или протеинами и ДНК в режиме реального времени за счет определенного расположения нанослоев и разной интенсивности отраженного света в зависимости от массы биомолекул в слое. Эти приборы уже нашли широкое применение в медицинском материаловедении.

Стоит упомянуть еще диагностическую систему Quicklab, предназначенную для экспресс-диагностики. Это малогабаритный электронный прибор с биочипом с нанометровыми электродами. Молекулы ДНК и протеины определяются биохимическим методом. Принцип разработан Институтом кремниевых технологий (ФРГ) и воплощен концерном Siemens Corp. Technology. Прибор предназначен для диагностики инфекционных заболеваний, заражения крови, воспаления легких, болезней мочеполовых путей.

Имплантаты и биоматериалы

Имплантология получила в последние десятилетия импульс для развития в связи с потребностью в способах и средствах восстановления или замещения органов и тканей. Ряд фирм уже давно работают с нанокристаллическими материалами и покрытием поверхности имплантатов гидроксиапатитом.

Другим методом является нанокристаллическое алмазное покрытие, которое также обещает увеличить продолжительность функционирования и стабильность имплантатов. В экспериментах уже показано, что остеобласты распознают алмазные субмикроструктуры и могут закрепляться на них. Эти результаты указывают на прекрасную биосовместимость алмазных покрытий.

Материалы из нанокристаллического гидроксилапатита применяются для лечения костных дефектов, причем благодаря нанокристаллической структуре в таком имплантате могут закрепляться костеобразующие клетки и процесс остеогенеза практически включает искусственный материал в естественную кость.

Недавно начало развиваться еще одно направление нанотехнологических биоматериалов — нановолокна, которые ученые предполагают использовать при тканевом инжиниринге – создании искусственных тканей (в перспективе – возможно также и органов) на основе клеточных технологий.

2. Наноразмерные системы доставки лекарственных веществ

Повышение избирательности действия лекарственных веществ является задачей химиотерапии. Важен поиск новых подходов к созданию лекарственных препаратов направленного действия. Основным препятствием на пути достижения максимальной эффективности лекарственных веществ является неспецифичность их распределения в организме после приема. Это происходит из-за того, что лекарства распределяются по их физико-химическим свойствам, часто ограничивающим проникновение через физиологические барьеры. Также определенная природа структуры ряда этих веществ может способствовать ускорению степени деградации (пептиды, протеины и нуклеиновые кислоты). По мере развития нанотехнологий появилась идея о возможности контроля распределения и высвобождения на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях. Одним из перспективных способов повышения эффективности лекарственных веществ (ЛВ) стало рассматриваться создание коллоидных систем доставки на основе наноносителей [12].

Углубленное изучение и расширение данного направления началось с 1980-х годов, в период начала бурного развития химии полимеров, позволившего осуществить синтез биодеградируемых и биосовместимых материалов. Наноносители могут быть определены как коллоидные системы субмикронных размеров (<1 мкм), состоящие из полимеров. Во всем процессе модифицирования свойств, технологии и структуры наноносителей принято выделять три поколения:

1. При внутривенном введении наноносители, относящиеся к системам первого поколения, быстро удалялись из кровяного русла путем их захвата ретикулоэндотелиальной системой, вне зависимости от их состава и морфологических особенностей. Как показывают данные тканевого распределения, преимущественное накопление наноносителей шло в печени, селезенке, клетках костного мозга. Основная роль в их накоплении и метаболизирования принадлежала Купферовым клеткам ретикулоэндлтелиальной системы печени, расположенным в синусоидах. Подобная избирательность позволила предположить эффективного применения лекарственных форм на основе наносистем для терапии новообразований печени. Далее было показано снижение степени метастазирования при терапии полибутилцианоакрилатными наночастицами, нагруженными доксорубицином, гистиосаркомы М5076 модели экспериментального рака. С другой стороны, при использовании наносомальной лекарственной формы снижается концентрация доксорубицина в сердечной мышце, что приводит к уменьшению токсического действия на миокард.

Также была открыта возможность лечения с использованием наносомальных систем внутриклеточных инфекций, резистентных к абсолютному большинству антибиотиков, включенных в стандартную терапию. Полиизогексилцианоакрилатные наносферы с ампициллином в 120 раз повышают эффективность терапии инфекции, вызванной Salmonella typhimurium, у популяции мышей. Успех лечения объясняется развитием ряда направлений воздействия на возбудителя заболевания: во-первых, ампициллин, ассоциированный с наносферами, накапливался в печени и селезенке, а во-вторых, за счет улучшения проникновения в фагоциты, увеличивалась степень антибактериального действия на персистирующие формы Salmonella typhimurium [2].

2. Несмотря на многообещающие результаты, полученные в ходе изучения «первого поколения» наноносителей, очевидно, что их применение ограничено за счет слишком быстрой элиминации из кровяного русла вследствие распознавания мононуклеарной фагоцитарной системой. Дальнейшие исследования в этой области были направлены на создание т.н. «невидимых» наноно сителей, способных избежать захвата ретикулоэндотелиальной системой [4]. Большим прорывом стала разработка наносомальных систем, покрытых полиэтиленгликолем, что позволило увеличить период полувыведения до нескольких часов. В создании стерически стабилизированных наносистем существовало два основных направления: адсорбция сополимера полиоксипропилена-полиоксиэтилена на поверхность уже готовых наноносителей; осуществлялся химический синтез сополимера, содержащего в равных соотношениях гидрофильный полиэтиленгликоль и гидрофобный биодеградируемый материал (цианоакрилат, полиэфир и т.д.) в первоначальной стадии изготовления наноносителей. Покрытие наноносителей полоксамином 908 позволило уменьшить степень захвата до 8% (по сравнению с 90% без покрытия), и повысить их фракцию в кровяном русле до 65%. Физико-химический анализ системы «наноноситель - блок сополимеров» позволил выявить снижение степени опсонизации.

Таким образом, можно выделить два основных направления возможного применения эффекта избегания захвата РЭС и длительной циркуляции в кровяном русле: использование ПЭГ-ассоциированных наносистем в качестве носителей для соединений, обладающих коротким периодом полуэлиминации, а также нестабильных, быстро метаболизируемых или теряющих активность (например, цитокины, фактор роста, нуклеиновые кислоты); терапия различных патофизиологических расстройств, ассоциированных со структурными изменениями сосудистого русла, что позволяет длительно циркулирующим наноносителям осуществлять селективный переход непосредственно в пораженный участок ткани. Это важно в случае терапии с учетом физиологических особенностей эндотелиального барьера, чья проницаемость значительно повышается при воспалительных реакциях вследствие развития инфекционного процесса, аутоиммунных заболеваний, развития злокачественных новообразований и т.д.

Так как для большинства лекарственных веществ характерна практически нулевая или очень малая степень проходимости через гематоэнцефалический барьер, то особый интерес представляют исследования, направленные на осуществление транспортировки ряда соединений в центральную нервную систему [12]. При необходимости воздействия на мишени, расположенные в данных участках, эффект малого проникновения нивелировался увеличением дозировки, что способствовало повышению частоты проявления и выраженности побочных эффектов терапии. Процесс переноса соединений удалось индуцировать при помощи покрытия наноносителей (с целью повышения их проникающей способности) полисорбатом 80. Этот технологический прием позволил транспортировать через ГЭБ такие вещества, как даларгин, лоперамид, тубокурарин, доксорубицин.

Предполагается, что полисорбат 80 индуцирует адсорбцию значительных количеств аполипопротеинов Е на поверхности наночастиц, что обеспечивает связывание со специфическими рецепторами эндотелиальной поверхности гематоэнцефалическо-го барьера и последующее проникновение наноносителей в центральную нервную систему.

3. Основное направление развития - направленное изменение структуры поверхности наноносителя для придания ряда свойств и параметров при помощи молекул-мишеней к биологическим рецепторам. Используемые молекулы могут быть самой разнообразной природы: антитела, пептиды, по-ли/олигосахариды, гормоны, витамины и др.

Для экспериментальной проверки эффективности наносистем с модифицированной поверхностью осуществлена их ассоциация с фолиевой кислотой. Рецепторы к фолиевой кислоте синтезируются на поверхности раковых клеток, в то время как их число на здоровых участках очень ограничено [7]. Рецептор обладает аффинитетом к лиганду (фолиевой кислоте), что позволяет осуществить эффективный внутриклеточный транспорт химиотерапевтического препарата непосредственно к мишени. Интересно, что фолат, соединенный с ПЭГилированной цианоак-рилатной наночастицей обладает большим сродством к рецепторам, чем фолиефая кислота в свободной форме, что объясняется мультивалентностью репрезентативного участка [15].

На выбор наиболее подходящего размера системы частиц-носителей влияет ряд факторов:

- проходимость артерио-венозных капилляров (частицы 
<1000 нм), хотя это не относится к шунтирующим частицам, 
которые, застревая в капиллярах, постепенно выделяют ЛВ и 
рассасываются;

стабильность суспензии наноносителей в плазме крови, 
т.к. агрегация (слипание частиц друг с другом) вызывает токси 
ческие эффекты, вплоть до тромбозов сосудов [6];