Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Сибирский государственный

медицинский университет» Росздрава

Фармацевтический факультет

Кафедра фармацевтической химии

Шаповалова Людмила Юрьевна

Использование нанотехнологий в создании лекарственных средств

Наноматериалы

Курсовая работа

Студентка IVкурса

Шаповалова Л.Ю.

Руководитель,

доцент,кфн

Кадырова Т.В.

Томск - 2011



СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Преимущества наносомальных лекарственных форм

3. Наночастицы

3.1 Липосомы

3.1.1 Магнитные липосомы для доставки ЛС

3.1.2 Липосомные наночастицы для вакцинации

3.2 Протоклетки

3.3 Нанокапсулы

3.3.1 Антибиотики, помещённые в нанокапсулы, эффективны в борьбе с микроорганизмами, устойчивыми к действию лекарств

3.3.2 Пористые нанокапсулы из гидроксиаппатита

3.3.3 Нанокапсулы для дистанционной магнитно - инициируемой доставки лекарств

3.4 ДНКсомы

3.5 Наночастицы металлов

3.6 Наноспеции

4. Наноматериалы

5. Выводы

6. Список литературы



1. Введение

В настоящее время все медицинские приборы, материалы и лекарственные средства производятся из веществ, состоящих из миллиарда и более атомов. Качественным скачком, обеспечивающим точность и эффективность в их создании, является переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами и молекулами.

Наночастицы - это твердые коллоидные частицы, размер которых составляет от 10 до 1000 нм (1 мкм). Они состоят из макромолекулярных материалов и содержат активный ингредиент, который может быть растворен, инкапсулирован или сорбирован в наночастице или химически связан с ее основой.

Среди методов получения наночастиц можно выделить метод электроискровой эрозии, распыление, осаждение из газовой фазы, механическое размалывание, химические методы, стекловолоконную технологию и др. Важное место занимают плазменные методы получения нанокомпозитных материалов.

Нанотехнология -- это работа с веществом на уровне отдельных молекул и атомов, манипуляция которыми может привести к созданию достаточно сложных объектов, чья структура может быть описана с точностью до одного атома. Само название происходит от слова «нанометр» (одна миллиардная доля метра), что равняется нескольким межатомным расстояниям. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи разрабатывают способы конструирования из атомов новых материалов для последующего создания объектов с точно заданными характеристиками.

Нанотехнологии -- одно из самых многообещающих направлений в современной науке, в том числе в медицине и фармации. Это связано с тем, что современные технологии позволяют работать с веществом в нанометровых масштабах; именно такие размеры характерны для основных биологических структур -- клеток -- и для молекул.

Такие технологии позволят применять новую диагностическую технику, более специфическую терапию и местное применение лекарства, которое увеличивает эффективность, медленно увеличивает сопротивляемость к нарушениям и снижает нагрузку токсичными компонентами на организм человека. Кроме того, детальное понимание взаимодействия между генами, молекулярным движением и болезнью может дать возможность создания высокоспецифичных, индивидуальных лекарственных препаратов.

В ближайшее время предполагается создание нанолекарств, которые будут доставляться кровопотоком непосредственно к больному органу человека, что увеличит эффективность его использования и снизит побочные эффекты.

По оценке специалистов, основными сферами медицины и фармации, которые затронет нанотехнология, станут доставка лекарственных средств, создание искусственных тканей организма, диагностика и индикация препаратов[1,2].

Целью моей курсовой работы является изучение спектра наночастиц, наиболее изученных и только появившихся в науке, и их использование для создания эффективных и безопасных лекарственных средств; изучение наноматериалов, непосредственно обладающих фармакологической активностью и нашедших широкое применение в медицине.



2.Преимущества наносомальных лекарственных форм

Многообразие форм:

Важнейшим достоинством наносомальных лекарственных форм является их универсальность - они пригодны практически для любых методов введения.

Возможность оптимизации неблагоприятных фармакологических/физико - химических параметров вещества, поэтому создание наносомальных форм наиболее перспективно для препаратов, отличающихся недостаточной селективностью действия, высокой неспецифической токсичностью, неблагоприятным биораспределением, низкой растворимостью или нестабильностью.

Гибкость:

Владение разнообразными методами получения наночастиц, а также использование целого спектра фармацевтических полимеров и вспомогательных веществ позволяют разрабатывать наносомальные формы для лекарственных веществ с различными физико-химическими свойствами, в том числе и для труднорастворимых субстанций.

Практическая ценность:

- для разработки наносомальных форм применяются исключительно фармацевтические ингредиенты,

- процессы получения наночастиц легко масштабируются,

- наносомальные формы пригодны для лиофилизации и устойчивы при хранении[3].



3.Наночастицы

3.1 Липосомы

Фармакология уже имеет в своем арсенале наночастицы, которые содержат лекарственные средства и могут доставлять их в клетки.

Эти частицы представляют собой липосомы - сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества. История липосом начинается с 60-х годов ХХ века, когда английский ученый Алек Бэнгхем вместе с коллегами, проводя исследования поведения фосфолипидов в водных средах, на электронных микрофотографиях увидел слоистые частицы, похожие на мембранные структуры клетки. Дальнейшие исследования показали, что неорганические ионы, присутствующие в растворе, включаются внутрь этих частиц и удерживаются там длительное время. Так впервые было установлено, что фосфолипиды, являющиеся основными компонентами клеточных мембран, способны самопроизвольно образовывать в воде замкнутые мембранные оболочки, которые захватывают часть окружающего водного раствора, а образующая их фосфолипидная мембрана обладает свойствами полупроницаемого барьера.

Самое важное то, что липосомы способны самопроизвольно заключать в себя среду, в которой находятся, и переносить заключенные в них молекулы химических соединений.

Фармакотерапевтические преимущества липосом обусловлены рядом факторов, среди которых природная биосовместимость материала липосом, избирательность депонирования относительно клеток, находящихся в состоянии гипоксии, возможность регулировать липидный состав липосом и, тем самым изменять, их фармакокинетику и фармакодинамику.

Липосомальные системы следует рассматривать не только как носители лекарственных средств, но и как самостоятельные факторы фармакокоррекции патологических состояний. На основе липосом был создан антигипоксически-антиоксидантный препарат Липин-- первое в мире промышленно освоенное липосомальное лекарственное средство.

Механизм действия липосом возможно заключается в модификации фосфолипидного окружения ионных каналов, мембранных рецепторов и ферментов: если оно меняется, то, соответственно, меняется и их активность.

Меняя липидный состав липосом можно направленно изменять их фармакологические эффекты.

Фармакотерапевтические преимущества липосом обусловлены рядом факторов, среди которых природная биосовместимость материала липосом, избирательность депонирования относительно клеток, находящихся в состоянии гипоксии, регулируемая органотропность.

Несколько препаратов на основе липосом уже производятся: «Липодокс» (липосомный доксорубицин), «Липин» (противогипоксический), «Лиаолив» (гепатопротекторный). Клинические испытания проходят два противоопухолевых препарата: «Цисплатин» и «Фторурацил». Начинаются клинические испытания еще трех препаратов: «Антилипошок» (антигеморрагический), «Баларпан» (ранозаживляющий) и «Хлорофилипт» (противовоспалительный). Биологические испытания проходят «Аминофосфатид» (против гемолитической болезни новорожденных), «Бетусом» (антимеланомный), «Фотосом» (противоопухолевый), «Рифамицин» и «Изоцианид» (противотуберкулезные)[3].

3.1.1 Магнитные липосомы для управляемой доставки лекарств

Исследователи из Швейцарии и Австрии предложили липосомы, в которых 5 нм суперпарамагнитные наночастицы оксида железа встроены непосредственно в липидную оболочку. Как оказалось, такие липосомы не агрегируют и позволяют контролируемо выделять доставляемые вещества под действием переменного магнитного поля.

Высвобождение препарата происходит при разрушении липосом, например, под действием температуры, которая обычно близка к температуре тела. Такой подход не очень удобен, т.к. липосомы начинают разрушаться сразу после введения в организм, не дойдя до желаемого места, поэтому ученые стараются придумать различные ухищрения, чтобы иметь возможность инициировать высвобождение груза по требованию. Например, можно внедрить в липосомы плазмонные наночастицы золота, которые будут нагреваться под действием света и приводить к разрушению липосом, однако в этом случае естественным ограничением является прозрачность тканей. Более интересным способом является внедрение в липосомы суперпарамагнитных наночастиц оксида железа, которые способны нагреваться под действием переменного магнитного поля, но такие липосомы, как правило, склонны к агрегации и оказываются нестабильны в коллоидном состоянии.

Способность липосом высвобождать груз была испытана на флуоресцентном красителе флуорексоне. Ученые определили, что липосомы с суперпарамагнитными наночастицами в мембране работают существенно эффективнее тех, которые содержат их внутри полости. Также оказалось, что новые липосомы не разрушаются. По-видимому, в переменном магнитном поле нагрев мембраны происходит локально вокруг магнитных наночастиц, что повышает ее проницаемость, но не приводит к плавлению. Таким образом, выделение доставляемого вещества можно не только управляемо включать, но и выключать, т.е. контролировать дозу и продолжительность терапии. Кроме того, локальный нагрев мембраны не должен приводить к термическому разрушению доставляемого вещества и к смерти клеток. Еще одним полезным свойством магнитных липосом является возможность их перемещения под действием магнитных полей и визуализации при помощи МРТ[5].

3.1.2 Липосомные наночастицы для вакцинации

Инженеры из Массачусетского технологического института (США) разработали новый тип наночастиц, которые могли бы эффективно и безопасно доставлять вакцины.

Частицы состоят из концентрических сфер, которые могут нести синтетические версии белков, производимых вирусами. Тем самым они вызывают сильный иммунный ответ, сопоставимый с ответом на вакцины на основе живых вирусов, но при этом они гораздо безопаснее, утверждает руководитель научной группы Даррелл Ирвайн.

В сотрудничестве с учёными из Военного института им. Уолтера Рида (США) г-н Ирвайн и его коллеги уже тестируют способность наночастиц доставлять экспериментальную вакцину против малярии в организм мышей.

Принцип действия вакцин основан на воздействии инфекционным агентом, который «приучает» иммунную систему быстро реагировать на будущие атаки этого патогена. Во многих случаях (например, при полиомиелите и оспе) используются мёртвые или повреждённые формы вирусов. В других препаратах (к примеру, от дифтерии) применяются синтетические версии белка или других веществ, производимых патогеном.

При разработке вакцины учёные пытаются спровоцировать по крайней мере одного из основных участников иммунного ответа -- Т-лимфоциты (атакуют клетки, которые были инфицированы возбудителем) или В-лимфоциты (секретируют антитела, нападающие на вирусы или бактерии, которые находятся в крови и других жидкостях организма).

В случае заболеваний, при которых возбудитель остаётся внутри клеток (например, ВИЧ), нужен мощный ответ от Т-лимфоцитов. Наилучший способ спровоцировать эти клетки заключается в использовании мёртвых или недееспособных вирусов, но ВИЧ чрезвычайно трудно сделать безвредным. Чтобы обойти опасности использования живых вирусов, учёные работают над созданием синтетических вакцин против ВИЧ-вакцин и других вирусных инфекций (того же гепатита B). Одно плохо: эти препараты не провоцируют должную Т-лимфоцитную реакцию. В последнее время специалисты пытались «обернуть» вакцины липосомами -- то есть создать имитацию вируса, однако липосомы не обладают стабильностью при попадании в кровь.

В итоге г-н Ирвайн решил помещать вакцину не в капли, а концентрические сферы липосом. Как только они сливаются вместе, их стенки химическим образом «сшиваются» друг с другом, что делает структуру более стабильной. И наоборот: когда наночастицы поглощаются клетками, они быстро растворяются, выпуская вакцину и провоцируя Т-лимфоциты.

В опытах на мышах группа Ирвайна воспользовалась своими наночастицами для доставки яичного альбумина (данный белок широко используется в иммунологии, потому что отслеживать иммунный ответ на эту молекулу проще всего). Учёные убедились в том, что даже малые дозы вакцины вызывают сильный ответ: после иммунизации до 30% всех

Т-лимфоцитов становились специфическими. Это одна из самых сильных реакций, которую способен вызвать белок вакцинных[6].

3.2 Протоклетки

Объединив нанотехнологические методы с результатами медицинских исследований, ученые Национальной лаборатории Сандиа и Университет Нью-Мехико , и Исследовательского и лечебного онкологического центра разработали эффективную стратегию использования наночастиц для уничтожения раковых клеток.

В статье, анонсируемой на обложке майского номера журнала Nature Materials, доступного он-лайн, ученые описывают кремниевые наночастицы размером около 150 нанометров в диаметре, напоминающие пчелиные соты, полости которых могут быть заполнены большими количествами различных лекарственных препаратов.

«Огромный потенциал нанопористого ядра, с его большой площадью поверхности, в сочетании с улучшенным таргетингом инкапсулирующего липидного бислоя (липосомы) позволяет отдельной «протоклетке», загруженной коктейлем из лекарственных препаратов, убивать резистентные раковые клетки», - комментирует суть работы ее руководитель профессор Университета Нью-Мехико Джефф Бринкер, научный сотрудник лаборатории Сандиа.

Наночастицы и окружающие их образованные из липосом мембраны, практически аналогичные клеточным, вместе составляют комбинацию, которую можно рассматривать как «протоклетку»: мембрана «запечатывает» смертоносный груз и модифицируется молекулами (пептидами), специфически связывающимися с рецепторами, сверхэкспрессирующимися на поверхности раковых клеток. (Слишком большое количество рецепторов - один из сигналов того, что клетка является раковой). Наночастицы обеспечивают стабильность мембраны и содержат терапевтический (или диагностический, например, квантовые точки) груз, высвобождая его внутри клетки.

Сегодня одобренной Управлением по контролю над качеством пищевых продуктов и лекарственных средств США (U.S. Food and Drug Administration) стратегией доставки терапевтических препаратов с помощью наночастиц является использование липосом. Сравнение целевых липосом и протоклеток с идентичными мембранами и пептидными композициями показало, что способность доставлять большее количество препаратов, стабильность и эффективность таргетинга протоклеток приводят к многократному усилению цитотоксичности, специфически направленной на клетки рака печени человека.

Другое преимущество протоклеток над липосомами, говорит ведущий автор исследования Карли Эшли (Carlee Ashley), заключается в том, что использование липосом в качестве носителя требует специализированных стратегий загрузки, что делает процесс их производства более сложным. В отличие от обычных липосом нанопористые кремниевые частицы практически просто впитывают лекарственные препараты, загружаясь уникальными комбинациями, необходимыми для персонализированной медицины. Помимо химиотерапевтических препаратов они эффективно инкапсулируют токсины и малые интерферирующие РНК (siRNA), подавляющие экспрессию генов.

РНК, биологические мессенджеры, «говорящие» клеткам, какие белки они должны синтезировать, в этом случае используются для подавления синтеза - один из способов вызвать запрограммированную клеточную смерть, или апоптоз.

Составляющие мембрану липиды служат в качестве щита, ограничивающего просачивание токсичных химиотерапевтических препаратов из наночастиц до тех пор, пока они не проникнут в раковую клетку. Это означает, что в организм пациента попадет меньшее количество яда, если протоклетки не найдут раковых клеток. Такое покрытие смягчает токсические побочные эффекты, практически неизбежные при проведении традиционной химиотерапии.

Вместо этого частицы - достаточно маленькие, чтобы оставаться незамеченными «радарами» печени и других органов - могут циркулировать в крови в течение многих дней или даже недель, в зависимости от их размера, ища свою жертву и не нанося вреда организму.

Используя данные созданной в CRTC библиотеки фагов - вирусов, поражающих бактерии - ученые нашли пептиды, специфически связывающиеся только с раковыми клетками.

«Белки, модифицированные целевым пептидом, связывающимся с клетками определенной карциномы, демонстрируют в 10000 большее сродство именно к этим раковым клеткам, чем к каким-либо другим клеткам организма», - объясняет Эшли. «Ключевой особенностью нашей протоклетки является то, что ее жидкий бислой позволяет высокоаффинное связывание всего с несколькими из таких пептидов. Это снижает вероятность неспецифического связывания и развития иммунной реакции».

Ученые продолжают оптимизировать размер наночастиц из пористого кремния, получаемых аэрозолизацией раствора предшественников. Разработанный лабораторией Бринкера процесс производства пористых наночастиц - называемый индуцируемой выпариванием самосборкой - позволяет получать частицы от 50 нанометров до нескольких микрон в диаметре. Частицы размером от 50 до 150 нм идеально подходят для максимально долгой циркуляции в крови и поглощения раковыми клетками, поэтому до превращения в протоклетки они предварительно отбираются по размеру.

Сейчас метод тестируется на человеческих раковых клетках in vivo, и в ближайшее время ученые приступят к его проверке на опухолях мышей. По их оценкам, коммерчески доступным он может стать в течение пяти лет[7].

3.3 Нанокапсулы

Нанокапсула представляет собой сферическую полую частицу, состоящую из полимеров или фосфолипидов (в этом случае она называется липосомой или наносомой), внутри которой находится низкомолекулярное вещество. Оболочка нанокапсул может быть изготовлена также из других материалов, например, гидроксиапатита или силиката кальция., а также определенным образом организованных молекул ДНК. Нанокапсулы должны быть химически стабильны, биоактивны, биосовместимы с организмом, защищать капсулированное вещество от нежелательного воздействия, например, растворения в жидкостях. Размеры нанокапсул обычно не выходят за пределы 100 нм, а микрокапсул - 600 нм. Нанокапсулы обладают высокой проникающей способностью и могут проходить даже в такие «закрытые» зоны организма, как головной мозг. Малый размер делает их невидимыми для клеток иммунной системы, что позволяет нанокапсулам длительное время циркулировать в кровотоке.

Нанокапсулы применяют для контролируемого введения инкапсулированных биологически активных веществ: лекарственных препаратов (в том числе нерастворимых в воде или нестабильных), пептидов и белков (имеющих функции гормонов и цитокинов), а также генетических конструкций, несущих гены ферментов, гормонов и цитокинов. Диапазон капсулированных веществ широк - от средств противоопухолевой терапии и морфогенетических белков костной ткани до средств косметологии. Для целевой доставки поверхность нанокапсул может быть модифицирована специфическими антигенами, рецепторами или лигандами. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет ее способность при определенных условиях поглощаться клетками. Мембрана липосом может сливаться с клеточной мембраной, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Перспективными также представляются подходы доставки нанокапсул внутри эритроцитов или бактерий.

Технология включения лекарственных веществ в нанокапсулы позволяет использовать многие лекарственные соединения, доставка которых в органы и ткани была бы сильно затруднена из-за их нерастворимости в воде или нестабильности. Полимерные нанокапсулы обычно содержат жирорастворимые соединения; таким образом, эта технология позволяет снизить токсичность и добиться желаемой фармакокинетики для лекарственных препаратов. В настоящее время разрабатываются подходы к транспорту в нанокапсулах наноструктур металлической и полупроводниковой природы, а также суперпарамагнитных наночастиц для селективного разрушения клеток при электромагнитном разогреве, что важно для лечения ряда опухолей[3,4].

3.3.1 Антибиотики, помещённые в нанокапсулы, эффективны в борьбе с микроорганизмами, устойчивыми к действию лекарств

Возможность помещать антибиотики в нанокапсулы позволяет уничтожать бактерий устойчивых к действию лекарственных препаратов. От таких бактерий, как пишут авторы исследований, результаты которых были представлены 29 марта в рамках 241-й Национального съезда американского общества химиков в Анахайме, остаются лишь некие фантомы.

«Быстрое появление бактерий, устойчивых к действию часто используемых лекарственных препаратов, - это серьёзная проблема. Существует острая необходимость создания новых антибиотиков, которые бы имели такие механизмы действия, которые бы могли обойти проблему возникновения лекарственной устойчивости. Предложенная нами разработка - это не новый антибиотик, а метод доставки уже известных антибиотиков» - говорит Мохамед Эй-Невехи (ведущий автор исследований).

По словам авторов исследований, предложенная ими методика выгодна тем, что она достаточно быстро способна стать способом лечения пациентов, страдающих от бактериальной инфекции, не чувствительной к действию часто применяемых лекарственных средств. В принципе, разработка учёных может применяться для решения проблем, связанных с контаминацией продуктов питания и питьевой воды организмами грибов и бактерий. Так же предложенный подход может быть использован для усиления желаемого эффекта химиотерапии. В среднем время, затрачиваемое на поиск нового эффективного антибиотика, составляет от 10 до 12 лет. При этом процесс поиска требует серьёзных финансовых вливаний: от 800 миллионов до 2 миллиардов долларов.

«Когда обычный антибиотик помещается в нанокапсулы, то организм микробов получает значительно более тяжёлые повреждения: микробные клетки увеличиваются в размерах, удлиняются, распадаются или же превращаются в пустые фантомы. Нанокапсулы, не содержащие антибиотиков, никак не влияют на клетки микроорганизмов. При этом они повышают эффективность действия самих антибиотиков. При внедрении противомикробных агентов в нанокапсулы, увеличивается эффект точечного действия, а сам противомикробный агент действует эффективнее в течение более длительного промежутка времени по сравнению с результатом, достигаемым использованием обычных способов доставки лекарственных препаратов в клетки микроорганизмов» - говорит Мохамед Эй-Невехи[9].

3.3.2 Пористые нанокапсулы из гидрокcиапатита

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Гидроксиапатит (ГАП) и силикат кальция в последнее время вызывают огромный интерес в связи с их использованием в качестве биоматериалов. Они химически стабильны, биоактивны, биосовместимы и могут применяться для конструирования костной ткани и доставки лекарств. Наноструктурированые полые частицы на основе этих материалов могут быть нагружены различными веществами, например, противовоспалительными препаратами, коллагеном или костными морфогенетическими белками (BMP), которые будут способствовать исцелению костных повреждений.

Исследователи из Китая смогли получить пористые капсулы ГАП и силиката кальция. Для этого они использовали темплат из частиц CaCO3. Синтез выглядит следующим образом. Сначала были получены ядра из карбоната кальция путем реакции ацетата кальция Ca(CH3COO)2 и гидрокарбоната натрия NaHCO3 в смеси воды и этилен-гликоля при комнатной температуре. Далее полученные частицы карбоната обрабатывались раствором, содержащим либо ионы PO43?, либо SiO32?, что приводило к образованию оболочек из ГАП или силиката соответственно. В случае ГАП карбонат удалялся при воздействии разбавленной уксусной кислоты, а в случае силиката проводилась термообработка при 900°C, вследствие чего карбонат разлагался. В результате получились полые оболочки из ГАП или силиката кальция.

Частицы CaCO3 имеют вид эллипсов диаметром 400 нм и длиной 800 нм. Путем изменения условий синтеза можно варьировать размеры частиц. Оболочки из ГАП и силиката имеют примерно такие же размеры. Стенки оболочек образованы нанопластинками и имеют пористую структуру. Толщина стенок также может варьироваться. Площадь поверхности (BET) достигает 220 м2/г, что является очень большим значением для пористых материалов на основе ГАП[10].

3.3.3 Нанокапсулы для дистанционной магнитно-инициируемой доставки лекарств

Магнитные нанокапсулы со структурой ядро / оболочка давно рассматриваются в качестве носителей лекарств для их адресной доставки. Тайванские ученые вновь предложили один из вариантов создания таких капсул. В качестве сердцевины капсулы они взяли наночастицы оксида железа и термочувствительный блоксополимер плюроник F68, представляющий собой цепочку чередующихся полиэтиленоксида и полипропиленоксида. Роль оболочки играет ультратонкая пленка оксида кремния, регулирующая выход лекарств из капсулы до и после воздействия магнитного поля.

На первом этапе магнитные наночастицы смешивали с гидрофобным лекарством в органическом растворителе для формирования однородной массы. Затем с использованием миниэмульсии, применяя в качестве связующего плюроник и поливиниловый спирт, были получены самоорганизующиеся нанокомпозиты. Благодаря тому, что ПВС и плюроник являются амфифильными, магнитные наночастицы отделились от гидрофобного лекарства в отдельные агломераты. После постепенного испарения органического растворителя произошла инкапсуляция наночастиц и лекарства вследствие возникновения водородных связей и диполь-дипольных взаимодействий между гидроксильными группами ПВС и плюроника и поверхностью оксида железа. После этого полученные нанокомпозиты были покрыты слоем оксида кремния с помощью гидролиза и конденсации тетраэтоксисилана.

В работе варьировали количества ПВС, плюроника и наночастиц, чтобы изучить влияние состава на термочувствительность.Капсулы имеют средний диаметр около 76 нм и покрыты оболочкой толщиной около 7 нм. На каждую капсулу приходится 2-5 наночастиц, а полимерная матрица занимает большую часть объема, но предоставляет достаточно места для загрузки лекарств. Покрытие из оксида кремния плотное и протяженное. Защитная «скорлупа» достаточно хорошо предотвращает преждевременный выход содержимого капсулы наружу. Только 6% лекарства (в качестве примера взяли ибупрофен) просочилось из оболочки за 48 часов (рис.2.а). Термочувствительность капсул основана на поведении блоксополимера, имеющего критическую температуру мицеллообразования, достижение которой сопровождается резким изменением объема.

При воздействии магнитного поля наночастицы оксида железа нагреваются, и таким образом можно осуществить быстрый выброс лекарств при минимальном воздействии температуры на живые клетки. По данным биологических испытаний капсулы биосовместимы и хорошо осаждаются на клетках,также их можно использовать в качестве агентов для магнитной томографии[11].

3.4 ДНКсомы

Ученые Корнеллского университета создали мультифункциональные наночастицы, способные одновременно доставлять в клетки несколько лекарственных препаратов и молекулы для подавления экспрессии генов - малые интерферирующие РНК. Частицы названы ДНКсомами, так как их строительными блоками являются короткие цепочки синтетической ДНК

ДНКсомы могут нести различные препараты, а также молекулы РНК, разработанные для специфического подавления экспрессии генов. Их эффективность значительно выше, чем у таких систем доставки, как липосомы (крошечные «обертки» из фосфолипидных молекул, составляющих природные клеточные мембраны) или полимерные наночастицы. Кроме того, ДНКсомы менее токсичны для клеток.

На месте своего естественного пребывания - в ядре клетки - ДНК представляет собой длинные молекулярные цепочки, комплементарные друг другу по всей длине. Соединяясь, они образуют знаменитую двойную спираль. Группа профессора Ло создает короткие цепочки синтетической ДНК, соединяющиеся друг с другом только определенными комплементарными участками и образующие в результате структуры, напоминающие T- или Y-кресты.

К «хвосту» Y-креста присоединяется молекула липида, а лекарственные препараты, которые нужно доставить в клетку, химически связываются с его «руками». Если целью ДНКсомы является подавление экспрессии генов молекулами малой интерферирующий РНК (миРНК) (siRNA, small interfering RNA), синтетическая ДНК может нести участок, комплементарный этой РНК, что позволит РНК легко присоединиться к ней. Доставка миРНК в ядро клетки, кстати - особенно трудно разрешимая задача практически для всех систем доставки.

Такие Y-кресты, каждый из которых состоит из трех цепочек ДНК, ученые использовали в качестве строительных блоков для своих ДНКсом. В водном растворе сочетание гидрофильной ДНК с гидрофобными липидами заставляет Y-блоки собираться в полые сферы размером от 100 до 5000 нанометров в диаметре, состоящие из нескольких слоев ДНК, липидов и полезного груза.

По мнению профессора Ло, красота проекта состоит в том, что лекарственные препараты заключены в само «тело» средства доставки. Имея размеры вируса, ДНКсома захватывается клеточной мембраной и попадает в клетку так же, как это происходит с вирусом. ДНКсомы можно сделать адресными, связав с ними молекулы-лиганды определенных видов клеток, например, раковых.

ДНКсомы начинаются с коротких цепочек синтетической ДНК, определенные участки которых комплементарны участкам другой цепочки. Это свойство позволяет молекулам ДНК объединяться в микроскопические Y-формы. С «хвостом» такого Y-блока ДНК связана молекула липида, а к «рукам» можно присоединить флуоресцентный краситель для отслеживания структуры в клетке. Лекарственные препараты или РНК связаны с Y-блоками химически. Множество Y-блоков собирается в сферу размером с вирус, способную доставлять свой полезный груз в клетки и их ядра.

Как происходит высвобождение терапевтических средств внутри клетки, по-прежнему, остается «черным ящиком», комментирует работу профессор Ло. Впрочем, это относится и к другим системам доставки лекарственных препаратов. Однако тесты показывают, что «посылка» доходит до адресата: ученые загрузили ДНКсомы флуоресцентным красителем, внесли их в культуру клеток яичников хомяка, и микрофотографии показали, что клетки светятся под ультрафиолетовым светом. Необходимо отметить, что груз был доставлен как в цитоплазму клеток, так и в ядро - важное преимущество при необходимости одновременной доставки нескольких препаратов, так как разные лекарства могут иметь различные клеточные мишени. В последующих экспериментах ученые подтвердили способность ДНКсом доставлять одновременно несколько препаратов, а также миРНК.

Профессор Ло и его коллеги назвали свои наночастицы ДНКсомами по аналогии с липосомами. В переводе с латыни «сома» означает «тело»[12].



3.5 Наночастицы металлов

Наночастицы металлов в настоящее время также имеют весьма обширные перспективы использования в качестве лекарственных средств для диагностики и для лечения ряда заболеваний. Наличие у наночастиц оксида железа парамагнитных или суперпарамагнитных свойств оказалось очень полензным для их использования в качестве магнитно-резонансных контрастных средств (МРКС) при проведении магнитно-резонансной томографии (МРТ) - одного из ведущих методов неинвазивной диагностики широкого спектра заболеваний внутренних органов. МРКС, изменяя параметры протонов в тканях и органах, значительно повышают контрастность изображения, повышая диагностическую информативность МРТ. Первыми МРКС, внедренные в клиническую практику, стали гадолинийсодержащие вещества. Их недостатком оказалась возможность развития нефрогенного системного фиброза.

Среди железосодержащих МРКС выделяют: SPIO - суперпамагнитный

оксид железа; USPIO - суперпарамагнитный оксид железа в виде ультрамалых частиц и MIOH - монокристаллический оксид железа.

Препараты SPIO имеют кристаллическую структуру и сильно ускоряют протонную релаксацию тканей. Диаметр частиц SPIO меньше эритроцита, что позволяет им проникать через капиллярную сеть. Разработанные препараты SPIO имеют необходимые величины заряда, и размера для избирательного поглощения клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). После деградации SPIO в РЭС атомы железа включаются в состав гемоглобина эритроцитов. Количество железа, поступающего в организм в составе SPIO при диагностике, значительно ниже общей величины депо железа.

Препараты SPIO относятся к тканеспецифическим МРКС, имея тропность к РЭС и позволяя контрастировать печень, селезенку и костный мозг. Частицы суперпарамагнитного оксида железа обеспечивают получение ценной диагностической информации при злокачественных опухолях печени, а также при наличии гемангиом, кист, узловых гиперплазий. Железосодержащий препарат эндорем (ферумоксид) позволяет выявлять метастазы в печени в 95% случаев.

Наночастицы оксида железа ультрамаленького размера UPSIO (менее 20 нм) предназначены для МР-ангиографии у человека. Препарат AMI-277 (синерем) улучшал визуализацию почечной артерии и правой коронарной артерии.

Наночастицы суперпарамагнитного оксида железа UPSIO помогают выявлять ишемические поражения головного мозга на ранних стадиях, идентифицировать участки ишемии миокарда, оценивать функцию почек и их гемодинамику.

Для создания органототропных МРКС на основе частиц суперпарамагнитного железа можно использовать их конъюгаты со специфическими антителами. В частности, имеются данные о возможности идентификации инфаркта миокарда с помощью антимиозиновых антител, конъюгированных с монокристаллическим оксидом железа (MION).

Ультрамаленькие частицы железа USPIO можно использовать для целей МР-ангиографии, а также для оценки стадии заболевания ракоммолочной железы.

Наночастицы оксида железа можно использовать для мечения стволовых или раковых клеток. В первом случае с их помощью можно следить за миграцией, введенных в организм стволовых клеток, а во втором -за метастазированиием.

Превращение раковых клеток в минимагниты с использованием наночастиц может сделать биопсию настолько точной и эффективной, что не будет необходимости повторять эту болезненную процедуру.

Другое клиническое использование наночастиц оксидов металлов основано на их способности аккумулировать магнитное или фотонное изучение и затем превращать его в другие, например тепловые лучи, приводящие к деструкции опухоли или микробных клеток. Для борьбы с патогенами предложено использовать фототермическую терапию. Для этой цели были получены магнитные наночастицы оксида железа покрытые SiO2 и обработанные ультразвуком, чтобы предотвратить агрегацию наночастиц.

Образовавшиеся при этом наночастицы по форме напоминали яйцо. Затем на поверхности этих частиц был выращен слой золота: сначала добавили «золотые зародыши», которые прилипли к поверхности частиц, а потом поместили частицы в раствор, содержащий HAuCl4. Цвет раствора при этом сменился с бледно-розового на темно-зеленый, а частицы сохранили форму яйца, в связи, чем такие частицы называют «нанояйцами».

Было показано, что бактерии в присутствии таких нанояиц образуют конгломераты во внешнем магнитном поле за достаточно быстрое время.

Чтобы нанояйца связывались с поверхностью бактерий более эффективно, к ним был пришит ванкомицин. Это вещество - антибиотик, ингибитор синтеза клеточной стенки бактерий, но в данном случае главную роль играла его способность связываться определенные пептидными структурами на бактериальной поверхности. Модифицированные ванкомицином наночастицы связываются как с ванкомицин-неустойчивыми, так и с ванкомицин-резистентными штаммами самых различных бактерий и под воздействием внешнего магнитного поля бактерии образовывали агрегаты и теряли способность к размножению. При их последующем облучении лазером в течение 3 минут возникала гипертермия, и более 99,5% бактерий погибало в течение 15 минут[3].

3.6 «Наноспеции»

Куркумин -- желтый полифенол, извлекаемый из корневища куркумы (Curcuma longa), имеет мощные противораковые свойства, что уже не раз демонстрировалось на раковых клетках человека и животных. Однако широкое клиническое применение этого относительно эффективного противоракового агента было ограничено плохой растворимостью в воде и, следовательно, отсутствием применений.

Нанотехнология доставки лекарств позволяет гидрофобным агентам, таким как куркумин, находиться в виде дисперсии в водной среде, таким образом, обходя малую растворимость.

Группа исследователей из Индии синтезировала полимерную наночастицу, заключающую в себя куркумин -- нанокуркумин, используя заполнитель из поперечно связанных и случайных сополимеров N- изопропилакриламид (NIPAAM) с N-винил-2-пиролидоном (VP) и поли (этиленгликоль) моноакрилатом (PEG-A). Нанокуркумин, в отличие от обычного куркумина, легко диспергируется в водной среде.

Нанокуркумин демонстрирует терапевтическую эффективность, сопоставимую со свободным куркумином при воздействии на клетки рака поджелудочной железы. Механизмы воздействия нанокуркумина на панкреатические раковые клетки такие же, что и у свободного куркумина, включая запуск клеточного апоптоза, блокаду активации фактора ядра каппа, и понижающая регуляция устойчивых состояний многократных провосполительных цитокинов.

Нанокуркумин даст возможность расширить клиническое использование еще одного эффективного агента, позволяя готовить его водную дисперсию. Будущие исследования нанокуркумина будут проходить доклиническую проверку на моделях для лечения рака и других болезней[13].



4. Наноматериалы

лекарственный вакцинация липосомный наночастица

Фуллерены, как новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли. Оказалось, что атомы углерода могут образовать высокосимметричную молекулу С60. Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр и напоминает футбольный мяч. В соответствии с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р.Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников. Первоначально С60 получали в небольших количествах, а затем, в 1990г., была открыта технология их крупномасштабного производства.

Фармакологические свойства фуллеренов и их производных

Сами по себе углеродные фуллерены как сильные окислители обладают цитотоксичностью, связанной с индукцией перекисного окисления липидов.

Поэтому для создания фуллеренов с удовлетворительной биосовместимостью необходимы их химические модификации ( например, включение гидроксильных или N-этиламино-групп). Маленький размер фуллеренов и возможность присоединения к ним лекарственных средств и других лигандов, придающих им органотропность, делает их весьма привлекательными для разработки нового типа лекарственных средств.

Выявлено, что фуллереновое ядро обладает чрезвычайно высокой способностью улавливать свободные радикалы, что делает фуллерены перспективными в аспекте возможного применения при патологиях, связанных с повреждающим действием радикалов (при болезни Паркинсона, Альцгеймера или ишемии тканей). Показано, что фуллерены способны уменьшать апоптоз нейронов, индуцируемый радикалами кислорода.

Ингибируя уровень радикалов кислорода, фуллерены могут оказывать противоаллергический эффект.

Исследователи экспериментировали с тучными клетками человека и мышей. Эти клетки в больших количествах содержатся в лимфатических узлах, селезенке и костном мозге. При контакте с аллергенами они начинают активно вырабатывать гистамин - биологически активное вещество, участвующее в запуске аллергической реакции.

Как показали эксперименты, добавление модифицированного фуллерена-60 сокращало продукцию гистамина в колонии клеток приблизительно в 50 раз.

Аллергическая чувствительность также значительно сокращалась у подопытных мышей, получавших инъекции этого соединения. При этом, вопреки опасениям исследователей, не было выявлено каких-либо признаков токсичности использовавшегося в эксперименте наноматериала.

Молекулы фуллерена-60 обладают высоким сродством к электронам, а значит, должны активно связывать свободные радикалы, высокие уровни которых провоцируют развитие аллергического ответа. Таким образом, использование гидроксильных производных фуллеренов открывает новые возможности в борьбе с аллергией, а также, возможно, и с целым рядом воспалительных и аутоиммунных заболеваний.

Обсуждается идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов (это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента) с радиоактивными изотопами или соединениями для нейтронзахватной терапии (гадолиний, бор, висмут). Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем - создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию. Американская компания C-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями.

Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью.

Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А и В [4,8,14].



ВЫВОДЫ

Исходя из материалов статей различных научных журналов, можно говорить о большой популярности нанотехнологий как в науке, так и в промышленности и медицине. Многие учёные занимаются проблемами нанотехнологий и стремятся изучить всевозможное их применение в различных областях науки.

В настоящее время имеется большой арсенал наночастиц, с помощью которых создаются наиболее эффективные и безопасные лекарственные средства.

Нанотехнологии позволяют доставлять вещества в конкретные участки организма, контролировать их высвобождение, избирательно действовать на клетки.

Можно сказать, что наука о наночастицах находится на этапе великих открытий.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й на-учно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" / И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров // МИЭМ. - 2002. - C. 248-253.

2. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые информационные техноло-гии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара / C.Б. Нестеров // МГИЭМ. - 2004. - C.21-22.

3. Gholam, A. Micro- and nanoparticulates / A.Gholam //Advanced Drug Delivery Reviews. - 2005. - V.57. - P. 2047-2052.

4. Yang, X. Nano- and microparticle-based Imaging of Cardiovascular Interventions: Overview / X. Yang // Radiology. - 2007. - V. 243. - P.340-347.

5. Triggered Release from Liposomes through Magnetic Actuation of Iron Oxide Nanoparticle Containing Membranes /E. Amstad, J. Kohlbrecher, E. Mller, T. Schweizer, M. Textor //Nano Lett. - 2011. - V. 11 (4). - P.1664-1670.

6. Interbilayer-crosslinked multilamellar vesicles as synthetic vaccines for potent humoral and cellular immune responses / James J. Moon, H. Suh, A. Bershteyn, T. Stephan, H. Liu, J. Ramos // Nature Materials. - 2011. - V. 10. - P. 243-251 .

7. The targeted delivery of multicomponent cargos to cancer cells by nanoporous particle-supported lipid bilayers / E. Ashley, C. Carnes, K. Phillips, David Padilla, N. Durfee // Nature Materials. - 2011. - V.10. - P. 389-397.

8. Борщевский, А.Я. Фуллерены /А.Я. Борщевский, И.Н. Иоффе,Л.Н. Сидоров, С.И. Троянов // Хим. - фармац. жур. - 2007. - Т.61,№ 2. - С. 46-53.

9. Terrian,L. Antibiotics Wrapped in Nanofibers Turn Resistant Disease-Producing Bacteria Into Ghosts / L. Terrian // ScienceDaily. - 2011. - V.4. - P. 212- 227.

10. Nanostructured porous hollow ellipsoidal capsules of hydroxyapatite and calcium silicate: preparation and application in drug delivery / Ming-Yan Ma, Ying-Jie Zhu, Liang Li, Shao-Wen Cao // J. Mater. Chem. - 2008. - V. 18. - P. 2722-2727.

11. Remotely nano-rupturable yolk/shell capsules for magnetically-triggered drug release / Shang-Hsiu Hu, You-Yin Chen, Ta-Chung Liu, Tsan-Hua Tung, Dean-Mo Liu, San-Yuan Chen // Chem. Commun. - 2011. - V. 47. - P. 1776-1778.

12. DNAsomes: Multifunctional DNA-Based Nanocarriers / Y. Roh, J. Lee1, P. Kiatwuthinon1, R. Hartman1, J. Hotin //sml. - 2010. - V.44. - P. 456-478.

13. Polymeric nanoparticle-encapsulated curcumin ("nanocurcumin"): a novel strategy for human cancer therapy / S. Bisht , G. Feldmann, S. Soni, R. Ravi , C. Karikar // Journal of Nanobiotechnology. - 2007. - V.11. - P. 1551-1601.

14. Еленин, Г.Г. Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства. Новое в синергетике: Взгляд в третье тысячелетие / Г.Г. Еленин // Наука. - 2002. - №6. - C.61-90.

Размещено на Allbest.ru