Анализ нанотехнологий при доставке лекарственных средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные направления применения нанотехнологий в фармации

2. Наноразмерные системы доставки лекарственных веществ

3. Основные направления в технологии получения наноносителей лекарственных веществ

Заключение

Литература

Введение

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

Впервые идея о возможности создания объектов путем их молекулярной или даже атомной сборки высказывалась в лекции Р.Ф. Фейнмана «Внизу полным-полно места», прочитанной им в Калифорнийском технологическом институте в 1960 г. А после выхода книги Дрекслера «Машины творения» широкое распространение приобрел термин «нанотехнология».

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. Ранее этот термин был предложен Норио Танигучи, понимавшим под этим любые субмикронные технологии.

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. Эти технологии трансформируют устоявшиеся научные дисциплины (например, биохимию) и позволяют создавать новые (например, прикладную генетику).

По определению ведущего ученого в данной области Р. Фрейтаса, наномедицина -- это слежение, исправление, конструирование и контроль биологических систем человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур. Наномедицина пока еще только зарождается, но уже существуют нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, даст результат. Ближайшие перспективы применения нанотехнологий в медицине и фармации могут рассматриваться во взаимодействии дисциплин по созданию молекул, нанотехнологий твердых веществ, микроэлектроники, микроэлектромеханических (microelectromechanical systems -- MEMS) и микрооптикоэлектромеханических систем (microopticalelectromechanical systems -- MOEMS).

Нанотехнология может стать гигантским шагом человечества на пути к созданию новых приборов и препаратов для лечения множества заболеваний, а возможные медицинские достижения, которые станут доступными с помощью нанотехнологии, простираются от диагностики до терапии.

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. По мнению ученых, количество целевых зон для лекарственных препаратов, которые будут выявлены в результате исследования генома человека, может составить от 3.000 до 10.000 (по сравнению с 417, эмпирически полученными в настоящее время).

Кроме того, детальное понимание взаимодействия между генами, молекулярным движением и болезнью может дать возможность создания высокоспецифичных, индивидуальных лекарственных препаратов.

Вероятно, что фармацевтическая отрасль будет переходить от парадигмы исследования медикаментов через сочетание различных компонентов в препарате к целевой инженерии молекул с заданными свойствами. 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.

На наш взгляд наиболее реальное применение в настоящее время получили достижения нанотехнологии в доставке лекарственных средств.

В связи с вышеизложенным целью настоящей курсовой работы явилось исследования наноразмерных систем доставки лекарственных веществ и рассмотреть основные технологии их получения.

1. Основные направления применения нанотехнологий в фармации

Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне. Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты.

О значении наномедицины свидетельствует поступательный рост публикаций на эту тему в международных научных журналах. В течение 10 лет количество научных публикаций по наномедицине в мире увеличилось в 4 раза. Растет также число патентных заявок на изобретения, а это указывает на увеличивающуюся коммерциализацию данной сферы. Бесспорным лидером и по научным публикациям, и по числу патентных заявок являются США - оттуда приходят ежегодно 32% публикаций и 53% заявок, следом идут Германия (8% публикаций и 10% заявок) и Япония (9 и 6%, соответственно).

Движущей силой многих наномедицинских инноваций являются start-up-компании, строящие свою стратегию на внедрении и коммерциализации инноваций.

Интерес фармацевтической и медицинской промышленности к нанотехнологиям в последние годы значительно повысился, поэтому следует ждать значительных вложений в эту область. В недалеком будущем нанотехнологии будут играть одну из ведущих ролей в качестве движущей силы инноваций в медицине.

Уже в 2004 г. мировой оборот наномедицинских препаратов оценивался экспертами в 6 млрд. долл. Правда, в этих подсчетах эксперты относят к наномедицинским любые медицинские технологии, в которых используются наноматериалы или нанотехнологии. Так, применение наночастиц золота в экспресс-диагностике является лишь одной из составных частей диагностического теста, но их присутствие дает основание экспертам причислить данный способ диагностики к нанотехнологиям.

Более 50% фармацевтических компаний-производителей, которые активно работают в области наномедицины, используют нанотехнологии для разработки систем доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. Эти препараты дают сегодня 80% оборота в мировой наномедицине. Одной из ведущих областей применения таких систем является онкология. Применение систем доставки направлено на уменьшение неблагоприятных побочных эффектов ЛС. Среди этих нанопрепаратов уже имеются два блокбастера, не считая других успешных препаратов, вместе их оборот составляет 5 млрд. долл.

Значительно ниже доля предприятий, производящих на нанотехнологической основе имплантаты (19%) и средства для диагностики in vitro (17%). Наиболее сложными проблемами - разработкой методов и средств лечения на основе принципиально новых терапевтических концепций -- занимаются лишь 3% компаний.

Системы доставки активных веществ

В 60-е годы прошлого века были получены липосомы, способные доставлять в орган-мишень лекарственное вещество. Различают два вида липосом: мультиламелларные липосомы, диаметр которых может составлять до 10 µm, и состоящие из одной ламеллы (пластинки) с диаметром примерно от 20 до 50 nm. Последние используются в качестве средства доставки активного лекарственного вещества.

Полимерные наночастицы было предложено использовать в качестве систем доставки в 70-х гг. ХХ в. Исходным материалом для них могут служить различные естественные или биоинертные синтетические полимеры, например, полисахариды, полимолочная кислота, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры и др. Под термином «полимерные наночастицы» понимают два морфологически различных вида частиц: наносферы и нанокапсулы. Наносферы представляют собой сплошные полимерные матрицы, на которых распределяется активное вещество. Нанокапсулы состоят из полимерной оболочки, охватывающей наполненную жидкостью полость. Эти виды наночастиц различаются по высвобождению активного лекарственного вещества: из наносфер высвобождение протекает по экспоненте, а из нанокапсул -- в течение длительного времени константно.

Еще один тип систем доставки лекарственных активных веществ обязан достижениям в области разработки дефинированных поливалентных и дендритических полимеров. Здесь примерами могут послужить полианионные полимеры - ингибиторы клеточных связей с вирусами, поликатионные комплексы с ДНК или РНК (т.н. полиплексы) и дендритические частицы.

К сожалению, несмотря на высокий потенциал эффективности, системы доставки активных веществ в органы и ткани-мишени связаны и с нежелательными побочными эффектами. Так, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba после анализа данных по безопасности различных систем доставки, приняли решение сосредоточиться на разработке ЛС с расщепляемым наноносителями, поскольку безопасность стабильных наночастиц вызывает сомнения и нужны дополнительные исследования для ее подтверждения.

Поиск альтернативных систем продолжается. Наряду с совершенствованием известных систем доставки разрабатываются новые -- соединения полимеров с активными веществами, полимерные мицеллы, неорганические наночастицы, твердые липидные наночастицы, фуллерены. Последние, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса ЛС. На основе фуллеренов разрабатываются препараты - средства доставки ЛС для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

Системы доставки имеют большое значение для ЛС на основе протеинов, действие которых зачастую снижается из-за ограниченного времени нахождения в крови, химической лабильности и способности провоцировать иммунную реакцию. С помощью систем доставки ученые пытаются улучшить аппликационные свойства протеиновых препаратов. Благодаря присоединению к протеину полимерной цепочки удается не только увеличить период их полураспада в крови, но и повысить их эффективность. Сегодня известны два бестселлера среди нанофармацевтических препаратов -- полимер-протеиновый конъюгат, Пегасис (Pegasys - пэгилированный альфа2а-интерферон) для лечения гепатита С и Нейласта (Neulasta - пегилированный hG-CSF) для терапии нейтропении.

Активные вещества и новые способы лечения

Нанометровые молекулы могут применяться непосредственно в качестве активных веществ. В частности, интересным классом молекул с этой точки зрения являются дендримеры. Эти разветвленные, как крона дерева, молекулы (отсюда их название) могут достигать размера мелких протеинов. По сравнению с классическими полимерными молекулами они обладают тем преимуществом, что можно контролировать их синтез с заданными свойствами, т.е. запрограммировать для определенного медицинского применения. Кроме того, на поверхности можно расположить специфическим образом определенные функциональные группы, так что они будут особенно эффективно взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel - гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. Вивигель разработан австралийской биотехнологической компанией Starpharma, сейчас проходят его клинические исследования.

Одним из новых принципов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров. Так пытаются решить проблему недостаточной растворимости ЛС: 40% новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо и, соответственно, обладают недостаточной биодоступностью.

В 90-е годы удалось получить наночастицы активного лекарственного вещества, т.н. активные нанокристаллы, с помощью процессов размельчения или гипербарической гомогенизации. Эти наночастицы на 100% состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить гранулы или таблетки из суспензии. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200-600 nm. Для улучшения аппликационных свойств нанокристаллических лекарственных средств проводят модификацию поверхности кристаллов. В этом направлении работают компании Wyeth-Ayers Laboratories (США), PharmaSol (ФРГ), SkyePharma (Великобритания), Merck&Co. (США) и многие др. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику в 2000 г., является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) - иммуносупрессивное ЛС, которое применяют после трансплантации органов. При производстве этого препарата была применена технология Nano-Crystal® (разработчик -- Elan). А в 2003 г. фармконцерны Merck&Co. и Johnson&Johnson заключили контракт с компанией Elan на применение этой технологии при производстве других инновационных ЛС.

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 токсические эффекты, вплоть до тромбозов сосудов [6];

способность наноносителей проникать внутрь клеток, что наиболее эффективно для частиц размером от 300 до 50 нм;

вязкость суспензии наноносителей в плазме крови.

В отличие от макрокапсул (например, желатиновых) и микрокапсул (размером 500-10 мкм), наноносители предназначены не для перорального введения (хотя и оно применяется), для инъекционного введения в/в (транспорт к органам-мишеням либо длительная циркуляция в кровяном русле), в/м (депо ЛВ или постепенное поступление наноносителей либо выделяемых ими ЛВ в кровоток) [11]. Также используется ингаляционное и ин-траокулярное введение наноносителей. Возможна также интра- и трансдермальная подача ЛВ с помощью наноносителей. Широко применяются наноносители в косметике.

1. Нанокапсулы представляют собой полые сферические контейнеры (с толщиной стенки ~10-30 нм), содержащие жидкую среду, в которой растворено ЛВ. Высвобождение ЛВ из нанокапсулы происходит за счет диффузии ЛВ через стенку или разрыва капсулы. Скорость высвобождения регулируется дизайном нанокапсул и способом их получения. Обладая большой удельной поверхностью, нанокапсулы пригодны для труднорастворимых ЛВ. При пероральном введении растет абсолютная биодоступность, падает индивидуальная вариабельность и эффект потребленной пищи. Максимум концентрации ЛВ в плазме достигается быстрее. В зависимости от морфологических особенностей используемого для синтеза наночастиц материала и технологии производства, можно выделить несколько наиболее распространенных групп носителей:

Липосомы

На рассмотрении липосом, являющихся одними из средств доставки ЛВ, следует остановиться подробнее.

Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодергадируемы, при определенных условиях могут поглощаться клетками, их мембрана может сливаться с клеточной мембраной, что ведет к внутриклеточной доставке их содержимого [13]. Кроме того, вещество, заключенное в липосомы, защищено от воздействия ферментов, что увеличивает эффективность препаратов, подверженных биодеструкции в биожидкостях

Очень важное свойство липосом (как, впрочем, и других наночастиц) стало основой для конструирования эффективных антираковых препаратов. Речь идет о соотношении размеров наночастиц и диаметра пор капилляров. Так как размер наночастиц больше диаметра пор капилляров, их объем распределения ограничивается компартаментом введения. Например, при в/в введении они не выходят за пределы кровотока, т.е. должны плохо проникать в органы и ткани. Следовательно, резко понижается токсическое действие субстанции, ассоциированной с наночастицами. Это свойство может служить основой для направленной доставки химиотерапевтических препаратов в солидные опухоли и очаги воспаления, так как капилляры, снабжающие эти области кровью, как правило, сильно перфорированы. Следовательно, наночастицы будут накапливаться в опухоли. Это явление получило название пассивное нацеливание. Таким образом, существует две причины, вследствие которых липосомаль-ные препараты антиканцерогенных субстанций очень эффективны: уменьшение токсичности и пассивное нацеливание.

На мировом фармацевтическом рынке появился ряд липо-сомальных противораковых препаратов (антрациклины дауноми-цин и доксорубицин, винкристин, аннамицин и третиноин), многие из них - на последних стадиях клинических испытаний.

Важной областью применения липосом становится генная терапия. Липосомы как средство доставки генетического материала выступают и как защита от нуклеаз, и в качестве компакти-зирующего средства (положительно заряженные липосомы), и как инициатор эндоцитоза. Важнейшим этапом процессинга виросом является слияние ее мембраны с мембраной эндосомы, происходящее под действием гемагглютинина. При этом содержимое липосомы попадает в цитозоль, то есть избегает лизосо-мальных ферментов. Именно этот путь считается предпочтительным для липосом, нагруженных генетическим материалом. Липосомы рассматриваются как перспективные носители. Некоторые композиции оказываются сравнимыми по эффективности транс-фекции с аденовирусными векторами. Но липосомы, как и другие наночастицы, довольно быстро захватываются РЭС. Это происходит вследствие взаимодействия липосом с белками плазмы -опсонинами (в основном, компонентами комплемента). Опсони-ны «метят» Лс, делают их мишенями для клеток РЭС. Понятно, что увеличение времени их циркуляции еще больше повысит эффективность липосомальных препаратов. С этой целью несколько лет тому назад было предложено их поверхность модифицировать полимерами с гибкой гидрофильной цепью, например полиэтиленгликолем (ПЭГ). Для этого используются специальные модифицированные липиды, например, фосфатидилэта-ноламин (ФЭ), конъюгированный с ПЭГ.

Очень эффективны липосомы для препаратов, мишенью которых являются клетки РЭС, так как именно эти клетки интенсивно поглощают наночастицы. Такая ситуация складывается при внутриклеточной микробной инфекции и при вакцинации. Доставка амфотерицина В в зараженные клетки приводит к прекрасным результатам при системных грибковых инфекциях, висцеральном лейшманиозе. Во многих странах Европы уже можно купить подобные препараты (AmBiosome, ABLC, Amphocil). Последний лицензирован и для российского рынка.

Таким образом, постепенно складывается модель идеальной липосомы, как средства направленной доставки ЛВ в клетку. Такая липосома содержит во внутреннем объеме ЛВ, например, ДНК в случае генной терапии, на ее поверхности иммобилизованы гибкие цепи полимера для уменьшения поглощения клетками РЭС, молекулярный адрес, в мембрану инкорпорированы белки слияния. Кроме того, мембрана состоит не только из обычных фосфолипидов, образующих бислой (чаще фосфатидилхолина), но и липидов, способствующих слиянию с мембраной клетки (например, диолеоилфосфатидилэтаноламина) [3].

Липосомы могут быть весьма полезны для солюбилизации веществ, плохо растворимых как в воде, так и в масле, например, таксола, бетулиновой кислоты. Нами получены липосомальные композиции, содержащие до 10 мольных процентов этого препарата, проявившего избирательное действие против меланомы.

Основной недостаток липосом как лекарственной формы -относительная небольшая стабильность при хранении. Этого недостатка лишены полимерные наночастицы, имеющие практически те же области возможного применения. Но в отличие от липосом, полимерные наночастицы состоят из менее безопасного материала, чем фосфолипиды. Этим в основном сдерживается их продвижение в качестве лекарственной формы.

Полимерные липосомы.

Полимерные липосомы представляют собой лиотропные жидкие кристаллы, состоящие из амфифильных бислоев.

Полимерные липосомы также образуются при диспергировании в водной среде мембран животных клеток и липидов. В зависимости от размера и числа бислоев липосомы делятся на три класса: мультиламеллярные везикулы, малые моноламеллярные везикулы, диаметром <100 нм, большие моноламеллярные везикулы, диаметром >100 нм. нанотехнология лекарственный препарат врачевание

Как и в случае просто липосом, мембрана полимерных липосом состоит из фосфолипидов растительного и животного происхождения (подсолнечное масло, соя, яичный желток), а также из керамидов, холестерола, жирных кислот, синтетических ионных и неионных ПАВ. Для того чтобы получить полимерные аналоги биологических мембран и полимерные липосомы в гидрофильную или гидрофобную часть фосфолипидов (либо схожих по строению синтетических аналогов) вводят группы, способные полимеризоваться в ориентированных упорядоченных системах. В качестве полимеризующихся групп обычно используют остатки метакриловой кислоты, связанные с концевыми алифатическими цепями. Полимерные липосомы также получали поликонденсацией эфиров длинноцепочечных аминокислот, например С24Н49СН(Г\Н2)СООСНз . Еще одним новым подходом к созданию полимерных липосом является введение водорастворимых полимеров в структуру липидных слоев липосомальных оболочек (мембран), что позволяет повысить их устойчивость и длительность циркулирования в кровеносном русле (Stealth*-липосомы,), и создает дополнительные предпосылки модификации липосом, например, для придания им векторных свойств. Для модификации липосомальных оболочек используют амфифильные производные ПЭГ, ПВП, акриламида[14].

Полимерные мицеллы.

Мицеллы можно отнести к группе лиофильных коллоидных систем, представляющих собой ассоциаты молекул ПАВ. Мицеллами называются коллоидные частицы, которые включают в себя большое семейство дисперсных систем, состоящих из дисперсной фазы, находящейся в дисперсионной среде. По размеру частиц коллоидные дисперсии занимают место между молекулярными дисперсиями с размером <1 нм и коалесцентны-ми дисперсиями, размер которых >0,5 мкм. Более точно можно сказать, что средний размер используемых мицелл на основе амфифильных полимеров составляет от 5 до 100 нм в диаметре.

Морфология мицеллярных форм, которые можно получить из амфифильных полимеров, довольно разнообразна. Обычно предполагается, что сополимеры образуют мицеллы, близкие по форме к сферическим. Однако в большом количестве публикаций показано, что существует множество мицеллярных форм несферической формы. Это различные палочкообразные формы, кольца, ламеллярные структуры, ленточные формы, трубчатые структуры, гексагональные упаковки.

К преимуществам нанокапсул относят низкую токсичность вследствие возможности использования природных компонентов жировой фазы, а также выход продукции с высокой степенью разделения за счет использования ряда технологических приемов (гомогенизация давлением) [9]. Однако осуществление контролируемого высвобождения ЛВ в случае нанокапсул затруднено из-за небольших размеров и жидкой составляющей структуры носителя. Пролонгированное высвобождение требует включения очень липофильных ЛВ: их индекс распределения в системе октанол: вода должен быть >1 000 000: 1.

Наночастицы

Эта подгруппа является более перспективной в плане достижения контролируемых параметров высвобождения вследствие снижения подвижности ЛВ за счет твердой структуры матрицы [8]. Это монолитные, обычно сферические образования, содержащие ЛВ или по всей массе наночастицы, или только на ее поверхности. Выделение ЛВ из наночастицы идет постепенно с контролируемой скоростью: только с поверхности; со всей массы наночастицы после ее распада или набухания. В зависимости от морфологических особенностей используемого для синтеза наночастиц материала можно выделить несколько наиболее распространенных групп носителей: термически или химически модифицированный сывороточный альбумин; химически модифицированные полисахариды (например, диальдегидкрахмал); нанокристаллы, состоящие только из ЛВ, подвергнутого измельчению, что позволяет им растворяться со скоростью, превышающей скорость растворения частиц более крупных размеров;

Нанокристаллы по сравнению с другими наносистемами имеют следующие преимущества: высокая (~100%) степень содержания ЛВ; простая и предсказуемая подача ЛВ (скорость высвобождения растворимого ЛВ зависит от скорости растворения нанокристаллов); распределение ЛВ в организме происходит как обычно; простой и эффективный способ производства.

Добавляемые иногда биостабилизаторы не только стабилизируют нанокристаллы (например, от агрегации), но и дают возможность контролировать их распределение в организме, время транспорта через желудочно-кишечный тракт, а также биоадгезию, т. е. прилипание к стенкам кишечника в определенном месте (мишени). Уменьшается терапевтическая доза ЛВ. Актуально применение нанокристаллов для анальгетиков, когда подавление боли и уменьшение вариабельности концентрации ЛВ в плазме играют решающую роль. Дисперсия нанокристаллов напроксена через ~20 мин дает в 3-5 раз большую концентрацию ЛВ в плазме по сравнению с обычной суспензией или таблетками ЛВ и меньшую зависимость от содержимого желудка.

Нанокристаллы ЛВ включают в макрокапсулы, матричные таблетки и т. д. Добавление биоспецифических мукоадгезивов (веществ, склеивающихся со слизистой оболочкой) позволяет локализовать действие нанокристаллов ЛВ в определенной области ЖКТ. Для плохорастворимых ЛВ суспензия нанокристаллов ведет себя как раствор и использована в аэрозолях, например для дипропионата беклометазона. Инъекционное введение нанокристаллов дает более длительное удержание ЛВ в месте введения, позволяет контроль биораспределения ЛВ в организме и избежать поглощения ЛВ фагоцитирующими клетками. Применение нанокристаллов в диагностике включает лимфо-, ангиографию, диагностику печени и др. органов посредством рентгеновского анализа, компьютерной томографии и магнитно-резонансного исследования. Используются и биодеструктирую-щиеся нанокристаллы, т.е. распадающиеся постепенно в организме, полимеры и сополимеры (полиалкилцианоакрилаты, полиллактидгликолиды).

Наносистемы, созданные на основе полимерных носителей, вызывают возрастающий интерес в фармакологии, т.к. они представляют один из видов терапевтических систем и могут транспортировать ЛВ внутрь клеток. При циркуляции таких носителей содержащееся в них ЛВ защищено от инактивации, а его действие пролонгируется [10,15]. Наносистемы доставки ЛВ имеют преимущества: быстрое получение в больших количествах, возможность включения плохорастворимых в воде веществ, регулирование накопления препарата в различных органах и тканях организма в зависимости от размера частиц

Таким образом, рассматривая изложенные выше позиции, можно сделать вывод о том, что область создания наносомальных лекарственных форм является одной из составляющих в общем комплексе подходов к осуществлению направленной доставки ЛВ. Исследования в данном направлении обладают высоким потенциалом и представляют собой основу будущего производства ЛВ с наносоставляющей компонентой системы доставки, которые войдут в медицинскую практику в ближайшие годы.

3. Основные направления в технологии получения наноносителей лекарственных веществ

В современной фармацевтической технологии одним из наиболее значимых подходов к решению вопроса роста степени эффективности и безопасности химиотерапии является разработка и создание дозированных лекарственных форм, характеризующихся наличием показателя направленности действия.

Селективность их влияния обуславливается модификацией параметров систем доставки, в среде которых ведущие позиции занимают заданные наноразмерные параметры системы носителей. Основными коммерческими и терапевтическими целями использования данных видов носителей лекарственных веществ являются: увеличение биодоступности при пероральном приеме; повышение стабильности; развитие лекарственных форм для внутривенного пути введения; направленная доставка лекарственных веществ; управление циклом существования лекарственной формы (защита путем использования подходящих технологий).

Наиболее известным примером, иллюстрирующим степень развития в данной области, является микроэмульсия преконцентрата циклоспорина (Sandimmun - Neoral), которая позволила минимизировать неустойчивость, характерную для фармакокинетических параметров Sandimmun. Также на фармацевтическом рынке существуют такие препараты, как наноэмульсия этомидата (Etomidat-Lipuro), диазепама (Diazepam-Lipuro), мицеллярная смесь (Valium-MM, Konakion), липосомальная смесь (Ambisome).

Непосредственно саму технологию изготовления наносистем можно подразделить на две большие категории относительно природы используемых в синтезе материалов: липидные наноносители; полимерные наноносители.

Липидные носители

Используемые материалы. Основными ингредиентами являются лекарственное вещество, липид, эмульгатор и вода. В зависимости от особенностей применения могут присутствовать такие группы веществ, как осмотические агенты, матричные системы для лиофилизации, буферные растворы и т.д. Для снижения риска возникновения острой или хронической токсичности при приеме лекарственной формы на основе липидных наноносителей чаще используют физиологические липиды. Как правило, термин «липиды» используется в очень широком смысле этого слова и включает в себя триглицериды, моностеараты, жирные кислоты, воски и т.д. [18].

Выбор эмульгатора зависит от способа введения препарата и в большей степени ограничен при парентеральном пути приема. Наиболее часто используемые для этих целей группы веществ включают в себя различные виды полисорбатов, лецитина, желчных кислот и т.д. Анализ методик изготовления. В основе большинства используемых на сегодняшний день методик лежит процесс гомогенизирования составляющих с применением различных режимов и моделей гомогенизаторов и непосредственно эмульгирования, микроэмульгирования.

Гомогенизация: гомогенизация с высокой степенью измельчения (роторная); ультразвуковое диспергирование.

Оба метода распространены и достаточно просты в исполнении. Однако в случае ультразвукового способа диспергирования может возникнуть загрязненность лекарственной формы микрочастичками корпуса диспергатора. Ahlin et al. использовал роторный гомогенизатор для изготовления липидных наноносителей путем размягченного эмульгирования. Он исследовал влияние различных параметров, характеризующих процесс (время эмульгирования, скорость перемешивания, условия охлаждения и т.д.) на размер частиц и величину зета-потенциала. В большинстве случаев, средний размер частиц в диапазоне от 100 до 200 нм был получен при значении скорости перемешивания 20 000 - 25 000 оборотов в минуту в течение 8-10 минут.

Гомогенизация высоким давлением обеспечивает возможность получения частиц минимального размера без их дальнейшего укрупнения. В основе действия лежит принцип размельчения частиц потоком жидкости, разогнанным очень высокой скорости большим давлением (10-200МПа). Содержание в гомогенизируемом субстрате липидов (обычно 5-10%) не влияет на процесс измельчения, причем даже при увеличении липидной фракции до 40% гомогенизация проходит успешно. В процессе любого описанного выше гомогенизирования может применяться методика холодного или теплового измельчения.

Тепловая гомогенизация. Выполняется при температурном режиме, область значений которого находится выше точки плавления используемого липида. Затем при этой же температуре осуществляется смешивание первичной эмульсии (нагруженная лекарственным веществом липидная фаза) и водной эмульгирующей фазы. Структура первичной эмульсии в большой степени влияет на морфологические особенности конечного продукта, поэтому желательно получить капельную фазу размером порядка нескольких микрон. Дальнейшее гомогенизирование также осуществляется при повышенной температуре, и, в общем, можно сделать вывод, о том, что повышение температурного режима приводит к уменьшению размера частиц, вероятно, из-за снижения плотности внутренней среды [13]. Однако чрезмерное увеличение температуры может повредить как лекарственному веществу, так и структуре носителя. Сам процесс гомогенизации может быть повторен несколько раз, в большинстве случаев оптимальным является проведение 3-5 циклов при давлении 500-1500 бар. При дальнейшем возрастании давления может произойти укрупнение частиц из-за коалесценции вследствие возрастания уровня их кинетической энергии. Начальным продуктом тепловой гомогенизации является эмульсия, образованная жидко-структурированными липидами [7]. Непосредственно сами ли-пидные носители образуются при охлаждении эмульсии до комнатной температуры или несколько ниже. Кристаллизация липидов может в значительной степени задерживаться из-за небольших размеров частиц, и эмульсия может оставаться в виде «сверххолодного расплава» в течение нескольких месяцев.

Холодная гомогенизация. При использовании данной технологии необходим температурный контроль и регуляция для сохранения липидов в нерасплавленном виде. Холодное гомогенизирование позволило решить три основные проблемы предыдущей методики: не происходит разрушения лекарственных веществ под воздействием высоких температур; лекарственное вещество не перераспределяется в водную фазу в процессе смешивания компонентов; не возникает модификации структуры липидов и возникновения «сверххолодного расплава» вследствие сложности кристаллизационной фазы.

Первым шагом, как и в случае тепловой гомогенизации, является включение лекарственного вещества в нагретый слой липидов, однако затем происходит очень быстрое охлаждение (с помощью сухого льда или жидкого азота). Затвердевший липидный слой измельчается до размеров частиц 50-100 мкм, чему способствует возросшая ломкость. Затем твердые микрочастицы диспергируются в охлажденном растворе эмульгатора. Первичная суспензия помещается в гомогенизатор при комнатной температуре или несколько ниже нее [1,15].

Данная методика позволяет минимизировать тепловое воздействие (однако, не полностью избежать его), но, в целом, частицы образуются большего размера и со значительной широтой распределения.

Эмульгирование. Липофильный материал растворяется в несмешивающимся с водой растворителе (например, циклогекса-не), затем происходит эмульгирование в водной фазе для получения эмульсии масло/вода. Выпаривание растворителя осуществляется путем снижения давления, образуется дисперсия липид-ных наноносителей. В общем случае диаметр частиц зависит от содержания липидов в органической фазе. Частицы диапазона малых размеров получаются при содержании липидов около 5% по отношению к органическому растворителю [5]. С повышением концентрации эффективность диспергирования падает из-за увеличения плотности дисперсионной среды. Однако преимуществом данной методики является отсутствие какого-либо температурного воздействия, основной недостаток заключается в использовании органического растворителя [9].

Микроэмульгирование. Данная методика основана на разбавлении микроэмульсии, полученной путем перемешивания смеси, обычно включающей низкоплавящиеся жирные кислоты (например, стеариновая), эмульгатор (ПС 20,60 и т.д.), соэмуль-гатор (бутанол, монооктилфосфат натрия) и воду. Нагретая микроэмульсия диспергируется в холодной воде (2-3С) в соотношении от 1:25 до 1:50. Процесс разбавления определяется составом микроэмульсии. По литературным данным, наноразмерные частицы структуры уже присутствуют в микроэмульсии, соответственно, не требуется дополнительных затрат энергии для формирования частиц субмикронного размера. Однако из-за стадии разбавления, достижимое содержание липидов значительно ниже такового по сравнению с другими методиками [17].

Анализ данных, полученных в процессе изготовления и хранения наносомальных систем доставки на липидной основе позволил сделать вывод о том, что, несмотря на выраженную физиологичность и доступность, липидные наноносители отличаются небольшой стабильностью и малой контролируемостью параметров высвобождения. Кроме того, липидная составляющая наносистемы характеризуется выраженной неустойчивостью структуры кристаллической решетки к воздействию высоких температур, требуемых для осуществления ряда технологических стадий. В совокупности, это делает наносомальную лекарственную форму на липидной основе системой, в значительной степени требующей дальнейшего усовершенствования [2].