Наночастицы как контейнеры для доставки лекарств и вакцин

Одной из проблем фармакологии является транспортировка в организме лекарственных препаратов. Таблетки не всегда оказывают прямое воздействие на пораженные области. С момента принятия препарата и его действия проходит много времени. Также привычные для нас лекарства могут наносить вред другим органам, т.е. иметь побочные эффекты.

Хорошим решением данных проблем является использование нанотехнологий. Наночастицы способны выступать в качестве транспорта для лекарственных веществ. Улучшенный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии.

Драг-ддизайн (с англ. drug – лекарственный препарат, design – проектирование, конструирование) – индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов. Данная сфера имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты являются молекулярными объектами.

Основные понятия, используемые в драг-дизайне – это мишень и лекарство. Мишень – это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определённой функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определённое воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени – это рецепторы и ферменты. Лекарство – это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью. Если в качестве мишени выступает рецептор, то лекарство будет, скорее всего, его лигандом, то есть соединением, специфическим образом взаимодействующим с активным сайтом рецептора. Например, F1-аденозинтрифосфатаза (F1-АТФаза), относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. Диаметр молекулы фермента составляет 10–12 нм.

Таким образом, мы можем выделить несколько основных этапов по разработке лекарственных препаратов, использующих наноносители.

· биологический скрининг, то есть., поиск активных молекул (1–10 нм),взаимодействующих с биомишенью (белок или система белков, размером до 100 нм).

· изучение механизма действия (поиск биомишени и выявление механизма взаимодействия с ней активной молекулы).

· компьютерный дизайн потенциально активных соединений, путем расчёта энергий взаимодействия молекул-кандидатов и биомишени (белка) на расстоянии нескольких нанометров, то есть расчёт возможных структур и положений молекул, соответствующих минимальной энергии такого взаимодействия (динамическое моделирование которого занимает примерно 24 часа на суперкомпьютере мощностью около 200 терафлопс).

· целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих наномасштабных элементов («лиганд-биомишень», около 1–100 нм), что приводит к улучшению либо появлению дополнительных эксплуатационных и\или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов (повышение эффективности, биодоступности, уменьшение токсичности и побочных эффектов получаемых инновационных лекарственных препаратов).

· производство наноразмерных готовых лекарственных форм (липосомальные формы, биодеградируемые полимеры, наночастицы для направленного транспорта и т. д.).

· применение таргетных инновационных препаратов, обеспечивающее наноразмерное воздействие на биомишень, что приводит к терапевтическому эффекту.

На рисунке 2 представлены наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул.

 

 

 

 

Рис.2 (1 – липосома и аденовирус; 2 – полимерная наноструктура; 3 – дендример; 4 – углеродная нанотрубка)

 

Для доставки лекарств могут быть использованы биогенные наночастицы, такие как липосомы, липидные нанотрубки, наночастицы из нуклеиновых кислот. Интересно, что возможно и использование вирусов, а конкретнее, аденовирусов, которые после специальной обработки вводят через кожу. Особый интерес вызывают дендримеры, на поверхности которых стереоспецифически можно расположить необходимые функциональные группы, которые с максимальным эффектом будут взаимодействовать с вирусами и клетками. Нанотрубки обладают важным повышенным сродством к липидным структурам, они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами и, даже инкапсулировать эти молекулы. Совокупность указанных свойств обуславливает их применение в виде эффективных систем доставки вакцин и генетического материала. Перечень функциональных возможностей данных наночастиц очень обширен, а само их использование имеет грандиозные перспективы.

Изучено использование наночастиц в качестве комбинированной терапии для снижения устойчивости к антибиотикам. Они взаимодействуют с протеинами, тем самым снижая их активность в сопротивлении лекарствам. Интересно отметить, что наноносители могут обеспечить длительную циркуляцию лекарства в крови, что поможет повысить его эффективность и продолжительность действия. Также применение наночастиц увеличивает количество способов приема лекарств: их можно вводить перорально, внутривенно, внутримышечно, ингаляционно и интраокулярно.

Экономический сектор применения фармацевтических средств на основе наночастиц растет с каждым годом. Уже около 50% фармакологических компаний занимаются разработкой лекарств на наноносителях. А в США данные лекарства занимают 20% от всего рынка, что, в очередной раз, подчеркивает: нанообъекты в медицине больше не просто перспективы, они уже стали нашим настоящим.

 

2.6. Наноинженерия в медицине

Наномедицина - применение нaнотехнологических разработок в сфере здравоохранения и практической медицины.

В наномедецину входят разработки в сфере диагностики, транспортировки лекарств в организме человека посредством наночастиц, по лечению человека благодаря нанороботам или выращивания биосовместимых протезов с применением наноматериалов. Например, если взять отрасль наномедецины, в которой ведутся разработки устройств для изучения биологических систем, то можно говорить о нанобиотехнологии.Нанобиотехнология –это область нанонауки и наноинженерии, которая применяет методы нанотехнологии для создания устройств, благодаря которым мы можем изучать различные биологические системы. Помимо устройств, рамках нанобиотехнологии, также изучаются возможности использования живых систем для создания наноустройств.

Историческая справка

Новое направление наномедициныеще долгое время будет находиться в стадии становления, так как в данной сфере, то есть в сфере практической медицины, наноинженерные технологии можно использовать во многих ситуациях. Методы новой медицинской науки только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов предпологают, что именно эти методы станут основными в будущем. Так, например, Национальные институты здравоохранения США включили наномедицину в пятёрку самых приоритетных областей развития медицины в XXI веке. Ряд зарубежных научных центров уже продемонстрировали опытные образцы в областях диагностики,протезирования, лечения и имплантирования. Государственная корпорация РОСНАНО, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах, уже утвердила и реализует несколько проектов, продукция которых может использоваться в здравоохранении имедицине.

Наномедицина стремится предоставить внушительные набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств в ближайшем будущем.Одной из целейнаномедецины для исследований являются нейроэлектронные интерфейсы и другие наноэлектронные сенсоры.

Нанороботы

Эрик Дрекслер, классик в области нанотехнологических разработок и предсказаний,в своих фундаментальных работах описал основные методы лечения и диагностики на основе нанотехнологий. Для достижения этих удивительных результатов потребуется создание машин ремонта клеток, прототипами которых являются нанороботы. Медицинские нанороботы должны уметь диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и лимфатических системах человека и доставлять лекарства к поражённой области,перемещаясь во внутренних органах, даже делать хирургические операции. Дрекслер также предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики.

Медицинский наноробот будет иметь микронные размеры, позволяющие двигаться по капиллярам, и состоять из углерода (углерод и его производные выбираются по причине высокой прочности и его химической инертности).Работа наноустройств может наблюдаться внутри тела с помощью ядерного магнитного резонанса, особенно если их компоненты будут сделаны в основном из углерода-13, а не натурального изотопа углерода-12, так как углерод-13 имеет ненулевой ядерный магнитный момент.

Но, к сожалению, конструкции нанороботов ещё не разработаны и находятся в стадии проектирования. Их использование, порядок и время работы, время вывода из организма будут зависеть от конкретных задач, поставленных перед врачами.
В качестве основных источников энергии предполагается использовать локальные запасы аминокислот и глюкозы в теле человека. Предполагается, что управление нанороботами будет осуществляться путём подачи команд через компьютер. А само лечение будет заключаться во введении нанороботов в человеческое тело для дальнейшего анализа ситуации и принятия решения о выборе метода лечения.Потребуются специальные нанокомпьютеры, для осуществления управлениянанороботами. Эти компьютеры будут давать машинам(нанороботам) команды осматривать, разбирать и перестраивать повреждённые молекулярные структуры. Нанороботы смогут чинить целые клетки, структуру за структурой. Если заходить дальше, то обрабатывая клетку за клеткой и ткань за тканью, он смогут починить даже целые органы. Наконец, обрабатывая орган за органом, они восстановят здоровье всего телачеловека. Клетки, повреждённые до состояния неактивности, могут быть отремонтированы ввиду возможности наномашины строить клетки с нуля. Исходя из этого, наномашины смогут освободить медицину в зависимости от саморемонта организма.

Среди проектов будущих медицинских нанороботов уже существует внутренняя классификация на микрофагоциты, респироциты, клоттоциты, васкулоиды и другие.

Микрофагоцитыбудут предназначены для очищения крови человека от вредных микроорганизмов, помогая в свертывании крови, транспорте углекислого газа и кислорода,создании надстройки к естественной иммунной системе. Ученые предпологают, что микрофагоциты будут находить в организме человека чужеродные элементы и перерабатывать их в нейтральные соединения, которые уже будут неопасны.

Респироцитыбудут являться аналогами эритроцитов (красные кровяные тельца, доставляющие кислород к клеткам), которые будут иметь значительно большую функциональность, чем их природные прототипы. Ученые говорят, что их внедрение позволит снизить постоянную потребность человека в кислороде, позволяя подолгу обходится без него, и поможет людям, страдающим астматическими заболеваниями.

Клоттоцитыбудут искусственными аналогами тромбоцитов (клеток, участвующих в свертывании крови). Эти машины, будучи более эффективнее своих природных аналогов во много раз, позволят прекращать различные кровотечения в течение малого времени. Их работа будет заключаться в быстрой доставке к месту кровотечения связывающей сети. Эта искусственная сеть будет задерживать кровяные клетки, останавливая ток крови.Клотоциты будут незаменимыми нанороботами в хирургии, для быстрой остановки кровотечения, например, из-за поврежденной артерии.

Предпологается, что васкулоидбудет представлять собой механический протез, созданный на основе предыдущих видов нанороботов, и входящий в состав проекта по созданию робототехнической крови, совместно разработанного Робертом Фрайтасом иКрисом Фениксом. Этот проект представляет собой комплекс медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в теле человека, выполняя все функции естественной кровеносной системы, но только гораздо лучше и эффективнее природной. Такая кровеносная система позволит своему владельцу не бояться микробов и вирусов, атеросклероза и венозного расширения вен, не говоря уже о тотальном лечении больных и поврежденных клеток.
С появление нанороботов в медецинской практике можно прийти к следующим результатам:

· С помощью нанороботов будет возможно полное обследование пациента.

· От операций на органах медицина перейдёт к операциям на молекулах.

· Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Они смогут устранять изменения в организме, ведущие к старению, при условии снабжения полным описанием человеческого тела с точностью до атома

· Эти крошечные механизмы смогут взять на себя некоторые функции организма. Например, нанороботы смогут участвовать в транспорте кислорода и углекислого газа, свертывании крови, создании кровеносной системы.
Это неединственные возможные результаты, которые возможно получить посредством введения наноинженерии в медеицинскую сферу.