Наноматериалы медицинского назначения

Нанопористые материалы. Простейший вариант наноматериала - это поверхность с отверстиями (порами), имеющими наноразмерный диаметр. Одним из первых наномедицинских материалов является изобретенный в 1995 г. Desai и Ferrari кристаллический силикон с микроячейками, в которые могут помещаться клетки. Взаимодействие клеток с окружающей средой происходит через силиконовую мембрану, содержащую поры диаметром около 20 нм. Эти поры дают возможность поступления к клеткам таких небольших молекул, как глюкоза, кислород и инсулин, но, в то же время, препятствуют контакту загруженных в ячейки основной матрицы клеток с антителами. Таким образом, иммуноизолированные β-клетки островков Лангерганса крысы сохраняли жизнеспособность в данном материале в течение нескольких недель. Более того, эти клетки синтезировали инсулин. Микрокапсулы, содержащие иммуноизолированные островковые клетки, могут имплантироваться под кожу пациентов с сахарным диабетом. Трансплантация инкапсулированных клеток в организм может быть важной альтернативой заместительной терапии многих заболеваний, сопровождающихся врожденным и приобретенным дефицитом гормонов и ферментов.

Нанотрубки. Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Принципиально существуют три способа использования нанотрубок для доставки и высвобождения лекарственных веществ. Первый способ заключается в сорбировании активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка (А). Второй способ предполагает химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок (В). Наконец, третий способ требует помещения молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубок(С).

Разновидности наночастиц и их применение. Формальными признаками наночастиц являются сферическая форма и размер от 1 до 250-300 нм. В связи с этим, в группу наночастиц относят весьма разнородные по химическому строению и физическим свойствам частицы.

Разновидности наночастиц:

· фуллерены

· дендримеры

· полимерные мицеллы

· наночастицы металлов (золото)

· цельные наночастицы

· квантовые точки

· перфторуглеродные наночастицы

Фуллерены представляют собой относительно недавно описанную аллотропную модификацию углерода в виде полых сферических образований. Водорастворимые производные фуллерена С60 находят широкое применение в терапии многих заболеваний. Так, в частности, производные фуллерена С60 используются как противовирусные и антибактериальные агенты.
Дендримеры являются трехмерными разветвленными монодисперсными макромолекулами. Типичным для структуры дендримеров является повторяющийся паттерн ветвления вокруг центрального ядра, что обеспечивает геометрическую правильность дендримеров. После достижения пяти порядков ветвления, дендримеры начинают содержать в своем составе многочисленные полости, которые могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов. Дендримеры могут служить платформой для создания новых противовирусных средств, основанных на поливалентном связывании вирусных частиц со специфическими распознающими элементами на поверхности дендримера.
Мицеллы представляют собой наноразмерные коллоидные частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть (ядро) и гидрофильную поверхность (оболочку). Лекарственные препараты и контрастные агенты могут либо помещаться в липидное ядро мицеллы, либо ковалентно связываться с ее поверхностью. Для обеспечения продолжительной циркуляции мицелл в кровотоке были предложены различные модификации их оболочки, делающие их термодинамически стабильными и биосовместимыми.

Среди металлических наночастиц наиболее известны наночастицы таких благородных металлов, как золото и серебро. Наночастицы золота, обладающие целым рядом уникальных характеристик (оптические свойства, прочность, высокая площадь поверхности), в основном используются в диагностических целях. Наночастицы золота могут служить для усиления сигнала при проведении иммуноферментного анализа за счет их связывания с антителами.

Цельные наночастицы представлены сферическими наноразмерными объектами из биодеградируемого материала, например, белка (альбумин, коллаген), жиров или синтетических полимеров. Размер цельных наночастиц колеблется от 10 до 1000 нм. Это дает возможность использовать их для одновременной визуализации поврежденных тканей и направленной доставки лекарственных препаратов. Цельные наночастицы в настоящее время лидируют среди нанообъектов, используемых в терапевтических целях.
Флуоресцентные метки широко используются в биологии и медицине. Их недостатком является необходимость использования различных красителей для получения каждого цвета и подбора лазера соответствующей длины волны для индукции флуоресценции этих красителей. Кроме того, цвета флуоресцентных меток часто сливаются и быстро бледнеют. Полупроводниковые нанокристаллы, называемые квантовыми точками, лишены этих недостатков. Они представлены мельчайшими частицами, сопоставимыми по размеру с молекулами белков и нуклеиновых кислот. При возбуждении они дают практически непрерывную палитру четких цветов. В настоящее время квантовые точки активно используются для детекции опухолевых клеток, маркирования внутриклеточных органелл, визуализации микрососудов и многих других биомедицинских исследований.
Перфторуглеродные наночастицы представлены ядром, состоящим из жидкого перфторуглерода, и фосфолипидной оболочкой. Размер этих частиц обычно лежит в пределах 200-250 нм. Жидкостные перфторуглеродные наночастицы нелетучи, биологически инертны, химически стабильны и не подвергаются распаду в организме. Используются в качестве агентов для магнитно-резонансной томографии и для молекулярной визуализации вновь сформированных опухолевых сосудов.