Медицина - очень консервативная область. Ведется огромное количество исследований по всему миру в области медицины, но требуется очень много времени, чтобы они были внедрены в жизнь. В среднем, между созданием нового лекарства и началом его применения в практической медицине проходит около 5 - 10 лет. Поэтому лекарства на основе нанотехнологий и существуют пока только в виде экспериментальных образцов или перспективных проектов. Тем не менее, возможности нано теха в медицине колоссальны. [15]

Нанотехнологии работают с частицами в пределах до 100 нм - с размерами в несколько раз только больше биологических макромолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты. При этом нанообъекты могут быть изготовлены из совершенно разных материалов - будь то золото, молекулы углерода или же белковые макромолекулы.

Соответственно, используемый материал и технологии получения будут определять свойства наночастиц. Это позволяет добиться практически любых характеристик, которые можно использовать тем или иным образом во многих областях медицины - от зашивания операционных надрезов до диагностики инфекционных заболеваний и лечения опухолей. [15]

Одним из наиболее привлекательных вариантов применения нано - это создание сенсоров - устройств, способных реагировать на изменения среды, появление частиц какого-то определенного вещества, изменение концентрации веществ. В настоящий момент существует множество проектов по созданию сверхчувствительных сенсоров, работающих за счет наночастиц.

Наночастицы соотносятся с молекулами примерно как ваша рука с бусиной или с мячиком для пинг-понга, поэтому наночастицы можно использовать, чтобы "ловить" отдельные молекулы. Это объясняет особую чувствительность нано-сенсоров, способность их обнаруживать вещества даже в малейших концентрациях. Особенно ценно это качество для диагностики заболеваний, что уже нашло применение в перспективных разработках.

Тем не менее, нанотехнологии уже нашли применение в борьбе со злокачественными опухолями. Существует нехирургический метод удаления опухолей, основанный на гипертермии. Принцип его состоит в том, что углеродные нанотрубки, вводимые в опухоль, проникают в её клетки и, под воздействием излучения определенной частоты, начинают выделять теплоту, повышать температуру опухоли, вызывая, таким образом, её отмирание. При этом, весьма незначительна вероятность того, что останутся живые злокачественные клетки и что опухоль начнет расти снова.

На похожем принципе работает техника, разработанная доктором Еленой Рожковой из Argonne's NanoBio Interfaces group, частицы с диоксидом титана, прикрепленные к антителам, способным обнаруживать клетки мультиформной глиобластомы и соединяться с ними. Под воздействием света титан создает электрический заряд, который передается на молекулу кислорода, которая переходит в активную форму, начинает разрушать клеточную мембрану и запускает механизм апоптоза. Тем не менее, эти техники требуют хирургического вмешательства для доставки источника света к опухоли.

Лаборатория в израильском институте Технион в Хайфе создала прибор, способный по содержанию в выдохе пациента определенных молекул определить наличие рака легких. В качестве чувствительной части прибора используются девять наносенсоров. Они представляют собой золотые наночастицы, на которых закреплены органические соединения, реагирующие на конкретные молекулы, находящиеся в воздухе, который выдохнул пациент. Через 30 секунд уже готов ответ, при этом не требуется делать болезненных и сложных операций (таких как биопсия), без которых невозможна современная диагностика. Тот же коллектив ученых, возглавляемый доктором Хоссеном Хаиком, разрабатывают аналогичный прибор для обнаружения рака почек.

Ученые из университета Халла совершили очередной шаг в борьбе с раковыми заболеваниями, разработав более эффективный принцип доставки в ткани опухоли наночастиц, которые несут на себе особые вещества - фотосенсибилизаторы. После этого остается лишь облучить ткань светом, производимым лазером и злокачественная ткань начнет погибать. [16]

Фотодинамическая терапия представляет собой метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ - фотосенсибилизаторов и видимого света определённой длины волны. Сенсибилизатор вводится в организм, чаще всего внутривенно, и накапливается в тканях опухоли. Затем поражённые патологическим процессом ткани облучают светом с длиной волны. Поглощение молекулами фотосенсибилизатора квантов света в присутствии кислорода приводит к фотохимической реакции, в результате которой образуется так называемый синглетный кислород, вызывающий некроз клеток опухоли.

Как объясняет руководитель проекта Росс Бойл, пока опухоль невелика, ее клетки получают питание и кислород за счет диффузии, однако по мере роста ткани возникает необходимость в кровоснабжении. Стенки новообразованных сосудов не такие прочные, как у здоровых, поэтому мы смогли создать наночастицы такой конфигурации, которая позволяет им проникать через стенки новообразованных сосудов и накапливаться в тканях опухоли". [14] Пока наночастицы находятся в потоке крови, они цепко удерживают молекулы фотосенсибилизаторов, но под воздействием света, находясь в тканях опухоли, они легко высвобождают их.

В настоящее время ученые провели практические испытания на опухоли толстой кишки и выяснили, что использование наночастиц действительно существенно повышает эффективность фотодинамической терапии.

Корейские же учёные разработали кремниевый наноматериал, который нагревается под воздействием инфракрасного излучения и уничтожает раковые клетки в организме. Последние исследования в области фотодинамической терапии были сосредоточены на использовании одностенных углеродных нанотрубок. Под воздействием ближнего инфракрасного излучения нанотрубки нагреваются, в результате чего происходит гибель раковых клеток. Chongmu Lee и его коллеги из Inha University (Корея) заменили углеродные нанотрубки пористым кремниевым наноматериалом. Исследователи считают, что новый материал будет давать такую же высокую температуру, как углеродные нанотрубки, но, кроме того, генерировать значительно меньшее количество активных форм кислорода (reactive oxygen species, ROS). Lee надеется, что их разработка сможет использоваться для лечения рака, но признает, что для этого ещё многое предстоит сделать. "Хотя предварительные результаты в этой работе показывают выполнимость пористого кремния как новый терапевтический агент, очевидно, что необходимо провести много исследований прежде, чем терапия рака, основанная на пористом кремнии, станет реальностью", - говорит он.

Близко к этой разработке стоит и следующая теория, предполагающая использование золотых наночастициц. Свойства данных наночастиц - шариков или прутков - очень интересны. С одной стороны, ученые умеют с ними работать и пришивать их к всевозможным биомолекулам, в частности, антителам. С другой стороны, эти частицы отлично нагреваются инфракрасным светом подходящей частоты: в этом повинен так называемый плазменный резонанс. При взаимодействии со светом возбуждаются специфические, плазменные, колебания электронов, которые способны нагревать частицу. Частота плазменных колебаний связана с размером наночастицы и именно у золотых прутков она оказывается в том интервале, который сможет возбуждаться инфракрасным светом. Сам же свет этих длин волн достаточно свободно проходит сквозь тело человека. Воспользоваться этими свойствами золотых наночастиц решили ученые из Университета Твенте (Нидерланды). Разрабатываемый метод должен помочь в идентификации раковых клеток на ранних этапах заболевания. Дело в том, что рентгеном или магнитным резонансом трудно выявить небольшие опухоли. Совсем по-другому, получается, если ввести в организм препарат, который состоит из золотых наночастиц с приделанными к ним антителами к раковым клеткам. Эти антитела прочно прикрепят частицу к мишени. Под импульсами инфракрасного луча лазера наночастицы нагреваются, расширяются, чем увеличивают давление на окружающие ткани. Этот процесс сопровождается появлением ультразвука, который можно легко зафиксировать. Во втором разрабатываемом методе ученые хотят нагревать наночастицу до высокой температуры, выше 100 градусов. Этим можно воспользоваться в двух случаях. Во-первых, для того, чтобы уничтожить клетку таким нагревом. А во-вторых, нагрев может открыть капсулу с антираковым препаратом. Причем сделать это точно в том месте, где расположена опухоль, снизив побочные эффекты от действия химиотерапии.

Другим немаловажным направлением исследований является создание новых лекарственных форм. Лекарственная форма - это то, в каком виде лекарственное средство вводится в организм, например раствор для инъекций или суспензии. Существует множество разработок, использующих частицы из золота или других металлов в качестве "скорлупы", капсулы для лекарственных веществ. Размеры этих частиц позволяют им проникать через поры клеток и каналы клеточной стенки, доставляя таким образом лекарственное средство прямо к месту действия. Это способно уберечь лекарственные вещества от переработки ферментами организма, связывания с белками плазмы, что увеличивает количество неизмененного вещества, дошедшего до места действия. Проще говоря, увеличивает эффективность использования лекарств. [18]

Близко к рассматриваемому вопросу стоит проблема адресной, прицельной доставки лекарств к органам-мишеням. Наночастицы, могут служить "курьерами", адресно доставляющими лекарственные вещества к необходимым органам, например, существует такое вещество как куркумин, обладающий мощным противораковым действием, но его использование было практически невозможно из-за плохой растворимости в воде (основного вещества внутренней среды организма), использование контейнера из наночастиц позволило исследователям из Индии обойти это ограничение. Наночастицы в данном, и многих других случаях, служат не только переносчиком терапевтических средств, но и защитным каркасом для них.

Для доставки специализированных средств возможно и использование бактерий, как показали исследования американских ученых. Бактерии перемещаются при помощи жгутиков - молекулярных пропеллеров, подчиняясь сигналам рецепторов, которые чувствуют малейшие изменения концентрации определенных химических веществ. Теоретически, изменив эти рецепторы, можно заставить бактерий реагировать на другие молекулы. Однако сделать это довольно непросто, поэтому американские ученые пошли другим путем. Они взяли кишечную палочку Escherichia coli, у которой отсутствовал один из сигнальных белков. Из-за этого она могла лишь кувыркаться на одном месте. Далее исследователи ввели специальный рибопереключатель (рибосвитч, riboswitch) - маленькую цепочку РНК, содержащую ген отсутствующего белка. Обычно она образует петлю, что препятствует репликации белка. Но рибосвитч также может связываться с маленькой молекулой теофиллина. Когда теофиллин связывается с рибосвитчем, РНК раскрывается и становится возможной экспрессия недостающего гена. Теперь жгутики могут функционировать нормально, и бактерии двигаются по направлению к их природному хемоаттрактанту. Но, хотя бактерии невосприимчивы к теофиллину, чем больше его концентрация, тем быстрее они могут двигаться. Поэтому им приходится плыть вдоль теофиллиновых дорожек, созданных учеными. Стоит бактерии свернуть с пути, как сразу срабатывает рибопереключатель, выступающий в роли тормоза. Таким образом, был разработан рибосвитч, заставляющий бактерий двигаться в заданном направлении, следуя за псевдоаттрактантом.

Бактерии, влекомые особыми молекулами, становятся "клеточными роботами" и могут быть использованы для широкого класса задач. Теперь для практических применений необходимо сделать аналогичный рибопереключатель на другие вещества, например, специфичные для опухолей. Тогда можно будет заставить бактерий доставлять лекарства или совершать иную полезную работу. [17]

Также предлагается использование желатиновых наночастиц для транспортировки терапевтических генных структур к опухолевым клеткам, до этого предлагалось в качестве транспорта использовать вирусы (вирусные векторы), но нанотранспорт оказался более выгодным и лишенным таких недостатков вирусных переносчиков как токсичность.

Определенное значение в доставке препаратов имеет и размер наночастиц: например если сделать наночастицы достаточно большими что бы она задерживалась в легких, но одновременно слишком маленькими для того чтобы они выводились системой очищения легких. Это естественно улучшит возможности ингаляционной терапии.

Ведущим направлением в нанотехнологических исследованиях на данный момент является синтетическое направление связанное с технологиями получения новых материалов. Это направление нашло применение и в медицине. На основе нанотехнологий были получены новые шовные материалы, например, полилактатное полотно, способное без клея прикрепляться к краям ранения или хирургического надреза, при этом закрывающее его от внешней среды, препятствуя заражению и улучшая заживление. При этом, данный материал способен разлагаться ферментами организма со временем. Это свойство используется при создании полилактатных шовных нитей, которые не требуется снимать. Что облегчает работу хирургу и жизнь пациенту.

Совершенно особенную разработку создали американские ученые. На основе биоматериалов с помощью нанотехнологий был создан гель, при введении в поврежденный участок головного мозга вызывающий восстановление тканей в этом участке. При этом ткани имеют четкую структуру, соответствующую структуре неповрежденной мозговой ткани. Пока что эта разработка действует, опять же, только в опытных моделях на мышах, но в скором будущем она дойдет и до стадий клинических испытаний.

Серьезные повреждения головного мозга способны вызвать как необратимые изменения личности, так и серьезные сбои в физиологии человека вообще. Вплоть до состояния "растения". На данный момент не изобретено лекарство, способное восстанавливать нейроны и нервную ткань. Поэтому необходимость в подобном лекарстве существовала давно. Если этот гель пройдет клинические испытания и будет внедрен в практическую медицину, то самые серьезные повреждения головного мозга станут намного более легко излечимыми.

1.3 Применение нанотехнологий в отраслях медицины

1.3.1 Нанотехнологии в фармации

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. В 1959 году знаменитый американский физик-теоретик Р. Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 году никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". Медицина и фармацевтика - одни из важнейших практических приложений работы нанотехнологов, потому что описанный выше мир - мир этих научных дисциплин. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (к которым следует отнести и наночастицы) в медицине была высказана Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места". Но только в последние годы, предложения Фейнмана приблизились к реальности, хотя, отметим, они ещё далеки от предложенного им микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца, произвести там операцию на клапане, а также выполнить целый набор подобных процедур, поражающих воображение. [1]

Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро - и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро - и наноустройства различной степени автономности

Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро - и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро - и наноустройства различной степени автономности.

То есть, "нано" (греч. - миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 10-9 м, что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение "наночастицы", попадают практически любые надмолекулярные (супрамолекулярные) комплексы, то есть, образования как "малых", так и огромных органических молекул (по современной терминологии - "хозяин") с ионными либо ковалентно построенными молекулами ("гость"). Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции.

Эти представления сегодня требуют предельной конкретизации. В своем обзоре, опубликованном буквально несколько дней назад (13 сентября, журнал Nature Nanotechnology, 2009, DOI: 10.1038/nnano. 2009.242), исследователи из США и Франции настаивают на пересмотре термина "наночастица". Они считают, что назрела необходимость более точной систематизации этих частиц для дальнейших исследований и практического применения в различных областях. С такой точкой зрения нельзя не быть солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее.

Вот, для примера, размеры (Таблица 1) молекул некоторых веществ (молекул, частиц) в нанометрах:

Таблица 1 - Наименование и диаметр молекул в нанометрах

Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug - лекарственный препарат, design - проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты - лекарство и мишень 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.

Супрамолекулы - это ассоциаты двух или более химических частиц, связанных межмолекулярными нековалентными связями из обладающих геометрическим и химическим соответствием (комплиментарностью) фрагментов. Перегруппировка молекул приводит к разнообразию их комбинаций. Такие системы являются предметом изучения супрамолекулярной химии (этот термин предложен нобелевским лауреатом Ж. - М. Леном) и химии "хозяин-гость", и еще мало исследованы, хотя на их основе уже созданы новые материалы с уникальными свойствами. Например, использование пористой структуры, играющей роль "хозяина" (а в других случаях, эту роль обычно выполняет органический лиганд), позволяет обратимо разместить "гостя" наноразмерного масштаба для избирательного транспорта и выделения лекарственных веществ. Хотя бытует мнение о том, что нанообъектом следует считать любой объект, размер которого хотя бы по одному их измерений будет меньше 100 нм, в обзоре, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследователи настаивают на введении более жёсткой классификации.

В этих терминах, взаимодействие таргетных лекарственных препаратов (размеры 1-10 нм) с биомишенью (белок или система белков, размерами до 100 нм), дает комплекс "лиганд-биомишень" (типа "субстрат-рецептор" или "хозяин-гость"), по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой (супрамолекулярным комплексом). Несомненно также, что и сами компоненты такой системы есть структурные объекты нанотехнологии.

Продолжая эти рассуждения, напомним, что терапевтическое наноразмерное воздействие таргетного препарата на биомишень может осуществляться только при условии образования супрамолекулярной наносистемы "лиганд-биомишень" и лишь в во время существования последней.

То есть, разработка таргетных лекарственных препаратов попадает под данное выше определение нанотехнологии, так как, в основе механизма их действия лежит целенаправленное взаимодействие с биомишенью, ответственной за болезнь. Именно это взаимодействие в наномасштабах, реализующееся посредством нековалентной (а координационной, в то числе, водородной) химической связи между препаратом (лигандом) и белком (мишенью), которое изучается при разработке, и определяет избирательность, эффективность и более низкую токсичность таргетных препаратов сравнительно с предыдущим поколением лекарств, то есть улучшает потребительские свойства.

Более того, во время своего существования, система "лиганд-биомишень" по всем своим характеристикам является биомашиной, а результатом её работы будет модификация болезни (полное или частичное излечение). Таким образом, к. п. д. нанобиомашины зависит от силы и продолжительности связывания компонентов обсуждаемого комплекса, что, для постоянной мишени, зависит исключительно от свойств инновационного таргетного препарата-лиганда.

Тогда, формализуя понятия, можно утверждать, что нанотехнологии в фармацевтике - это совокупность методов и приёмов изучения, проектирования, производства и использования, основными этапами которых следует считать:

· 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.

Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно из-за своей простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости от его молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств.

Бактерии как нанобиомашины, доставляющие лекарства. Уже доказано, что бактерии можно использовать в качестве средства точечной доставки

лекарств к больным тканям. Специалисты запустили в кровяную систему крысы бактерии MC-1. Эти бактерии способны быстро двигаться за счёт вращения своих жгутиков, но кроме того, они содержат магнитные наночастицы, что делает их чувствительными к магнитному полю и заставляет двигаться вдоль силовых линий. Такие силовые линии способно создавать, например, устройство магнитного резонанса. Исследователи считают, что прежде чем пытаться создавать искусственные наномашины, способные продвигаться по телу человека, следует обратить внимание на уже существующие создания природы. Наносферы и нанокапсулы относятся к семейству полимерных наночастиц. Если наносферы являются цельными матрицами, на полимерной поверхности которых распределяется активное вещество, то в нанокапсулах полимерная оболочка образует полость, наполненную жидкостью. Вследствие этого, активное вещество выделяется в организм по различным механизмам - из наносфер высвобождение носит экспоненциальный характер, а из нанокапсул - происходит с постоянной скоростью в течение длительного времени. Полимерные наночастицы можно получить из естественных либо синтетических полимеров, каковыми являются полисахариды, полимолочная и полигликолевая кислоты, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его аналоги, и др. Полимерные материалы характеризуются набором ценных свойств для лекарственного транспорта, как биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость.

Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а "ветвящееся" строение. Первый образец был получен ещё в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время между собой они не ассоциировались. Однако, в последнее время, дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических и наномедицинских применений. Дендримеры являются уникальным классом полимеров, поскольку их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе, что крайне важно для нанопереносчиков. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательные конвергентную и дивергентную полимеризации (в том числе, используя методы пептидного синтеза), задавая, таким способом, характер ветвления. Типичными мономерами, используемыми в синтезе, служат полиамидоамин и аминокислота лизин. "Целевые" молекулы связываются с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверхностью либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями. Кроме того, на поверхности дендримеров можно стереоспецифически расположить необходимые функциональные группы, которые с максимальным эффектом будут взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel - гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. [15]

В 1991 году, снова - совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок

Среди углеродных наночастиц, образованных только атомами углерода, наиболее широко распостранены фуллерены и нанотрубки, которые можно получить с помощью разнообразных химических или физико-химических методов. Например, в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа, при пониженном давлении, в присутствии катализатора. Фуллерены, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Главная особенность - их каркасная форма: молекулы выглядят как замкнутые, полые внутри "оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен С60, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов). После разработки методики получения фуллеренов в макроколичествах, было обнаружено множество других, более легких либо более тяжелых фуллеренов: начиная от С20 - и до С70, С82, С96 и выше. На основе фуллеренов разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

В 1991 году, снова - совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Они характеризуются разнообразием форм: большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные; уникальной прочностью, демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Вообще-то нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для транспорта многих химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Для нужд медицины 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.

К неорганическим наночастицам, одному из важнейших классов нанопереносчиков, относятся соединения оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). Часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность (и, в частности, высвобождение терапевтического агента) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля. В случае гетерогенных твёрдофазных композитов, например, наночастиц металла на поверхности пористого носителя, вследствие их взаимодействие появляются новые свойства.

Самыми распространенными платформенными технологиями являются микрокапсулирование, а также технологии получения матричных, многослойных, оболочечных таблеток и капсул. Например, в России разработаны и сейчас патентуются платформенные технологии создания наноразмерных комплексов действующих веществ с биосовместимыми и биодеградируемыми синтетическими и природными полимерами. Наноформулировка может приводить к увеличению активности препарата в 2-4 раза, а также к появлению более выраженных терапевтических свойств. В ряде случаев уже ведутся доклинические исследования известных лекарств в новых наноупаковках (например, таксол или нурофен пролонгированного действия). [16] Платформенные технологии контролируемого высвобождения лекарств актуальны для направленной доставки высокотоксичных противоопухолевых лекарственных веществ. Традиционные онкологические препараты равномерно распределяются по всему организму: попадают в очаги болезни и в здоровые органы. Проблему можно решить при помощи направленной доставки лекарственного вещества вместе с биодеградируемым полимером - тогда лекарство высвобождается не моментально, а по мере деградации полимера. Но есть ещё более продвинутые методы целевой доставки лекарства при помощи наночастиц генетического материала, ДНК или РНК. Частицы размером около 200 нанометров или немного меньше, могут выйти из кровотока только в местах воспаления - там, где у капилляров расширены поры.

Во время путешествия по кровотоку наночастицы могут обрастать белками плазмы крови, их поглощают иммунные стражи - макрофаги. Для продления срока пребывания наночастиц в организме к ним прикрепляют полимерные цепочки. Еще один вариант - прикрепление к наночастице антител опухолевых клеток, которые знают дорогу к мишени, и антибиотика, который уничтожит злокачественное образование. Например, учёные конструируют липосомный противораковый препарат, в котором термочувствительные липосомы завернуты в полимер и снабжены антителами, определяющими "адрес доставки".

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали рутинной процедурой, но сама методика практически не изменилась за последнее столетие. На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через кожу, к присутствующим там иммунным клеткам

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали рутинной процедурой, но сама методика практически не изменилась за последнее столетие. На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через кожу, к присутствующим там иммунным клеткам. Показано, что использование малых наночастиц (всего 40 нм) позволяет доставлять антигены непосредственно через волосяные фолликулы.

В то же время, системы доставки активных веществ сегодня связаны с рисками, то есть побочными эффектами. Недаром, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba и некоторые другие крупные компании связали свои дальнейшие разработки в этом направлении только с биологически расщепляемым наноносителями.

1.3.2 Нанотерапия

Нанометровые молекулы могут применяться и в качестве активных веществ. Одним из новых походов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров - около половины новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо, то есть, обладают недостаточной биодоступностью.

Кристаллы активного лекарственного нановещества состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить из нее гранулы или таблетки. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200-600 нм. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику еще в 2000 году, является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) - иммуносупрессивное средство, которое применяют после трансплантации органов. Термотерапия наночастицами, по всей видимости, имеет большую перспективу. Известно, что при попадании ближнего ИК излучения на нанотрубки, последние начинают вибрировать и разогревают вещество вокруг себя. Эффективность такой терапии оказалась весьма велика: у 80 процентов мышей, получившую дозу раствора многослойных нанотрубок, раковые опухоли в почке через некоторое время полностью исчезли. Почти все мыши из этой группы дожили до конца исследования, которое продолжалось около 9 месяцев. Проводятся клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Исследователи обнаружили, что контакт нанотрубок с поврежденной костной тканью мышей ускоряет регенерацию костной ткани и понижает вероятность возникновения воспалительных процессов в процессе лечения. Аналогично, частицы нанозолота убивают микробы, распознают и разрушают раковые клетки.

Наночастицы также могут использоваться для стимулирования врождённых механизмов регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клеткам.

Наночастицы также могут использоваться для стимулирования врождённых механизмов регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками. Вот несколько достижений: амфифильные белки, которые поддерживают рост клеток для восстановления поврежденного спинного мозга; покрытия областей опухоли головного мозга из магнитных наночастиц и чувствительных к ферментам частиц; зонды из наночастиц для внутриклеточной доставки препарата и экспрессии генов, квантовые точки, которые обнаруживают и определяют количество биомаркеров рака молочной железы человека. [16]

Наноантитела представляют собой наименьшие из известных на сегодня белковых антиген-узнающих молекул (размером 2-4 нм). Они являются фрагментами (вариабельными доменами) особых однодоменных антител - состоят из димера только одной укороченной тяжелой цепи иммуноглобулина и являются полнофункциональными в отсутствие легкой цепи. После синтеза наноантитела уже функциональны и никаких пострансляционных модификаций не требуют. Это позволяет сразу нарабатывать их в бактериальных клетках или в дрожжах, что делает путь создания данных белков существенно более экономичным. С наноантителами довольно просто проводить всевозможные генно-инженерные манипуляции, например, создавать более эффективные комбинированные конструкции, включающие два или несколько наноантител, а также другие белковые домены или функциональные группы. Такие антитела не существуют в организме человека, и поэтому приспосабливания к ним нет. Таким образом, появляется возможность обойти ухищрения аномальных, патологических клеток и микроорганизмов, которые сумели адаптироваться к иммунной системе человека и нащупать слабое звено в их защите.

Биологически активные добавки (БАД), разработанные с применением нанотехнологий, так называемые наноцевтики (nanoceuticals), нацелены на мощное усиление возможностей организма: от усиления усвояемости активных компонентов пищи и до улучшения умственной деятельности и возможности сконцентрироваться, являются изюминкой современного рынка. Однако, общества по правам потребителей настаивают на более жёстком государственном контроле реальной безопасности и эффективности продуктов, попадающих на прилавки магазинов.

1.3.3 О безопасности нанотехнологий в здравоохранении

Общее мнение экспертов - исследователи еще не создали инструментарий, необходимый для 100% -ной оценки рисков, связанных с нанотехнологиями в здравоохранении. Такие разработки на 3-5 лет, а по некоторых оценкам - и больше, отстают по срокам от собственно создания важнейших медицинских наноматериалов. Наноматериалы относятся к абсолютно новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием (в том числе токсическим), которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий.

1.4 Этнические проблемы наномедицины