Наночастицы с лекарственными веществами
Наномедицина исследует целесообразность применения нанотехнологий в медицинской практике для профилактики, диагностики и лечения заболеваний с использованием химических медикаментозных средств, а также путем локальных физических воздействий с контролем биологической активности, фармакологического и токсикологического действия полученных продуктов или медикаментов [2,4]. Современное развитие нанотехнологий уже позволяет конструировать некоторые работоспособные медицинские наносистемы. На основе наночастиц (НЧ) разрабатываются разнообразные бактерицидные и противовирусные препараты, лекарственные средства пролонгированного действия. Но основные достижения ориентированы на возможность осуществлять специфическую доставку нано-доз лекарственных препаратов непосредственно в клетки, разработкой чего занимается нанофармакология 6. Возможности исследования свойств наночастиц (НЧ) металлов, выяснения механизмов их биологического действия зависят от способа получения, определяющего их структуру, размеры, физико-химические свойства и стабильность [5,6]. Применение современных методов создания НЧ способно обеспечить нацеленность действия и увеличить биодоступность препаратов для решения основных задач фармакологии.
Целью работы является проведение аналитического обзора наиболее перспективных методов синтеза наноструктур в контексте достижений современной фармакологии и медицины, отслеживание связи используемых методов синтеза с эффективностью.
Поскольку биодоступность является основным критерием эффективности нанопрепаратов, в настоящее время активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная, анти-ВИЧ-терапия) без повреждения здоровых органов и систем. НЧ – отличная альтернатива системному лечению, так как терапевтический эффект может быть достигнут при использовании значительно более низкой терапевтической дозы и, следовательно, с меньшими побочными эффектами. Потенциальные возможности для применения наноматериалов в медицине могут быть подкреплены следующими примерами. Так, наноструктуры (фуллерены, нанотрубки, наносферы) способны повышать качество имплантатов, биосовместимость, механическую прочность, срок службы (например, для искусственных клапанов сердца); нанороботы, осуществляющие коррекцию генетической программы организма, могут быть применены для лечения и предупреждения наследственных заболеваний. НЧ могут также найти широкое применение в терапии сахарного диабета, атеросклероза. Еще одним примером использования нанотехнологий в медицине могут служить исследования в области гипертермического воздействия на раковые опухоли, при котором используются НЧ окиси железа, подвергаемые воздействию магнитного поля [3,5,6].
Возможности исследования свойств НЧ, выяснения механизмов их биологического действия зависят от способа получения, определяющего структуру, размеры, физико-химические свойства и, в частности, биодоступность. Хотя нанотехнологичекий подход обладает большим потенциалом, существует много проблем, включая подбор материала для наночастиц, который наряду с эффективностью должен демонстрировать биосовместимость и отсутствие токсичности, а также способ синтеза наночастиц. Одно из главных преимуществ наноматериалов заключается в том, что они состоят их очень мелких частиц, что дает возможность суперминиатюризации. Эта особенность влияет на их физические и химические свойства. Кроме того, появление квантово-размерных эффектов приводит к резкому изменению основных характеристик наноматериала и появлению новых практически полезных свойств. Характерной особенностью НЧ является также отсутствие дефектов. Все эти признаки объясняют несравнимо большую эффективность НЧ по сравнению с обычными веществами. Материалы на основе наноструктур обладают комплексом уникальных свойств, которые зачастую приобретаются в процессе их синтеза [1,8]. Основной причиной изменения свойств при наноструктурировании является возникновение многочисленных межфазных границ. Таким образом, чтобы получить материал с существенно новыми свойствами, необходимо подвергнуть его наноструктуризации [1,3].
На сегодня известны два основных метода получения наночастиц: 1) физический, что включает термическое выпаривание наночастиц при обработке плазмой, лазером, электрической дугой и др., конденсацию исходного материала в вакууме, механохимическое диспергирование, электроэрозию, литографию; 2) химический, который заключается в получении наночастиц металлов методами термического или радиационного возобновления соединений, которые содержат металлы, их разложение при действии ультрафиолета, ультразвуке, температуры, золь-гель метод [4,7]. Среди физических методов получения НЧ наибольшее применение в промышленной и лабораторной практике получили методы гомогенизации под высоким давлением и микрофлюоридизации, несколько реже применяется диспергирование при ультразвуковом воздействии. Особо эффективными справедливо считаются дисперсные системы, в которых вещества распределены в среде, где одновременно могут сосуществовать два или три агрегатных состояния. Такие системы принято называть некогерентными. В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований. Важно также отметить, что классические законы физики остаются справедливыми для систем с размерами до 10 нм, а при дальнейшей миниатюризации возникают новые закономерности, что требует учета квантово-механических эффектов и связанных с ними особенностей. Комбинируя состав и строение атомарных соединений, а также размерности создаваемых структур, можно изменять свойства вещества на наноуровне и получать физические характеристики, не имеющие аналогов среди классических методов и подходов. Уже сейчас существуют возможности производства НЧ некоторых типов, размеры которых регулируются точными физико-химическими методами, в частности, нанокластеров, придавая новые функциональные характеристики которым, можно добиться использования этих наноструктур в качестве носителей фармацевтических препаратов или гормонов [4,7,8].
Сравнительный анализ показывает, что наиболее перспективными и эффективными на данный момент являются физические способы получения НЧ, заключающиеся в интенсивном тепловом или силовом воздействии на исходный материал, поскольку предопределяют получение НЧ с повышенным уровнем свободной энергии и более чистых по составу. При изготовлении наноструктурных материалов используется целый ряд вспомогательных методик. Физические методы изготовления неупорядоченных наноматериалов сводятся к уплотнению путем измельчения исходных материалов, обычно порошков металлов, в шаровых мельницах, затем их уплотнению под действием высоких температур и давления. Еще один метод изготовления неупорядоченных наноструктур заключается в «закаливании» расплава, когда расплав охлаждается настолько быстро, что получаемое вещество не успевает образовывать кристаллическую структуру. Наноструктурные слои можно получать с помощью методов, базирующихся на выделении фаз газа и жидкости. Также данные методики позволяют получать высокодисперсные порошки на основе НЧ, что чрезвычайно важно при дозировке лекарственных средств [4,6,7].
Химические пути синтеза включают в себя электрохимический способ, синтез методом золь-гель, а также методы с использованием различным полимерных систем. Самые современными являются супрамолекулярные системы, в которых вещество формируется за счет привязывания массивных полимерных образований друг к другу с помощью более маленьких молекул. Развитые химические методы охватывают классические приемы коллоидной химии, а также новейшие подходы, например, использование наноэмульсий. Наноэмульсии используют в медицине и фармакологии для парентерального питания. Их применение позволяет повысить эффективность и снизить побочные эффекты, уменьшив дозу лекарственных препаратов, уменьшить реакцию в месте введения. Несмотря на наличие определенных преимуществ, химические пути синтеза НЧ обладают рядом недостатков. Данные способы, заключающиеся в восстановлении, разложении или синтезе исходных материалов, характеризуются многостадийностью, использованием высокотоксичных соединений, наличием примесей исходных соединений, что требует многократной очистки от балластных веществ на каждой стадии [3,7].
Таким образом, существует множество хорошо изученных физических и химических методов изготовления наноструктур. Комбинирование методик на этапах синтеза наночастиц представляется наиболее результативным способом достижения нанофармакологических и медицинских целей. Инновация заключается в комбинировании средств и методик с целью создания поверхностей с новыми функциональными характеристиками. Исключительно новым можно считать только развитие новейших методов супрамолекулярной химии для синтеза материалов с необычными свойствами. Резюмируя все вышесказанное, можно прийти к знаменателю, что изготовление наноматериалов для медицинских и фармакологических целей требует соответствия стандартам биодоступности, безопасности, эффективности, в связи с чем для этой цели избираются наиболее комплексные методы синтеза, которые во многом предопределяют будущие свойства синтезируемых наносистем.
Источник
Наночастицы с лекарственными веществами
Без малейшего преувеличения, начало XXI века проходит под знаком нанотехнологий. Нанотехнологии представляют совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами. Приставка нано, пришедшая из греческого языка (nanos — гном), означает одну миллиардную долю (1нм=10-9м). Новые соединения и вещества, полученные с помощью нанотехнологий, имеют особую привлекательность для фармакологии, основной задачей которой является поиск новых эффективных лекарственных средств [1,6].
На сегодняшний день нанотехнологии широко применяются для точечной доставки лекарственных средств, что является особенно актуальным для терапии онкологических заболеваний, патологии нервной и сердечно-сосудистой систем, в спортивной медицине. Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии. Для нее служат нанокапсулы (стелс-липосомы) или векторы для генной терапии (вирусные и невирусные). В настоящее время в экспериментальной и клинической фармакологии используют дендримеры (обладающие антибластомным действием, выступают в роли транспортеров лекарственных средств); липосомы (обладают антиагрегантным и антиоксидантным действием, повышают биодоступность и транспортируют лекарства); нанокластеры (обладают антиоксидантным действием, повышают синтез АТФ, усиливают восприимчивость к лекарствам, ускоряют биохимические реакции и метаболизм лекарств в организме) [2,3].
На место наиболее вероятного средства целевой доставки лекарственных препаратов претендуют дендримеры, имеющие ветвящееся строение, к которым можно прикрепить определённое количество различных видов молекул. Так, например, первая группа молекул будет непосредственно бороться с болезнью, в то время как остальные займутся, так сказать, обеспечением процесса: помогут отследить лекарство в организме, выступит в качестве химического триггера, высвобождающего препарат по команде извне, а также будут посылать сигналы о результатах лечения. В данный момент некоторые нанопрепараты уже получили одобрение при лечении различных заболеваний, причём в первую очередь это касается серии препаратов, предназначенных для лечения онкологических заболеваний. Преимуществами дендримеров являются предсказуемость, контролируемость, возможность воспроизводить размеры макромолекул с большой точностью, наличие в макромолекулах пор и каналов, которые имеют хорошо воспроизводимую форму и размеры [2].
Примером нанокапсул являются липосомы, которые нетоксичны и биодеградируемы; их мембрана может сливаться с клеточной мембраной и обеспечивать доставку содержимого в клетку. Липосомы представляют собой наночастицы шаровидной формы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) или в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества). Несмотря на то, что размеры липосом могут быть очень вариабельными, большинство липосом имеют диаметр менее 400 нм 3.
Существенное внимание ученые уделяют фосфолипидным наночастицам, которые применяются для введения вакцин и лекарственных соединений. Задачами лекарственных средств нового поколения является снабжение их такими системами доставки, которые обеспечивают постепенное дробное поступление лекарств в строго определенные органы или клетки-мишени, и оптимизация фармакологических свойств лекарственного вещества. Разработанные системы доставки используются во всех отраслях медицины: в эндокринологии, кардиологии, пульмонологии, онкологии и других. Их эффективность в значительной степени превышает эффективность обычных лекарственных форм [4].
Фуллерены — это сложные органические молекулы, имеющие шарообразную форму и полые внутри. Стенки фуллеренов непроницаемые для каких-либо материальных частиц: ионов, атомов, молекул. На их поверхности упорядоченно располагаются химические группы, подобранные таким образом, чтобы могли связываться с ранее выбранными клетками-мишенями, и были эффективны в борьбе с такими вирусными заболеваниями, как грипп и ВИЧ, а также нейродегенеративными, кардиологическими и онкологическими заболеваниями, остеопорозом и заболеваниями сосудов. Также исследуется возможность фуллеренов играть роль «ловушки» для свободных радикалов и дается оценка их противовирусной активности. Фуллерены обладают хорошей адсорбционной способностью, что способствуют созданию сорбентов на их основе для терапии атеросклероза [2,3].
Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Для доставки и высвобождения лекарственных веществ существуют три способа использования нанотрубок: сорбирование активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка; химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок; помещение молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубки. Функционизированные нанотрубки могут служить переносчиками как небольших молекул лекарственных веществ, так и макромолекулярных комплексов[5].
Второе направление использования нанотехнологий в фармакологии – создание новых лекарственных средств, совершенствование хорошо известных лекарственных препаратов с целью повышения эффективности действия, улучшения биодоступности и уменьшения побочных эффектов. Кроме этого, наноносители обладают такими преимуществами, как высокая способность к проникновению активных компонентов внутрь клетки, улучшенные фармакокинетические показатели, возможность создания альтернативных лекарственных форм, а также переход от инъекционных форм преператов к назальным и трансдермальным. Еще одним важным преимуществом наночастиц как лекарственной формы выступает постепенное высвобождение лекарственного вещества, содержащегося в них, что ведет к пролонгированию времени его действия [2].
Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время обширные перспективы использования в качестве лекарственных средств для диагностики и лечения ряда заболеваний имеют наночастицы металлов. Это обусловлено, прежде всего, широким спектром возможностей их практического применения, в которых используются специфические свойства как самих наночастиц, так и модифицированных ими материалов. Показано, в частности, что наночастицы серебра могут использоваться для получения разнообразных материалов с бактерицидными свойствами, наночастицы золота — для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов в радиотермальной терапии опухолей [7].
В то же время, за последнее десятилетие установлено, что наночастицы различных видов, особенно наночастицы металлов, попадая в организм человека, могут стать причиной серьезных заболеваний (нанопатологий), представляющих реальную угрозу здоровью и жизни людей. Известно, что наночастицы металлов могут проникать в организм человека разными путями: через слизистые оболочки дыхательных путей и пищеварительного тракта, трансдермально (например, при использовании косметических средств), через кровоток в составе вакцин и сывороток и т.д. Опасность распространения нанопатологий, хотя еще и не вполне осознана, но, несомненно велика уже сегодня, и, очевидно, будет нарастать в будущем. Выяснение причин патологического действия наночастиц и разработка способов борьбы с заболеваниями, вызванными проникновением в организм наночастиц, становятся сейчас предметом нового направления в экспериментальной медицине[8].
Вывод. В последние десять лет возросло число публикаций, посвященных наномедицине. Этот факт свидетельствует о том, что нанотехнологии, долгое время находившиеся почти исключительно в поле зрения материаловедения, физики и химии, сейчас активно внедряются в биологию, медицину, в частности, в фармакологию. Проведенные в последние годы исследования по созданию и изучению фуллеренов, дендримеров липосом, нанотрубок, наночастиц металлов показывают, что нанотехнологии открывают новые возможности в получении наночастиц и препаратов с принципиально новыми, еще не изученными свойствами. Таким образом, перспектива использования достижений нанотехнологии в фармакологии предвещает решение многих поставленных задач.
Источник
