Контрольные вопросы

1. Какие технологические процессы относятся к области нанотехнологии?

2. Какие технологические приемы принято называть восходящими («снизу-вверх») и нисходящими («сверху-вниз»)?

3. Что такое разрешающая способность оптического прибора?

4. Чему равен предел разрешения оптического микроскопа?

5. Каким образом можно увеличить разрешающую способность приборов?

6. Что такое туннельный эффект?

7. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.

8. Сканирующий электронный микроскоп.

9. Сканирующий туннельный зондовый микроскоп.

10. Атомно-силовой микроскоп.

11. Методы получения наночастиц.

12. Применение наночастиц в современных технологиях.

13. Что из себя представляют фуллерены?

14. Свойства углеродных нанотрубок.

15. Применение нанотрубок.

16. Тонкие пленки и перспективы их использования.

9. Нанотехнологии в медицине, фармацевтике и биотехнологии

9.1. Наночастицы – новая форма лекарств и средство их адресной доставки

Использование известных медицинских препаратов при условии разработки высоких технологий их приготовления, в результате которых действующее вещество используется в виде наночастиц, ведет к повышению эффективности лекарственных средств, улучшению их биодоступности, ослаблению побочных эффектов и повышению химической стойкости самих лекарств. Эффективность использования наночастиц в качестве лекарственных средств связано с тем, что любой живой организм имеет целый ряд защитных механизмов, направленных на разрушение или удаление из организма всех чужеродных веществ, поступающих извне. Например, большинство вводимых в организм небольших молекул очень быстро удаляется из крови почками. Поэтому наиболее эффективны с медицинской точки зрения частицы размерами 5–200 нм, так как частицы крупнее 5 нм не захватываются почками, а частицы с размерами менее 200 нм не подвергаются действию макрофагов, которые реагируют на более крупные частицы. Кроме того, химическая активность вещества и его свойства существенным образом зависят от размера частиц и величины активной поверхности вещества, которая тем больше, чем оно сильнее измельчается. Таким образом, использование лекарственных веществ с наноразмерами частиц открывает новую жизнь для старых лекарств. Лекарства на основе наночастиц удобнее всего принимать, как и обычные таблетки, перорально (т.е. проглатывать). В этом случае большая часть микрочастиц проникает в организм, всасываясь через стенки кишечника. Так как проникающая способность через стенку обычно обратно пропорциональна размеру частиц, то наночастицы являются чрезвычайно эффективными носителями любых веществ и препаратов.

Рассмотрим более детально существующие типы наноносителей и наноустройств, используемых для доставки лекарственных препаратов.

Полимерные коньюгаты (препараты, химически связанные с полимерной основой или просто молекулярные соединения на полимерной подложке) имеют размеры 5–20 нм. В качестве полимерной основы применяются легко растворимые в воде вещества (полиэтилен-гликоль, декстрин), способные присоединять к себе небольшие плохо растворимые в воде молекулы и придавать им способность растворяться в воде. Таким образом, препараты, представляющие лечебную ценность, но применение которых сильно ограничивалось тем обстоятельством, что они не растворяются в воде или других подходящих средах, смогли использоваться в медицине. (Пример. Известный в хемотерапии препарат камптохецин, практически нерастворим в воде. Присоединение его молекулы к полимерному носителю на основе циклодекстрина позволило повысить растворимость этого препарата на три порядка.) Кроме того, полимерные коньюгаты слабо захватываются очистительными механизмами почек, что и позволяет им длительное время циркулировать в крови внутри организма. Соответственно уменьшается частота приема препарата и его дозы. (Пример. Эффективный при остром лимфобластном лейкозе препарат L-аспарагиназа необходимо применять 2–3 раза в неделю, так как эта молекула легко удалялась из крови почками. Данный препарат на носителе из полиэтиленгликоля достаточно применять 1 раз в 2 недели.)

В последнее время внимание специалистов привлекают так называемые дендримеры, особый вид полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение. Размеры «ветвей» достаточно легко контролируются (например, подавлением роста молекулярных цепей на очередном этапе ветвления структуры), в макромолекулах имеются хорошо воспроизводимые по форме каналы и поры, способные к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ. Все это позволяет использовать их в качестве носителей лекарственных препаратов.

Наносферы и нанокапсулы. Представляют собой миниатюрные частицы с нанопорами (наносферы) или нанорезервуары, окруженные полимерными мембранами (нанокапсулы). Размеры частиц от 50 до нескольких сотен нанометров. Лекарственный препарат помещается в нанопоры или внутрь нанокапсул. Использование пор с размерами менее 6 нм позволяет защитить их содержимое от воздействия иммунной системы организма. Нанокапсулы используются для предотвращения разрушения переносимого частицей препарата ферментами или химическим воздействием организма. В качестве материала наносфер и нанокапсул используется биоразрушаемый полимер, скорость разрушения которого в организме определяет скорость выделения лекарства. (Пример. С помощью полимерных наночастиц удалось перорально вводить в организм инсулин, избегая таким образом его отторжения организмом.)

В качестве наносфер могут использоваться фуллерены с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами, способными связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Наносферы могут использоваться для борьбы с вирусными заболеваниями типа гриппа и ВИЧ, онкологическими заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов и др. (Пример. Наносфера содержит на поверхности химические группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке, а внутри – атом радиоактивного элемента.) Наносферы могут использоваться и в диагностике: заполненные рентгеноконтрастным веществом, прикрепляясь к определенным клеткам, могут показывать их расположение в организме.

К нанокапсулам можно отнести липосомы – наноразмерные частицы (от 25 до нескольких сот нанометров) из фосфолипидов и холестеролов (так называемые «жировые пузырьки»). Обычно они содержат двухслойные структуры, в которые легко могут быть инкапсулированы лекарственные препараты. Таким образом, липосомы можно использовать для направленной доставки лекарств. Достоинством природных фосфолипидов является то, что они нетоксичны, биодеградируемы, не вызывают аллергических реакций, имеют высокое сродство к мембранам клеток, благодаря чему легко проникают внутрь клетки.

Во многих случаях, особенно для генной терапии, важна адресная доставка лекарства в нужный тип клетки. В этом случае липосомы рассматриваются как наиболее перспективные носители. Модель такой «идеальной» липосомы для адресной доставки лекарственного вещества должна содержать во внутреннем объеме лекарственные вещества (в случае генной терапии это ДНК). На ее поверхности иммобилизованы гибкие цепи полимера – защиты от воздействия иммунной системы организма, в ее мембрану должны быть встроены молекулы вещества, предназначенного для присоединения к нужным клеткам-мишеням (так называемый молекулярный адрес). В мембрану также должны быть инкорпорированы белки слияния с мембраной клетки-мишени. Основной недостаток липосом – это относительно небольшая стабильность их при хранении по сравнению с полимерными наночастицами. Однако последние состоят из менее безопасного материала.