Наномедицина: перспективы развития

Наномедицина: перспективы развития

М.В. Самсонова

В последнее десятилетие на развитие медицины большое влияние оказывают разработки нанонауки и нанотехнологий. Понятие “нанонаука” относится к фундаментальным исследованиям свойств веществ на атомарном, молекулярном и сверхмолекулярном уровнях, когда они существенно отличаются от свойств веществ при больших размерах частиц. Нанотехнологии - это разработка, производство и применение структур, устройств и систем, выполненных на основе частиц в нанометрическом диапазоне и обладающих благодаря этому новыми физическими, химическими или биологическими свойствами.

В последние несколько лет в области нанотехнологии происходит быстрый прогресс. Нанотехнология находится на стыке различных дисциплин, в тесной связи с физикой, химией, молекулярной биологией и медициной. Применение нанотехнологий в медицине направлено на улучшение диагностики и лечения различных заболеваний. В настоящее время основные направления наномедицины связаны с наноуровневой хирургией, технологиями выращивания тканей, а также различными методами направленной доставки лекарственных средств [1-3].

Нанохирургия

Исследовательская группа из Японии разработала метод хирургии на живых клетках в наноразрешающем диапазоне с использованием атомной микроскопии [4, 5]. Информация, получаемая с помощью атомного микроскопа с поверхности образца, может быть столь же проста, как и физическая топография, и столь же разнообразна, как разнообразны физические, химические и магнитные свойства материалов. Для исследования клеток используют наноиглы длиной 6-8 мкм и диаметром 200-300 нм. Такие наноиглы могут проникать через клеточную или ядерную мембрану и могут быть введены непосредственно в ядро клетки.

Новая технология имеет преимущества перед обычным методом микроинъекции белков, пептидов и других веществ в живую клетку с помощью микрокапилляров. Повреждения клеток при использовании микрокапилляров не позволяют использовать их при работе с некоторыми типами клеток, а ультратонкая игла, вводимая с использованием атомной микроскопии, не вызывает фатального повреждения живой клетки.

Мария Викторовна Самсонова - докт. мед. наук, зав. лаб. патологической анатомии НИИ пульмонологии ФМБА.

Эта технология была предложена для изучения клеточной активности, контроля за дифференцировкой клеток или для проведения терапии на живой клетке. Хотя такая технология может быть названа нанохирургией или клеточной хирургией, при этом не имеют в виду непосредственное воздействие на индивидуальную клетку. Речь идет о “клеточной терапии”, которая подразумевает введение пациенту интактных и функционально активных клеток. Например, техника клеточной хирургии с использованием наноигл может применяться для индукции дифференцировки стволовых клеток с целью получения здорового клона определенных клеток.

Фемтосекундная лазерная хирургия

Фемтосекундные околоинфракрасные лазеры могут быть использованы для микрохирургии в нанодиапазоне на живых клетках без их повреждения. Термин “фемтосекундный” относится к продолжительности импульса лазерного излучения, которая находится в диапазоне фемтосекунд (фемтосекунда - 10-15 с). Околоинфракрасный (длина волны 740 и 800 нм) лазер генерирует импульсы излучения высокой интенсивности (1012 Вт/см2), которые фокусируются в объеме менее 1 фемтолитра [6, 7]. Энергия, высвобождаемая лазерным излучением, приводит к разрушению химических связей локально в месте воздействия, без некроза и повреждения окружающих тканей. С помощью такого лазера возможно выключение отдельных органелл живой клетки без повреждения окружающих органелл и потери жизнеспособности клетки. Перспективными областями применения этого метода являются хирургия в офтальмологии, технологии выращивания тканей, нейрохирургия, экстракорпоральное оплодотворение, а также генная терапия.

Тканевая инженерия

Синтетические материалы, используемые в современной трансплантологии, зачастую не обладают оптимальными свойствами. Одним из основных недостатков является изнашиваемость материалов (в частности, в ортопедии). Альтернативой могут стать материалы, созданные на основе нанотехнологии, поскольку они обладают способностью воспроизводить поверхностные свойства белков организма. Наноматериалы - это материалы, размеры которых составляют <100 нм по крайней мере в одном измерении. В настоящее время такие материалы производят из керамики, металлов, полимеров, а также композитных со-

Г

ставляющих. Такие материалы обладают реактивностью по отношению к белкам, что позволяет контролировать клеточную адгезию и, следовательно, способность ткани к регенерации.

В настоящее время существуют две стратегии создания тканей (тканевой инженерии): in vivo - при помощи инъекции клеток, а также ex vivo - путем наслоения клеток на несущий материал. Метод in vivo предполагают использовать для восстановления хорошо регенерирующих органов - печени, селезенки и др. В методике ex vivo наноматериал используют как подложку для роста клеток [8]. Для создания тканей желательно использовать аутологичные клетки, чтобы предотвратить иммунологические реакции отторжения. Основные проблемы связаны с ограничением приживаемости трансплантата и выживаемости клеток. Кроме того, многие пациенты находятся в терминальной стадии заболевания, и поэтому достаточно сложно получить необходимое количество клеток. Альтернативой служит применение полипотентных стволовых клеток, но при этом использование аллогенных клеток может быть ограничено в связи с возможным их отторжением.

Для материалов, используемых в качестве подложки для роста тканей, необходимы такие свойства, как прочность и контролируемая проницаемость. В этом смысле использование наноматериалов является перспективным; кроме того, возможно создание биодеградируемых полимеров. Проведенные в настоящее время экспериментальные исследования доказали возможность использования наноматериалов, однако приживаемость трансплантата и продолжительность жизни клеток пока являются существенными ограничениями этого метода.

Диагностика и целевая доставка лекарственных препаратов

Перспективным направлением является использование наносистем и наноматериалов для диагностики ранних стадий заболеваний, а также для терапии с помощью целевой доставки лекарственных средств. Доставка препаратов (в частности, химиотерапевтических) непосредственно в очаг позволит уменьшить их нежелательные системные эффекты. С этой целью могут быть использованы полимерные мицеллы, дендримеры (ветвистые полимерные молекулы) и керамические наноматериалы, полимерные белковые структуры и липосомы. Во-первых, диагностические и терапевтические агенты могут быть инкапсулированы, ковалентно связаны или абсорбированы на наноматериалах. Это позволяет преодолеть препятствия, связанные с растворимостью лекарственных средств, поскольку многие из них являются водонерастворимыми. Во-вторых, использование малых размеров и поверхностных свойств наноматериалов позволит доставлять лекарства к определенным клеткам при их парентеральном введении. Такой подход позволит повысить терапевтическую эффективность и снизить риск нежелательных явлений. Некоторые из таких носителей могут быть активированы при измене-

нии окружающих условий - в частности, pH среды, под действием различных химических стимулов или внешнего источника тепла [9].

Однако использование наноматериалов в качестве средства доставки поднимает вопрос об их токсичности, поскольку свойства материалов могут существенно меняться, если размер частиц находится в нанодиапазоне. Таким образом, при использовании наноматериалов необходимо тщательно оценивать соотношение рисков и положительных эффектов [10, 11]. Кроме того, при применении наноматериалов необходимо решать вопрос об обратной связи, поскольку в работах некоторых авторов было показано, что при доставке лекарств процесс может выходить из-под контроля [12]. Принимая во внимание этот факт, при разработке наноматериалов следует учитывать их способность к биодеградации или элиминации из организма путем метаболизма и экскреции. Альтернативой может быть использование “устройств самонаведения”, которые позволят собирать и удалять из организма наноматериалы после достижения необходимого эффекта.

Влияние наночастиц на здоровье человека

Легкие являются основным органом-мишенью для различных поллютантов окружающей среды. Влияние частиц различных размеров на развитие патологических процессов в легких неоднозначно. Ультрамелкие частицы (УМЧ) и наночастицы сходны в размерах - их диаметр составляет менее 100 нм [13]. Термин “ультрамелкие частицы” используют для описания частиц, которые циркулируют в атмосфере, но не являются наночастицами, производимыми специально. Такие частицы становятся побочными продуктами индустриального происхождения, продуктами сгорания бензина и дизельного топлива, вулканической активности и т.п. УМЧ по сравнению с частицами размером >0,1 мкм имеют большую продолжительность циркуляции в атмосфере (в течение нескольких дней) и могут переноситься на расстояния более 1000 км. Кроме того, УМЧ способны абсорбировать на своей поверхности поллю-танты, оксиданты, органические соединения, а также металлы [14].

Циркулирующие в атмосфере УМЧ могут играть роль в провокации воспалительного процесса у пациентов, страдающих бронхиальной астмой и хронической обструктив-ной болезнью легких. Было показано, что обострение этих хронических воспалительных заболеваний коррелирует с уровнем загрязнения УМЧ окружающей среды [15, 16]. Ингаляция УМЧ и наночастиц способна приводить к развитию воспалительного ответа в легких, кроме того, такие частицы могут попадать в кровь и обнаруживаться в других органах. Внелегочная миграция УМЧ зависит не только от размера частиц, но и от их химического состава и поверхностных свойств. Так, УМЧ окиси титана способны проникать через клеточные мембраны и могут быть обнаружены в капиллярах [17].

1 4 АтамсферА. Пульмонология и аллергология www.atmosphere-ph.ru

В экспериментальных работах было показано, что УМЧ могут провоцировать развитие оксидативного стресса в легких [18, 19]. Оксидативный стресс при воздействии УМЧ связан с макрофагами и эпителиальными клетками, реализуется путем активации митоген-активируемой про-теинкиназы, что вызывает экспрессию ряда провоспали-тельных генов и цитокинов [20].

Экспериментальные исследования с УМЧ различного химического состава подтвердили, что продукция активных форм кислорода является основным механизмом развития воспаления. Оксидативный потенциал УМЧ из различных источников (почвенная пыль, летучий пепел, угольная пыль) был в большой степени связан с содержанием в такой пыли металлов. Способна индуцировать оксидативный стресс как растворимая, так и нерастворимая часть УМЧ [20].

В экспериментальных исследованиях in vivo было показано, что УМЧ вызывают выраженные воспалительные и токсические реакции в легких у животных, причем сила ответа зависит от размера частиц и их химического состава. У мышей и крыс наблюдали более выраженный воспалительный ответ при действии УМЧ окиси титана по сравнению с более крупными частицами, при этом происходил приток нейтрофилов в легкие [21]. В эксперименте на крысах было показано, что политетрафторэтиленовый дым, содержащий УМЧ размером <26 нм, вызывает геморрагический ответ в легких и смерть животных при экспозиции всего 10-30 мг пыли. Воспалительный ответ был более выражен при использовании только что образовавшихся частиц, а со временем их поверхностно-активные свойства и токсичность снижались [22].

Ряд исследований посвящен влиянию на легкие животных таких наноматериалов, как одностенные углеродные нанотрубки. При этом было показано, что патологические изменения можно наблюдать при действии как малых, так и больших доз. При экспозиции малых доз развивалось гранулематозное воспаление, тогда как высокие дозы приводили к развитию острого воспалительного ответа с формированием в последующем фиброза легких [23, 24].

Заключение

Успехи в развитии наномедицины обещают открыть новые перспективы в ранней диагностике и лечении различ-

ных заболеваний. С другой стороны, применение нанотехнологий в медицине может расширить спектр наших представлений о риске использования наноматериалов, который не следует недооценивать. Опубликованные обзоры литературы содержат лишь первые данные относительно возможной токсичности наночастиц для человека. При этом в большом числе наблюдений описываются связи между экспозицией УМЧ и заболеваемостью, особенно у пожилых и иммунокомпрометированных лиц. Учитывая сходство свойств УМЧ и наночастиц, можно предположить, что наночастицы также способны вызывать различные заболевания, зачастую с длительным латентным периодом. В связи с этим при разработке наномедицинских технологий следует тщательно оценивать риск, связанный с использованием наноматериалов.

Список литературы

1. Gwinn M.R., Vallyathan V. // Environ. Health Perspect. 2006. V. 114. P 1818.

2. Emerich D.F., Thanos C.G. // Expert Opin. Biol. Ther. 2003. V. 3. P. 655.

3. Freitas R.A. Nanotechnology, Nanomedicine and Nanosurgery. http://www.kurzweilai.net

4. Obataya I. et al. // Nano Letters. 2005. V. 5. P 27.

5. Obataya I. et al. // Biosens. Bioelectron. 2005. V. 20. P 1652.

6. Tirlapur U.K., Konig K. // Plant J. 2002. V. 31. P 365.

7. Konig K. // Histochem. Cell Biol. 2000. V. 114. P 79.

8. Allen J.W., Bhatia S.N. // Tissue Eng. 2002. V. 8. P 725.

9. Moghimi S.M. et al. // FASEB J. 2005. V. 19. P 311.

10. Warheit D.B. // Materials Today. 2004. V. 7. P 32.

11. Nel A. et al. // Science. 2006. V. 311. P 622.

12. Haberzettl C.A. // Nanotechnology. 2002. V. 13. P R9.

13. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. 2nd ed. N.Y., 1999.

14. Oberdorster G. // Int. Arch. Occup. Environ. Health. 2001. V. 74. P. 1.

15. Gong H. et al. // Inhal. Toxicol. 2005. V. 17. P 123.

16. Koenig J.Q. et al. // Environ. Health Perspect. 2005. V. 113. P 499.

17. Geiser M. et al. // Environ. Health Perspect. 2005. V. 113. P 1555.

18. Dick C.A. et al. // Inhal. Toxicol. 2003. V. 15. P 39-52.

19. Donaldson K., Tran C.L. // Inhal. Toxicol. 2002. V. 14. P 5.

20. Oberdorster G. et al. // Inhal. Toxicol. 1995. V. 7. P 111.

21. Oberdorster G. et al. // Environ. Health Perspect. 1994. V. 102. Suppl. 5. P 173.

22. Ebbesen M., Jensen T. // J. Biomed. Biotechnol. 2006. V. 2006. P. 51516.

23. Lam C.W. et al. // Toxicol. Sci. 2004. V. 77. P 126.

24. Shvedova A.A. et al. // Amer. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 2005. V. 289. P. L698.

АТМОСФЕР.

Посетите наш сайт!

На сайте www.atmosphere-ph.ru вы найдете электронную версию нашего журнала, а также журналов “Астма и Аллергия”, “Лечебное дело”, “Атмосфера. Кардиология”, “Легкое сердце”, “Атмосфера. Нервные болезни”, “Нервы”, переводов на русский язык руководств и популярных брошюр GINA

по диагностике и лечению больных ХОБЛ.