Нанотехнологии в медицине и фармации

М.А.ПАЛЬЦЕВ, академик РАН и РАМН

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ И ФАРМАЦИИ

Впервые термин «нанотехнология» применил Норио Танигучи, инженер из Токийского университета, в 1974 г. в статье, которая посвящалась обработке материалов. Прошло еще 20 лет, прежде чем термин был введен в широкий научный оборот. Сегодня нанотехнологии являются одной из наиболее интенсивно развивающихся областей науки в самых разных отраслях, в т.ч. в медицине и фармации.

Развивать нанотехнологии сегодня стремятся не только ведущие индустриальные державы, но и развивающиеся страны, в частности в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Самые масштабные государственные научно-исследовательские программы в области нанотехнологий реализуют США и Япония, инвестиции в эти программы составляют у них более 1 млрд. долл. в год. С 1997 г. объем инвестиций в эти технологии в мире вырос на порядок и в 2004 г. составил 4,6 млрд. долл1 (рис. 1).

В США, например, развитие биотехнологий рассматривается в качестве основного мотора инноваций, который должен способствовать конкурентоспособности североамериканских продуктов на мировом рынке. Частные инвестиции в биотехнологии в США превышают государственные, и это свидетельствует как о достаточном уровне зрелости наноразработок, так и об их высоком экономическом потенциале.

В последние годы быстрыми темпами развивается также наномедицина, которая привлекает всеобщее внимание не только чисто научными достижениями, но и социальной значимостью. Под этим термином сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний. Развитие наномедицины тесно связано с революционными дости-

жениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне. 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 (Wagner V., Wechs-ler D., 2004).

0 значении наномедицины свидетельствует поступательный рост публикаций на эту тему в международных научных журналах (рис. 2). В течение 10 лет количество научных публикаций по наномедицине в мире увеличилось в 4 раза. Растет также число патентных заявок на изобретения, а это указывает на увеличивающуюся коммерциализацию данной сферы. Бесспорным лидером и по научным публикациям, и по числу патентных заявок являются США — оттуда приходят ежегодно 32% публикаций и 53% заявок, следом идут Германия (8% публикаций и 10% заявок) и Япония (9 и 6%, соответственно).

Движущей силой многих наномеди-цинских инноваций являются start-up-компании, строящие свою стратегию на внедрении и коммерциализации инноваций.

1 Nanotech Report 2004. - Lux Research, New York, 2004.

2 (VDI Technologiezentrum GmbH, 2006).

M. Paltsev, academician of RAS and RAMS: «The term «nanomedicine» may be defined as application of nanotechnologies in diagnosis, monitoring and treatment of human illnesses. Nanomedicine today is a large and fast-growing industry which is spreading all over the world through the scientific achievements it brings about and its social impact.

✓

Интерес фармацевтической и медицинской промышленности к нанотехнологиям в последние годы значительно повысился, поэтому следует ждать значительных вложений в эту область. В недалеком будущем нанотехнологии будут играть одну из ведущих ролей в качестве движущей силы инноваций в медицине.

Уже в 2004 г. мировой оборот наноме-дицинских препаратов оценивался экспертами в 6 млрд. долл2. Правда, в этих подсчетах эксперты относят к наномедицинским любые медицинские технологии, в которых используются наноматериалы или нанотехнологии. Так, применение наночастиц золота в экспресс-диагностике является лишь одной из составных частей диагностического теста, но их присутствие дает основание экспертам причислить данный способ диагностики к нанотехнологиям.

Более 50% фармацевтических компа-ний-производителей, которые активно работают в области наномедицины, используют нанотехнологии для разработки систем доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. Эти препараты дают сегодня 80% оборота в мировой наномедицине. Одной из ведущих областей применения таких систем является онкология. Использование систем доставки направлено на уменьшение неблагоприятных побочных эффектов ЛС. Среди

✓

этих нанопрепаратов уже имеются два блокбастера, не считая других успешных препаратов, вместе их оборот составляет 5 млрд. долл.

Значительно ниже доля предприятий, производящих на нанотехнологической основе имплантаты (19%) и средст-

ва для диагностики in vitro (17%). Наиболее сложными проблемами — разработкой методов и средств лечения на основе принципиально новых терапевтических концепций — занимаются лишь 3% компаний (рис. 3).

(СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

В 60-е годы прошлого века были получены липосомы, способные доставлять в орган-мишень лекарственное вещество. Различают два вида липосом: муль-тиламелларные липосомы, диаметр которых может составлять до 10 цт, и состоящие из одной ламеллы (пластинки) с диаметром примерно от 20 до 50 nm. Последние используются в качестве средства доставки активного лекар-

кстати..

База мировой наномедицины сегодня:

♦ более 200 компаний-разработ-чиков и производителей нанотехнологических препаратов;

♦ 35 препаратов, разрешенных к медицинскому применению;

♦ более 150 продуктов на разных стадиях разработки;

♦ общий оборот более 6 млрд. долл.

(VDI Technologiezentrum GmbH, 2006).

ственного вещества. Полимерные наночастицы было предложено использовать в качестве систем доставки в 70-х годах ХХ в. (Ravi Kumar, 2000, 2003). Исходным материалом для них могут служить различные естественные или биоинертные синтетические полимеры, например, полисахариды, полимолочная кислота, полилакти-ды, полиакрилаты, акрилполимеры и др. Под термином «полимерные наночастицы» понимают два морфологически различных вида частиц: наносферы и нанокапсулы. Наносферы представляют собой сплошные полимерные матрицы, на которых распределяется активное вещество. Нанокапсулы состоят из полимерной оболочки, охватывающей наполненную жидкостью полость. Эти виды наночастиц различаются по высвобождению активного лекарственного вещества: из наносфер высвобож-

дение протекает по экспоненте, а из нанокапсул — в течение длительного времени константно.

Еще один тип систем доставки лекарственных активных веществ обязан достижениям в области разработки дефи-нированных поливалентных и дендритических полимеров. Здесь примерами могут послужить полианионные полимеры — ингибиторы клеточных связей с вирусами, поликатионные комплексы с ДНК или РНК (т.н. поли-плексы) и дендритные клетки (Haag R., Kratz F., 2006).

К сожалению, несмотря на высокий потенциал эффективности, системы доставки активных веществ в органы и ткани-мишени связаны и с нежелательными побочными эффектами. Так, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba после анализа данных по безопасности различных систем доставки приняли решение сосредоточиться на разработке ЛС с расщепляемыми наноносителями, поскольку безопасность стабильных наночастиц вызывает сомнения и нужны дополнительные исследования для ее подтверждения (Feiertag A., 2007).

Поиск альтернативных систем продолжается. Наряду с совершенствованием

РИСУНОК 1

Инвестиции в развитие нанотехнологий в расчете на одного жителя в трех ведущих в этой области странах

— Германия

— Япония

— США

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Источник: VDI Technologiezentrum, 2006

РИСУНОК 2

| Научные публикации и заявки на оформление патентов в области наномедицины

2000

1500

1000

500

— Публикации  — Патенты

1600

420 425

370

240 250 300

425 430 470

750 620

1000

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Источник: VDI Technologiezentrum, 2005; European Patent Office, 2005.

1300

900

750

700

600

500

410 420

Распределение компаний, работающих в области наномедицины, по направлениям

5

2

1 — Системы доставки, 54%

2 — Имплантаты, 19%

3 — Средства для диагностики in vitro, 17%

4 — Средства для диагностики in vivo, 7%

5 — Методы и средства терапии, 3%

Источник: Nanomedizin: Innovationspotentiale in Hessen fuer Vedizintechnik und pharmazeutische Industrie. — Wiesbaden, 2006.).

РИСУНОК 3

известных систем доставки разрабатываются новые — соединения полимеров с активными веществами, полимерные мицеллы, неорганические наночастицы, твердые липидные наночастицы, фуллерены (табл. 1). Последние, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса ЛС (Gorman, 2002, Csixty, 2003).

На основе фуллеренов разрабатываются препараты — средства доставки ЛС для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

Системы доставки имеют большое значение для ЛС на основе протеинов, действие которых зачастую снижается из-за ограниченного времени нахождения в крови, химической лабильности и способности провоцировать иммунную реакцию. С помощью систем доставки ученые пытаются улучшить аппликационные свойства протеиновых препаратов. Благодаря присоединению к протеину полимерной цепочки удается не только увеличить период их полураспада в крови, но и повысить их эффективность. Сегодня известны два бестселлера среди нанофармацевтиче-ских препаратов — полимер-протеино-вый конъюгат Пегасис (Pegasys — пэги-

лированный альфа2а-интерферон) для лечения гепатита С и Нейласта (№Ша&-ta — пегилированный hG-CSF) для терапии нейтропении (табл. 2).

АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И НОВЫЕ СПОСОБЫ ЛЕЧЕНИЯ

Нанометровые молекулы могут применяться непосредственно в качестве активных веществ. В частности, интересным классом молекул с этой точки зрения являются дендримеры. Эти разветвленные, как крона дерева, молекулы (отсюда их название) могут достигать размера мелких протеинов. По сравнению с классическими полимерными молекулами они обладают тем преиму-

ществом, что можно контролировать их синтез с заданными свойствами, т.е. запрограммировать для определенного медицинского применения. Кроме того, на поверхности можно расположить специфическим образом определенные функциональные группы, так чтобы они особенно эффективно взаимодействовали с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel — гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. Вивигель разработан австралийской биотехнологической компанией Starpharma, сейчас проходят его клинические исследования.

Одним из новых принципов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров. Так пытаются решить проблему недостаточной растворимости ЛС: 40% новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо и, соответственно, обладают недостаточной биодоступностью.

В 90-е годы удалось получить наночастицы активного лекарственного вещества, т.н. активные нанокристаллы, с помощью процессов размельчения или ги-пербарической гомогенизации (Mueller

таблица 1| Потенциал различных нанометрических систем доставок для некоторых групп ЛС

Нано-системы проти- во-опу- холевые ЛС антибио- тики/ви- роста- тики протеи- ны/пеп- тиды генно- инже- нерные ЛС ЛС для лечения больных СПИДом Вакцины Радио- терапев- тические ЛС Иммуно- подавля- ющие ЛС

Липосомы + + + +

Полимерные наночастицы + + + + + +

Твердые липидные наночастицы + + + + + +

Соединения (конъюгаты) полимеров и активных в-в + +

Полимер-протеиновые соединения +

Дентромеры + + + +

Фуллерены + + +

Наночастицы фосфата кальция + +

Наночастицы золота + +

Магнитные наночастицы + +

Силикатные наночастицы +

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ И ФАРМАЦИИ 9

сентябрь 2008 ршшиим

Наномедицинские препараты, успешно внедренные

в клиническую практику

Система доставки Лекарственный препарат, производитель Область применения

Полимер-протеи-новые конъюгаты Пегасис (Pegasis), Рош гепатит С

Нейласта (Neulasta), Amgen нейтропения

Peg-Intron, Schering-Plough гепатит С

Липосомы Цэликс (Caelyx), Schering-Plough онкология

Активные нанокристаллы Rapamune, Wyeth-Ayerst Lab. иммуносупрессия

et al., 2001). Эти наночастицы на 100%

состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить гранулы или таблетки из суспензии. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200—600 nm. Для улучшения аппликационных свойств нанокристал-лических ЛС проводят модификацию поверхности кристаллов. В этом направлении работают компании Wyeth-Ayers Laboratories (США), PharmaSol (ФРГ), SkyePharma (Великобритания), Merck&Co. (США) и многие другие. Одним из нано-кристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику в 2000 г., является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) — иммуносупрессивное ЛС, которое применяют после трансплантации органов. При производстве этого препарата была применена технология Nano-Crystal (разработчик — Elan). А в 2003 г. фармконцерны Merck&Co. и John-son&Johnson заключили контракт с компанией Elan на применение этой технологии при производстве других инновационных ЛС.

Иная концепция заложена в основу термотерапии наночастицами. Например, новый способ лечения раковых опухолей заключается в том, что наночастицы вводят в опухоль, а затем либо за счет воздействия магнитного поля, либо лазерного облучения их нагревают, при этом опухолевые клетки разрушаются. Впервые эта медицинская технология была предложена более 15 лет назад уче-

ными из университетской клиники Шарите (Берлин) под руководством д-ра Йордана (Jordan). За эту разработку в 2005 г. ученые были отмечены премией Frost&Sullivan Award for Technology Innovation. В 2003 г. разработка была передана коммерческой нанотехнологической компании для доведения и внедрения. Тогда же начались клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Сегодня в этом направлении работает целый ряд

компаний в Европе (например, Mag-namedics, Ахен) и США (Nanospectra Bioscience, Хьюстон).

(диагностика in vivo

Революционные достижения геномики и молекулярной биологии привели к лучшему пониманию молекулярных процессов, которые лежат в основе болезней. Диагностику, основанную на передаче визуальной информации о молекулярных структурах, можно назвать молекулярной визиографией. Здесь используется тот же принцип, что и при традиционных методах получения изображений — радиографии, эхографии, УЗИ и т.д., только требуется иное контра-

стное вещество, а также специальные медицинские приборы и системы обработки данных.

Контрастное вещество для молекулярной диагностики состоит из наночастиц, с которыми соединены визуализирующие компоненты и определенные антитела либо какие-нибудь другие молекулы, способные отыскать цель. Когда контрастное вещество вводится в кровеносное русло, его поисковые компоненты взаимодействуют с целевыми структурами на поверхности больной клетки по принципу «ключ-замок», и визуализирующие компоненты попадают в больные ткани. После этого остается «считать» визуализированную информацию. Над этой концепцией работает компания Kereos (СтЛуис), которая разрабатывает контрастные вещества на основе наноэмульсии перфторкарбона, каждая капелька которой несет по нескольку тысяч атомов гадолиниума. Таким образом, резко повышается контрастность. Эти препараты компания разрабатывает в сотрудничестве с мировыми концер-

нами Philips и Bristol-Myers Squibb. Сложные молекулярные контрастные вещества, создаваемые на основе нано-технолоий, пока еще не доступны для клинической практики. Но уже внедрены простые контрастные вещества, которые состоят из наночастиц окиси железа. Они обеспечивают высокую контрастность в диагностике заболеваний печени. Такое контрастное вещество разработала и внедрила под торговой маркой Resovist компания Schering.

(диагностика in vitro

Эксперты указывают, что нанотехнологии способствовали ренессансу биосенсорики, т.к. они позволили осуществить

совершенно новые сенсорные концепции. Нанотехнологии в диагностике in vitro развиваются в двух направлениях: 1) использование наночастиц как маркеров биологических молекул; 2) применение инновационных нанотехнологических способов измерения.

Фирма Nanosphere из Иллинойса разработала новые диагностические тесты для выявления онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и муко-висцидоза. Причем заявлено, что новый диагностический тест для муковис-цидоза будет стоить в 10 раз дешевле имеющихся сегодня.

К новым наномедицинским диагностическим тестам относятся также сенсорные системы Cantilever и SPR (поверхностный плазменный резонанс). Сенсор Cantilever состоит из искусственных балок длиной от нескольких десятков до 200 цт и толщиной от нанометров до микрометров. Балки покрываются слоем молекул ДНК или протеинов, которые специфически взаимо-

действуют с целевыми биомолекулами в пробе. Это взаимодействие приводит к отклонению балки, движение которой улавливает лазерный детектор. По сравнению со многими оптическими методами сенсор Cantilever обладает тем преимуществом, что молекулы в пробе не требуют маркировки, и за счет этого процедура диагностики существенно упрощается. Сенсор SPR позволяет измерять взаимодействие между протеинами или протеинами и ДНК в режиме реального времени за счет определенного расположения нанослоев и разной интенсивности отраженного света в зависимости от массы биомолекул в слое. Эти приборы уже нашли широкое применение в медицинском материаловедении.

Стоит упомянуть еще диагностическую систему Quicklab, предназначенную для экспресс-диагностики. Это малогабаритный электронный прибор с биочипом с нанометровыми электродами. Молекулы ДНК и протеины определя-

ются биохимическим методом. Принцип разработан Институтом кремниевых технологий (ФРГ) и воплощен концерном Siemens Corp. Technology. Прибор предназначен для диагностики инфекционных заболеваний, заражения крови, воспаления легких, болезней мочеполовых путей.

(ИМПЛАНТАТЫ И БИОМАТЕРИАЛЫ

Имплантология получила в последние десятилетия импульс для развития в связи с потребностью в способах и средствах восстановления или замещения органов и тканей. Ряд фирм уже давно работают с нанокристалличес-кими материалами и покрытием поверхности имплантатов гидроксилапа-титом.

Другим методом является нанокристал-лическое алмазное покрытие, которое также обещает увеличить продолжительность функционирования и стабильность имплантатов. В эксперимен-

таблица з| Значение нанотехнологических материалов и технологий в медицине .

Нанотехнологии и наноматериалы Области применения

системы доставки активные вещества/ способы лечения диагностика in vivo диагностика in vitro Имплантаты/ биомате- риалы

Липиды (слои/везикулы), (примеры: липосомы;липидные покрытия для сенсорных поверхностей) +++ + +++ ++ +

Органические наночастицы ++ + + - +

Неорганические наночастицы (примеры: наночастицы золота, серебра, фосфата кальция) + +++ +++ +++ +++

Молекулярные наноструктуры (примеры: дендримеры, углеводные нанотрубки, фуллерены, полимерные молекулы-ПЭГ) +++ +++ ++ ++ +

Нановолокна + + + - ++

Наноструктурные поверхности + + + ++ +++

Нанопоры + + - + +

Нанотехнологические методы измерения + + ++ +++ +

Отмечена экспертная оценка научной значимости наноматериалов/нанотехнологий для разных областей медицины (о практическом значении можно будет судить в недалеком будущем): +++ большое значение, ++ существенное значение, + умеренное значение, - незначительны. Источник: Nanomedizin: Innovationspotentiale in Hessen fuer Vedizintechnik und pharmazeutische Industrie. — Wiesbaden, 2006.

тах уже показано, что остеобласты распознают алмазные субмикроструктуры и могут закрепляться на них. Эти результаты указывают на прекрасную биосовместимость алмазных покрытий. Материалы из нанокристаллического гидроксилапатита применяются для лечения костных дефектов, причем благодаря нанокристаллической структуре в таком имплантате процесс остеогенеза практически включает искусственный материал в естественную кость.

Недавно начало развиваться еще одно направление нанотехнологических биоматериалов — нановолокна, которые ученые предполагают использовать при тканевом инжиниринге — создании искусственных тканей (в перспективе — возможно также и органов) на основе клеточных технологий.

(заключение

Таким образом, сегодня закладывается фундамент применения нанотехнологий практически во всех областях медицины (табл. 3). При этом в системах доставки и в диагностике in vivo в настоящее время преимущественно используются наночастицы как носители активных лекарственных или контрастных веществ в пораженные органы и ткани-мишени. В разработках новых активных веществ и способов лечения, во-первых, используется фармацевтический потенциал определенных молекулярных наносистем (дендримеры, фуллерены), во-вторых, могут использоваться наночастицы в комбинации с термическим или механическим действием магнитных полей, лазерного излучения, ультразвука и пр. Быстрыми темпами развивается нанотехнологическая диагностика in-vitro: здесь используется широкий арсенал возможностей нанотехнологий — от наночастиц с маркерами до биочипов. В области разработки биоматериалов внимание исследователей приковано опять-таки к наночастицам, в т. ч. нанокристаллам, которые должны поднять на новый уровень современную имплантологию, ортопедию, стоматологию.

<$>