СПОСОБ АДРЕСНОЙ ДОСТАВКИ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В ЦЕНТРАЛЬНУЮ НЕРВНУЮ СИСТЕМУ ЖИВОГО ОРГАНИЗМА
METHOD FOR TARGETED DRUG DELIVERY INTO CENTRAL NERVOUS SYSTEM OF LIVING BODY

Изобретение относится к области медицины и ветеринарии, а именно - направленной доставки фармакологических средств в живом организме.
Направленная, адресная доставка фармакологических средств, лекарств в живом организме приобретает в последние годы все большую актуальность. Действительно, адресная доставка лекарственных средств непосредственно к больному органу или ткани обеспечивает высокую концентрацию веществ непосредственно в заданной области. При этом также существенно снижается вредное влияние лекарств на другие органы и ткани.
Особое значение адресная доставка имеет при необходимости фармакологического воздействия на центральную нервную систему (ЦНС). Это связано, во-первых, с особенностью ЦНС, защищенной гемато-энцефалическим барьером (ГЭБ), который затрудняет проникновение в ЦНС многих молекул из кровеносной системы. Последнее приводит к тому, что для достижения лечебного эффекта требуются повышенные концентрации препаратов, которые, как правило, обладают сильным негативным воздействием на другие органы и ткани. Поэтому способ адресной доставки является более предпочтительным вариантом воздействия, чем традиционные способы введения лекарственных веществ (внутривенно, внутримышечно, перорально).
Существуют разработанные методы введения фармакологических средств в ЦНС живых организмов. Обычно используют подачу растворов через тонкий капилляр (канюлю) с помощью микрошприца [Yin D., Forsayeth J., Bankiewicz K.S. Optimized cannula design and placement for convection-enhanced delivery in rat striatum. J Neurosci Methods. 2010 Mar 15; 187(1): 46-51]. Однако в этом случае нельзя исключить возможности достаточно быстрого распространения молекул вещества по большому объему нервной ткани, что не обеспечивает локализацию фармакологического средства в заданной области.
Известен способ введения фармакологических средств в мозг живых организмов, описанный в патенте США №6497699. Способ состоит в хирургическом доступе к участку коры мозга пациента, выбранному для локального введения фармакологического средства, и установке в нем тонкого капилляра (канюли), соединенного трубкой с внешним источником вещества - резервуара фармакологического средства, установленного подкожно или на внешней поверхности кожи пациента. Подача фармакологического средства из резервуара в мозг осуществляется при возникновении потребности введения средства.
Наряду с достоинствами описанного метода (относительная локальность и адресность доставки) данный способ не исключает диффузию молекул фармакологического средства далеко за пределы выбранной области и требует значительного по объему хирургического вмешательства (в том числе и для установки резервуара), что ограничивает использование такого приспособления на человеке. Недостатками описанной системы введения лекарств являются сложность конструкции устройств, а также травматизм вследствие постоянного присутствия крупных инородных предметов в теле пациента.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для трансмембранного введения лекарственных препаратов в ткань головного мозга, описанного в патенте РФ на полезную модель №47645. Устройство включает в себя полупроницаемую мембрану, которая выполнена в виде капсулы округлой формы с отверстием, в которое введены и герметично фиксированы два поливинилхлоридных катетера, концевые части которых имеют внутреннюю и наружную резьбы для возможности создания закрытого контура.
Недостатком известного устройства является то, что оно занимает довольно большой объем, требует соединения с внешним источником лекарства. Катетеры занимают дополнительный объем в мозге, так или иначе воздействуя на него (сдавливание). При работе устройства лекарство должно подаваться под давлением (для фильтрации лекарства через мембрану), что является опасным фактором в случае разрушения мембраны. Кроме того, после применения устройство должно быть извлечено из головного мозга.
Задачей предлагаемого нами изобретения является упрощение адресной доставки фармакологического средства в заданную область ЦНС.
Поставленная задача в предлагаемом техническом решении достигается хирургическим доступом к месту центральной нервной системы, выбранному для локального введения фармакологического средства, и установку в нем источника фармакологического средства, которым является блок углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод с содержанием алмаза 50-95 мас.% и пористостью 40-75% об., поры которого заполнены фармакологическим средством.
Использование заданных параметров обусловлено тем, что композиционный материал с содержанием наноалмаза более 95 мас.% имеет низкую прочность. При содержании наноалмаза менее 50 мас.% композит имеет низкую емкость при заполнении его фармакологическим средством из-за низкой удельной поверхности, которая определяет адсорбцию и удержание фармакологического средства внутри пор материала. Содержание пор в композите более 75% значительно снижает прочность основы, что недопустимо, а применение композита с пористостью менее 40% значительно снижает объем содержащегося в нем фармакологического средства.
Для адресной доставки фармакологического средства в ЦНС живого организма предпочтительно использовать блок углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, который имеет отношение объема блока к площади его внешней поверхности 10-1000 мкм. В этом случае блок содержит достаточное количество вещества (определяемое объемом блока), обеспечивая в то же время его медленное выделение (определяемое площадью поверхности блока).
При реализации способа предпочтительно, чтобы блок углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, поры которого заполнены фармакологическим средством, вводился в глубину нервной ткани мозга. В этом случае достигается доставка фармакологического средства, необходимого для воздействия на глубинные структуры ЦНС.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
Адресную доставку в ЦНС живого организма осуществляют путем хирургического доступа к месту центральной нервной системы, выбранному для локального введения фармакологического средства, и последующую установку в нем источника фармакологического средства. Источником фармакологического средства является пористый блок углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный, поры которого заполнены фармакологическим средством.
Хирургический доступ осуществляется путем трепанации или пункции. Далее осуществляется внедрение на заданную глубину нервной ткани блока, содержащего фармакологического средства.
Источником адресной доставки фармакологических средств в ЦНС является блок из углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, в котором наночастицы алмаза связаны в единый композит углеродной графитоподобной связкой. Использование наноалмазов, размер частиц которых составляет 4-6 нм, позволяет сформировать в материале блока необходимую по размеру пористую структуру. Графитоподобная связка материала связывает отдельные частицы наноалмаза, сохраняя при этом высокую пористость блока (40-75% объема) с малым размером пор (3-100 нм). В порах блока размещается фармакологическое средство. Важным обстоятельством является то, что блок имеет именно углеродную основу и обладает отличной биосовместимостью с живыми тканями.
Для обеспечения эффективности удержания фармакологических средств в блоке его поры должны обладать высокой удельной поверхностью, которая задается мелкими частицами наноалмаза. Поэтому содержание наноалмаза в композите должно составлять 50-95 мас.%.
Для адресной доставки фармакологического средства в ЦНС живого организма предпочтительно использовать блок углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, который имеет отношение объема блока к площади его внешней поверхности 10-1000 мкм. Это определяет, с одной стороны, количество хранящегося в блоке фармакологического средства и, с другой стороны, скорость его выделения. В соответствии с теорией массообмена скорость выделения пропорциональна площади поверхности блока. С учетом требований локальности действия фармакологических средств на ЦНС и выполненных экспериментов, авторами было установлено, что предпочтительным является отношение объема блока к площади его внешней поверхности в пределах 10-1000 мкм. В этом случае блок содержит достаточное количество вещества (определяемое объемом блока), обеспечивая в то же время его медленное выделение (определяемое площадью поверхности блока).
Заполнение блока из углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод фармакологическими препаратами может быть осуществлено различными способами. Предпочтительной является пропитка блока раствором фармакологического средства и/или адсорбция последнего путем длительного выдерживания блока в растворе. Как было установлено экспериментально, в данном случае происходит повышение концентрации фармакологического средства в порах блока за счет воздействия на молекулы силового поля нанопор.
При помещении блока композита, насыщенного фармакологическим средством, в ЦНС живого организма происходит медленное выделение фармакологического средства из блока. Низкая скорость выделения фармакологического средства определяется малым размером пор в блоке, что существенно тормозит массообмен между объемом блока и внешней средой. Таким образом, обеспечивается продленное выделение фармакологического средства.
Примеры реализации предлагаемого решения.
Пример 1
В примере использован блок из углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, который имел форму, близкую к сферической, размер блока от 120 до 200 мкм и содержал 65 мас.% наноалмаза, пористость блока 57% об. Соотношение объема блока к площади его внешней поверхности составляло 35 мкм. Поры блока наполнялись эпилептогеном 4-аминопиридином путем выдержки в 0,25 мМ растворе в течение не менее 24 часов.
Блок с фармакологическим средством помещали в область S1 коры головного мозга крысы следующим образом. На обездвиженных взрослых белых крысах в условиях острых опытов под операционным наркозом и с применением местного обезболивания производили кожный разрез, удаляли мышечные ткани, после краниотомии вскрывали твердую мозговую оболочку. Образовавшееся трепанационное отверстие позволяло производить введение микроэлектродов для регистрации нейронной активности мозга с целью детекции развивающихся спайк-волновых эпилептических разрядов в неокортексе крысы. Эпилептические пароксизмы провоцировались путем внесения в корковую ткань на глубину от 500 до 1000 мкм 2-4 блоков наноалмазного композита, пропитанного 4-аминопиридином.
Наблюдения показали, что через 10-20 минут после помещения в толщу корковой ткани мозга крысы блоков с веществом, провоцирующим эпилептическую активность, регистрировалось формирование приступов высокоамплитудных эпилептиформных разрядов типа спайк-волна с внутренней частотой в эпизодах 7-8 Гц, что указывает на выделение активного вещества из блоков наноалмазного композита. Тем самым обеспечивалась локальность воздействия, поскольку генерализованных тоническо-клонических судорог, охватывающих мышцы конечностей и туловища, не наблюдалось. Разряды типа спайк-волна, характеризующие развитие эпилептической активности коры, наблюдались регулярно через каждые 4-5 минут. Характер наблюдаемого эффекта был аналогичен последствиям микроинъекции 25 мМ раствора 4-аминопиридина объемом 0,5-1 мкл, однако длительность периодически возникающих разрядов типа спайк-волна подтверждает, что примененный способ доставки эпилептогена обеспечивает градуальное и продленное введение вещества в мозг.
Пример 2
Пример выполнения аналогичен примеру 1.
Отличие состоит в применении блока из композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, наполненного эпилептогеном 4-аминопиридином, в хронических экспериментах на бодрствующих, ненаркотизированных животных в свободном поведении.
В этом случае за несколько дней до экспериментов в стерильных условиях выполнялись аналогичные примеру 1 операционные процедуры, обеспечивающие хирургический доступ к выбранному месту коры мозга крысы, а именно в область S1. Вживляли от 4 до 8 электродов для постоянного мониторинга нейрональной активности в условиях свободного поведения в течение нескольких последующих недель. Через 3-4 дня после операции проводили внедрение в ткань коры мозга блоков с веществом, провоцирующим спайк-волновые разряды (25 мМ или 250 мМ 4-аминопиридин). Диффузия вещества из внесенных в ткань ЦНС блоков углеродного композиционного материала наноалмаз-графитоподобный углерод, как и в примере 1, приводила к провокации эпилептиформной активности в коре.
Таким образом, применение способа, предложенного в данном техническом решении, обеспечивает высокую точность адресной доставки фармакологических средств в головной мозг, способ доставки реализуется относительно просто, не требует использования сложных технических устройств, а материал наноалмаз-графитоподобный углерод является биосовместимым, что открывает широкое поле для применения данного технического решения.