CC BY
142
REVIEWS
yflK 541.64: 57.013: 612.349: 615.012 doi: 10.15407/biotech8.01.009
HAHOMATEPIAOT y AIArHOCTH^ H TEPAm'l
ЦУКPOВOГO AIABETy
M. B. TOXKAVOB, K. I. EOГУЦbKA, O. M. CAB^K, to. I. ПРMHУЦbKMM
KHIBCBKHH HaD;ioHa.bHHH yHiBepcHTeT iMeHi Tapaca ffleB^eHKa, yKpaiHa
E-mail: prylut@ukr.net
OTpHMaHO 30.12.2014
B or.Hgi np0aHa.i30BaH0 npoö.eMy po3BHTRy eyqaeHHX öioTexHo.orin g.H ^.ecnpHMoBaHoro 3acTo-cyBaHHH QioeyMicHHX hh3bkotokchhhhx oö'eKTiB HaHoMeTpoBoro po3Mipy B .iKyBaHHi Hannomapemmax 3axBoproBaHb, y ToMy HHc.i цукpoвoгo giaöeTy. npanycKaroTb, m;o 3a gonoMororo HaHoTexHo.oriH HaH-ÖJH^qHM nacoM 6yge BHpimeHo npoö.eMy paHHboi giaraocTHKH ^oro 3axBoproBaHHH Ta po3po6.eHo HoBi e^eKTHBHi MeToga Horo ce.eKTHBHoi Tepanii.
y3ara.tHeHo TaKom cy^acm gaHi .iTepaTypa m;ogo HoBiTHix QioTexHo.orwHHX 3aco6iB Tepanii ^KpoBoro giaöeTy, 3oKpeMa giro 3a yMoB in vivo h in vitro QiocyMicHHX KoMn.eKciB Ha ocHoBi HociiB pi3-Hoi npapoga (r.iKono.iMepHHX, .inigHHX to^o) Ta QaraTomapoBHX cTpyKTyp 3 HaHonacTHHKaMH hk noTeH^HHHX TpaHcnopTepiB iHcy.iHy, a TaKom BHKopacTaHHH öioceHcopiB i MarHiTHHX 3oHgiB Ha ocHoBi HaHonacTHHoK (Byr.e^BHX HaHoTpyöoK i oKcagy 3a.i3a) g.H geTeKTyBaHHH r.roKo3H Ta Bi3ya.i3a^i 6eTa-K.iTHH oeтpiвцiв ^aHfepfaHca, HKi npogyKyroTb iHcy.iH.
Kurnwei CRoea: цyкpoвнн giaöeT, HaHoMaTepiana.
Цyкpoвнн giaöeT (^fl; .aT. diabetes mellitus) Hapa3i 3a.amaeTbcH cepHo3Horo Me-gaKo-co^a.bHoro npoö.eMoro. 3a BH3Ha^eH-HHM B003, BiH HaöyB cTaTycy HeiH^eK^HHoi enigeMii XXI ct. TaK, KomHi 10-15 poKiB Ki.bKicTb .rogeH, XBopHX Ha ^fl, nogBoroeTb-ch. 3a o^i^HHoro cTaTacTHKoro, B YKpaiHi Ha cborogHi 3apeecTpoBaHo noHag 1 m.h. XBopHX. CTaTHcTHKy ^oro 3axBoproBaHHH Ha 2013 piK i nporHo3 m;ogo Horo nporpecii y cBiTi Ha 2035 piK nogaHo B Taö.. 1 (gaHi MimHapogHoi ^egepa^i giaöeTy — IDF). Hk Ban.HBae 3 Ha-BegeHHX gaHHX, Ki.bKicTb XBopHX Ha ЦIЦ Big-pi3HaeTbca 3a perioHaMH npomaBaHHH .rogeH, cniBBigHomeHHHM Mim BiKoBHMH rpynaMH (HanpHK.ag, GBpona Mae Haööi.bmy nomape-HicTb ЦIЦ cepeg giTeH) Ta BHTpaTaMH Ha .iKy-BaHHH ^fl.
3a gaHHMH B003, ЦIЦ nigBH^ye 3ara.bHy cMepTHicTb y 2-3 pa3H nopiBHHHo 3 nony.H^-ero 6e3 giaöeTy i cKopo^ye TpaBanicTb maTTA Ha 10-30%. OcHoBHoro npa^HHoro iHBa.iga3a-
Ta cMepTi XBopHX Ha ^fl e cep^Bo-cygaH-Hi ycK.agHeHHa: iH^apKT MioKapga, iHcy.bT, cepцeвa HegocTaTHicTb. Po3bhtok ycK.agHeHb 3a giaöeTy geTepMiHoBaHHH 3Öi.bmeHHHM aTe-pocK.epo3y KopoHapHHX cygaH i Be.HKHX ap-
TepiH. OKpiM ^oro, cepцeвa HegocTaTHicTb y XBopHX Ha ^fl Mome BHHHKaTH 3a BigcyT-HocTi 3MiH y KopoHapHHX apTepiHX y pa3i no-pymeHHA cTpyKTypa Ta ^yHK^fi MioKapga — giaöeTH^Hiö KapgioMionaTii [1]. Ochobhhmh naToreHeTH^HHMH ^aKTopaMH po3BHTKy cep-цeвo-cygннннх 3axBoproBaHb 3a ^fl cborogHi BBamaroTb rinepr.iKeMiro Ta iHcy.iHope3ac-TeHTHicTb [2].
rinepr.iKeMia 3a Цfl cnpaae nigBH^eHHro npogyKTiB HeeH3HMaTH^Horo r.iKo3yBaHHA, AKi, y cBoro ^epry, noca.roroTb HarpoMagmeH-hh Bi.bHHX pagaKa.iB i nopymyroTb $yнкцiro eHgoTe.iro Ta кapgioмioцнтiв. Pe3acTeHTHicTb go iHcy.iHy Ta KoMneHcaTopHa rinepiHcy.iHe-MiH Bn.HBaroTb Ha ocHoBHi KoMnoHeHTH cygaH i cepцн. OKpiM Bn.HBy Ha Byr.eBogHHH oÖMiH, iHcy.iHope3acTeHTHicTb nopymye MeTaöo.i3M .inigiB KpoBi: nigBH^ye noKa3HHKH Tpar.i-цepнgiв, .inonpoTeigiB HH3bKoi ^i.bHocTi Ta 3Hamye .inonpoTeiga bhcoko'1 ^i.bHocTi, cnpaHe po3BHTKoBi omapiHHH. npanycKaroTb icHyBaHHH 3B'H3Ky iHcy.iHope3acTeHTHocTi 3 apTepia.bHoro rinepTeH3iero.
Цfl cynpoBogmyeTbcH nopymeHHHMH Byr-.eBogHoro, .inigHoro i npoTeiHoBoro oÖMi-Hy, ^o npH3BogHTb go naTo.ori^HHX 3MiH
Таблиця 1. Оцшка захворюваност на ЦД у рiзних регшнах земно'1 кул1
(данi Мiжнародноï федерацп дiабету — IDF)
IDF Population 2013 Number of people with diabetes Comparative diabetes prevalence Population 2035 Number of people with diabetes Comparative diabetes prevalence Increase in the number of people with diabetes
REGION MILLIONS MILLIONS % MILLIONS MILLIONS % %
AFR 407.9 19.8 5.7 775.5 41.5 6.0 109.6
EUR 658.7 56.3 6.8 668.7 68.9 7.1 22.4
MENA 374.5 34.6 10.9 583.7 67.9 11.3 96.2
NAC 334.9 36.8 9.6 404.5 50.4 9.9 37.3
5ACA 300,5 24,1 8.2 394.2 38.5 8.2 59.8
SEA 883.2 72.1 8.7 1,216.9 123.0 9.4 70.6
WP 1,613.2 138.2 8.1 1,818.2 201.8 8.4 46.0
World 4.572.9 381.8 8.3 5,861.8 591.9 8.8 55.0
у функщонуванш рiзних оргашв i систем. Велику увагу дослщнишв привертають бю-xiMi4Hi та мoлекуляpнi мехaнiзми, що лежать в ocHOBi розвитку ще'1 патологи [3, 4]. Сучacнi дослщження cпpямoвaнi на ранне виявлення ЦД та пiдбip його адекватно'' моно- i комплексно'' теpaпii.
Захворювання людини на ЦД зумовлено тим, що в ii opгaнiзмi в недостатнш шлько-cтi виробляеться iнcулiн або оргашзм не зда-тен засвоювати його належним чином [3-5]. 1нсулш (лат. insula — ocтpiвець) — гормон, який продукують бетa-клiтини ос^вщв ЛаШер^анса пiдшлункoвoi залози. Вiн впли-вае на цитоплазматичну мембрану, зб^ь-шуючи поглинання i використання глюко-зи, наприклад жировою тканиною, разом з1 збiльшенням зaпaciв жиру. Шнцевий ефект його дii зводиться до зниження вм^ту глю-кози у кровь У людини iз захворюванням на ЦД глюкоза залишаеться циркулювати у кpoвi i впродовж певного часу ушкоджуе тканини. Отже, регулящя piвня глюкози у кpoвi е важливою складовою теpaпii ЦД.
Дiя iнcулiну залежить вiд pецептopiв на поверхш клiтин-мiшеней, якi його зв'язу-ють, а чутливicть тканин до шсулшу — вiд кiлькocтi таких pецептopiв [6].
Рoзpiзняють три основш типи ЦД: 1-й i 2-й типи та гестацшний дiaбет (ГД; лат. gestational diabetes mellitus) [7, 8].
ЦД 1-го типу виникае внаслщок авто-iмуннoi pеaкцii, коли власна iмуннa система вражае бета-кл^ини ocтpiвцiв ЛаШер^анса. Як нacлiдoк, вони стають неспроможними виробляти необхщний шсулш, що призво-дить до його дефщиту в opгaнiзмi, хоча чут-
лив1сть до 1нсул1ну залишаеться нормальною. Захворювання може вражати людей будь-якого вшу, однак зазвичай виявляеть-ся у д1тей 1 тдл1тк1в (ЦД 1-го типу також на-зивають «юнацьким» д1абетом). Хвор1 з щею формою ЦД потребують регулярних ш'екцш 1нсул1ну для п1дтримання р1вня глюкози в кров1.
Р1вень ендогенного шсулшу в кров1 коли-ваеться упродовж дня, максимально зб1ль-шуючись п1сля приймання 1ж1. Потрапля-ючи у кров, вш у подальшому 1нактивуеться печ1нкою, близько 10% виводиться 1з сечею (час нап1врозпаду становить ~10 хв). Це ство-рюе певш складнощ1 за недостатньо'1 секре-цИ 1нсул1ну, тому необх1дними е препарати пролонговано'1 д11.
ЦД 2-го типу — найб1льш поширений тип д1абету, за якого в оргашзм1 продуку-еться 1нсул1н, однак к1льк1сть його може бути недостатньою або оргашзм не здатен його сприймати (шсулшорезистентшсть мае м1сце у м'язах, печшщ, жиров1й тканин1), що призводить до зростання р1вня глюкози у кров1 [9, 10].
Потенц1йно важливими мехашзмами, як1 можуть бути пов'язаш з ЦД 2-го типу та резистентшстю до 1нсул1ну, е: шдвищений р1вень розпаду л1п1д1в у жирових кл1тинах, резистентн1сть до 1нкретину та його нестача, високий р1вень глюкагону в кров1, шдвище-ний р1вень утримання сол1 та води нирками, неналежне регулювання метабол1зму ЦНС тощо [11-13].
Ж1нки, як1 упродовж ваг1тност1 набули резистентност1 до 1нсул1ну за подальшого високого р1вня глюкози у кров1, хвор1ють
на ГД. Цей стан з'являеться внаслщок бло-кування дii шсулшу, ймовiрно гормонами плаценти. Як правило, жшки, якi перенесли ГД, мають бiльший ризик набути ЦД 2-го типу.
Наразi проводять численш бютехно-логiчнi дослiдження з метою розроблення нових, бГльш ефективних дiагностичних i терапевтичних методiв для подолання за-хворювання на ЦД [14-16]. Особливу роль у цих дослщженнях ввдграють нанобю-технологii — застосування бюдоступних i нетоксичних наноструктур, як харак-теризуються специфiчною бiоактивнiстю (наприклад, С60-фулерен та його йдратова-н кластери як потужнi антиоксиданти [17, 18]), або здатн виступати нойями лiкiв (наприклад, iнгiбiтори альдозоредуктази, що виявляють ефективну дiю у запобь ганнi захворюванням ока i нервiв у людей iз ЦД [19]) для 'х таргентного доставлен-ня у клГтини, органи i тканини оргашзму. Використання багатьох iнших наноструктур [20] передбачае удосконалення методiв введення iнсулiну та його цГлеспрямовану дiю на острiвцi Лан^ер^анса тдшлунково'1 залози. Нижче проаналiзовано конкретш приклади результайв дослiджень у цьому напрямь
Новтт бютехнологЬчт засоби у дЬа-гностищ й терапи ЦД. Для транспортування i контрольованого вивГльнення шсулшу було використано бюсумГсш полЦепсилон-капролактон) наночастинки, одержат методом подвшно' емульсп (дзета-потенцiал становив -29 мВ; максимальний розмiр — 796 ± 10,5 нм) [21].Iнсулiнвмiснi наночастинки не виявляли токсично'' дп щодо культури клiтин МШ6 (лiнiя бета-клГтин тдшлунко-во' залози) i гепатоцитав. Уведенi пiдшкiрно та iнтраперитонеально, вони зменшували глiкемiю базальних рiвнiв через 15 хв i виявляли стшкий гiпоглiкемiчний ефект у щурiв iз ЦД 1-го типу, демонструючи кращий тера-певтичний ефект, ашж неiнкапсульований iнсулiн.
Наразi розробляють наночастинки, як1 автоматично вивiльнюють iнсулiн у кров, коли рiвень глюкози стае занадто високим [19]. Показано, що така дiя наночастинок у мишей може тривати упродовж 10 дшв [22, 23]. Щ наночастинки мають тверде ядро з шсулшу, оточене шаром матерiалу на осно-вi модифiкованоi глюкози — декстрану — та ензиму глюкозооксидази. За високого рiвня глюкози декстран розщеплюеться, унасль док чого вивiльнюеться iнсулiн, що призво-дить до контрольованого тдтримання рiвня
глюкози. Наночастинки можуть вiдрiзнятися за типом бiосумiсного покриття, наприклад хГтозан або альгiнат, що, вщповщно, робить 'х позитивно або негативно зарядженими.
Загалом, в основу класифшацп наночастинок для терапп дiабету може бути покла-дено природу нойя, наприклад: полiмернi (включаючи мщели i дендримери); лiпiднi (лiпосоми; лшщш нанокапсули, хГломь кронподiбнi емульсп та рекомбшантш лшо-проте'ди низько' ш^льноста); органометалев1 (нанотрубки) тощо. Наноносп лшарських препаратiв мають володГти такими власти-востями, як бiодеградацiя (бути стабГльни-ми г зберiгати хГмГчну структуру упродовж певного часу Г, водночас, здатними до дегра-дацп), бюсумГсшсть, чутливГсть до змГни рН або температури [24]. ОкрГм того, 'м мають бути притаманнГ пролонгована циркулящя у кровГ та накопичення в дГлянках патоло-гГчного процесу. Як системи доставлення лшГв на сьогодш активно використовують полГсахариди. 1хш переваги полягають у ви-сокГй бюсумГсноста, здатностГ до деградацп в оргашзмГ Г подальшого виведення, подГбно-стГ до позаклГтинного матриксу. Основними природними полГмерами у системах транспорту лшГв е колаген, желатин, фГбрин, хь тозан, альгГнат тощо [25].
Розробляють також комплекси на осно-вГ синтетичних спецГально сконструйованих поверхнево-активних полГмерних носпв, як1 можуть ГммобШзувати лГкарськГ сполуки та забезпечувати 'х цГльове доставлення. Вони мГстять фрагменти, наприклад полГетилен-глГколю та шших субстанцГй, що полегшуе 'м подолання клГтинно' лшщно' мембрани [26].
Наночастинки з пол1( молочног-коглЬ-колевог кислоти) (ПМГК), вкритГ хГтоза-ном, якГ мГстять гГдрофобно-модифГкований пальмГтиновою кислотою ексендин-4 (Пал-Екс-4), було синтезовано Г детально охарактеризовано в робота [27] (рис. 1). Одержат результата засвщчили, що вкритГ хГтозаном сферичш ПМГК наночастинки (дзета-по-тенцГал становив +28,5 мВ; максимальний дГаметр ~700 нм) Гнкорпоруються еттель альними клГтинами легень людини (А549) набагато краще, анГж невкритГ. ВивГльнення Пал-Екс-4 тривало близько 1,5 доби. Вкрит хГтозаном ПМГК наночастинки акумулюва-лись у легенях упродовж 72 год тсля пуль-монального введення щурам Гз ЦД 2-го типу, тимчасом як невкритГ — лише 8 год. Автори переконаш, що хГтозан-Пал-Екс-4 ПМГК- наночастинки можна розглядати як шгаляцш-ну систему довготривало' дп для лГкування ЦД 2-го типу.
Рис. 1. Зображення наночастинок, одержаних за допомогою сканувально'1 електронно'1 мжроскопп:
А — невкритi хГтозаном ПМГК наночастинки; В — укрит xiT03aH0M ПМГК наночастинки [27]
У дослщженш [28] оц1нювали можли-в1сть використання бичачого 1нсул1ну та ек-сендину-4 (пептидний агон1ст глюкагон-по-д1бного рецептора, який сприяе секрецп шсулшу) в комб1нован1й терапГ' шляхом орального доставлення наночастинками, що складалися з х1тозану i полГ(гамма-глюта-мшово'' кислоти) (ХЗ/уПГК), для контролю рiвня глюкози у кровi щурiв i3 ЦД 2-го типу. Результати експерименту виявили, що ХЗ/уПГК наночастинки тдвищують па-рацелюлярну кишкову проникнiсть i, отже, екзогенний бичачий iнсулiн та ексендин-4 можуть бути транспортованi до печшки i пiдшлунковоi залози, де вони здатш виявля-ти глюкорегуляторш властивостi. У вiдповiдь на стимулящю екзогенних доставленого бичачого шсулшу та секретованого шсулшу щура, стимульованого засвоеним ексендином-4, спостерiгали значну утилiзацiю глюкози у серцевому i скелетних м'язах, унаслщок чого вiдбувалося зниження рiвня цукру в кровi. Завдяки синерпчному ефекту гiпоглiкемiчна дiя вщ орального надходження наночастинок з бичачим шсулшом та ексендином-4 була значно ефектившшою, анiж у групi, яку лшу-вали лише iнсулiновими наночастинками.
Серед можливих титв транспортування лшГв перспективним е ''х назальне застосу-вання. Саме цей шлях дае змогу препара-товi уникнути деградацii у шлунково-киш-ковому трактi та метаболiзму ензимами печшки. Для подовження часу перебування препаратав i полiпшення ''х абсорбцп було виготовлено бiосумiсний амфiфiльний гль кополiмер полi(2-лактобiонамiдоетил мет-акрилат-3 -акриламщофешлборово'' кислоти). Iнсулiн iнкапсулювали всередину цих наночастинок (об'ем ~12%). Дослщження in vitro показали, що вивГльнення iнсулiну може бути контрольованим завдяки модифь
кацii композицГ' глiкополiмерiв. Важливим результатом було зниження рГвня глюкози тсля назального введення наночастинок дь абетичним щурам [29].
Багатошаровi наночастинки формують-ся шляхом нашаровування — layer-by-layer (LbL-технолопя). При цьому в полiмерних мережах спостерiгаються рГзнГ типи взае-модГй (електростатичнi, водневi, ковалент-нГ тощо). Користь LbL-технологп полягае в тому, що вона уможливлюе створення систе-ми доставлення складних бюмолекул, таких як протеши i нукле'новГ кислоти, з обмеже-ною розчиннГстю у неводних розчинах.
1нкретини, зокрема глюкагоноподГбний пептид-1, полГпшують функщю бета-кль тин, посилюють глюкозозалежну секрещю ГнсулГну, пригнГчують пГдвищену секрецГю глюкагону й уповГльнюють спорожнення шлунка тсля надходження ''х у загальний кровообГг зГ шлунково-кишкового тракту. Ексенатид — потужний мГметик Гнкретину, який зумовлюе посилення глюкозозалежно' секрецп ГнсулГну та стимулюе шшГ гшогль кемГчнГ ефекти, властивГ Гнкретинам, що дае змогу вдосконалити контроль рГвня глюкози у пащентав Гз ЦД 2-го типу.
У дослщженш [30] запропоновано метод доставлення ексенатиду з використанням наночастинок зГ структурою ядро/панцир (покриття) (рис. 2). ВзаемодГю мГж лшГдни-ми бГшарами i Pluronic* F-68 було викори-стано для формування рГзних наноструктур. Pluronic* F-68 — синтетичний полГмер Гз ряду плюрошшв (полоксамерГв), використо-вуваних у культурах клГтин як стабШза-тори клГтинних мембран для захисту ''х вГд розриву. ДослГджуючи морфологГю таких наночастинок, застосовували методи про-свГчувально'' електронно'' мшроскопп та ди-намГчного розсГювання свГтла (рис. 3). Мак-симальний дГаметр наночастинок у розчиш (1 мг/мл наночастинок, диспергованих у фосфатно-сольовому буферному розчинГ — PBS, pH 7,4) становив 623,8 нм.
Фармакокшетичш параметри та антидГа-бетичний ефект дослГджували залежно вГд структури наночастинок у дослГдах in vitro та in vivo. ШддослГдш тварини одержували ш'екцп пГдшкГрно з вГльним ексенатидом у дозах 10 нмоль/кг i наночастинками — 10 нмоль/кг. Результати терапп наведено у табл. 2 i на рис. 4. Виходячи Гз цих даних, можна припустити, що багатошаровГ наночастинки е потенцшними транспортерами проте'нових лГкГв, мають здатшсть до ''х вивГльнення i, як наслГдок, виступають регуляторами рГвня глюкози у кровь
Рис. 2. Формування ексенатидвм^них багатошарових наночастинок [30]
Рис. 3. Зображення везикульованих наночастинок, одержане методом просвiчувальноi електронно'1 мжроскопп [30]
Метою дослщження [31] було створення наноносiя нового класу з мукоадгезieю (при-липання до слизових оболонок муколГтично! природи) га шпбуванням ензимiв для трансназального досгавлення шсулшу. Вивчено взаемодГю наночастинок i3 клiгинами Caco-2 (монокультура клГтин аденокарциноми тов-стого кишечника, яку використовують для оцiнювання проникност лiкарських речовин in vitro) i назального епiгелiю. Наночастинки сферично'! форми (до 100 нм у дiаметрi) вияв-ляли значне iнгiбування активноста ензимiв та високий рiвень муциново'! абсорбцiйноi здагносгi. Для iнсулiнвмiсних наночастинок спостерГгали швидке вивiльнення шсуль ну (до 3 мг/мл глюкози), що спричинювало зменшення рiвня глюкози у плазмi кровi.
З метою орального доставлення шсуль ну з полшшеним гiпоглiкемiчним ефектом використовували полi(лакгид-ко-глiколiд)/ НР55-наночастинки, середнiй розмiр яких досягав 181,9 ± 19,0 нм (рис. 5) [32]. 1нсулш-вмiснi наночастинки було виготовлено шляхом випаровування розчинника з багато-фазно'! емульсГ!. Ефектившсть iнкапсуляцii iнсулiну досягала близько 94%. Вивчення його вивГльнення проводили у pH-залеж-ному режимi за умов стимуляцп шлунко-во-кишкового тракту. За орального введення (50 IU/кг) дiабетичним щурам наночастинки швидко знижували рiвень глюкози у кро-вГ з максимальною ефекгивнiсгю мГж 1-ю i 8-ю год експерименту. Вщносна бюдоступ-
А
D
Е <
TJ
7.
а>
ОС
о
о 0.
20 40
60 30 100 Time (hours)
120 140
Рис. 4. Ефекти: вившьнення ексенатиду (А) та вплив ексенатидвм^них наночастинок
на рiвень глюкози у кровi (Б) [30]
Таблиця 2. Ефекти вшьного ексенатиду та ексенатидвм^них наночастинок [30]
К)ГП" . 1.1 Г Kill (»В») T™,(h) Cm,, (ng/mL) AUC (ng'h/mU MRT(h)
f-JCC CXC.Lltkll' Tcmpldl p Nl's The mukilayei N14 0.49 ±019 0.51 ± 0.06 0.84 — 007 05*0.25 05 075 ± 0.29 49.49 ± 5.07 58.74 ± 3.54 55.33 ± 6.40 78.14+ 557 9885*2115 110,17 ± 21,91 1.22 * 009 1 30 ±018 1,57 ± 0.15
Dat a a re means ± SDs:*?;. rclimir-.1t|{'[] h,i IM lie: 7ML MRT, тсдп residence time. rime ro reach maximum plasma concentration;. ь maximum plasma concen{ration; AUC area under the curve:
Рис. 5. Морфолопя шсулшвм^них полДлактид-коглжолщ)/НР55 наночастинок [32]
н1сть пор1вняно з п1дшк1рною 1н'екц1ею (5 МЕ/кг) у д1абетичних щур1в становила 11,30 ± 1,05%. Цей ефект можна пояснити швидким викидом 1нсул1ну у верхньому в1д-д1л1 кишечника, де вш краще адсорбуеться завдяки високому град1енту концентрацп, ан1ж в шших д1лянках.
В1домо, що н1котинам1д (НА), як фар-маколог1чний агент, стимулюе бета-кл1ти-ни пщшлунково'! залози до продукування шсулшу [33]. У свою чергу вуглецев1 на-нотрубки (ВНТ) здатш до ш1щацп та тд-тримання кл1тинних метабол1чних в1д-повщей [34, 35]. Так, продемонстровано, що введення багатошарових ВНТ (БВНТ), функщонал1зованих НА, призводить до зростання продукцп 1нсул1ну пор1вняно з окремим уведенням НА, БВНТ та контрольного розчину (рис. 6). Оброблення пбридно'! бета-кл1тинно'1 лшп 1.4Е7 упродовж 30 хв НА-БВНТ за концентрацп в1д 1 до 20 мг/л сприяло значно б1льшому вив1льненню ш-сул1ну (в1д 0,18 ± 0,026 нг/мл для 1 мг/л до 0,27 ± 0,028 нг/мл для 20 мг/л). Пор1в-няно з кл1тинами, як1 л1кували лише НА (0,1 ± 0,01 нг/мл для 1 мг/л та 0,17 ± 0,01 нг/мл для 20 мг/л), виявлено помггний позитив-ний ефект щодо продукування шсулшу в кл1тинах, до яких уводили НА-БВНТ. Отже, БВНТ, функщонал1зована НА, може бути використана як антид1абетичний агент [36, 37]. На рис. 6 показано 1мунофлуоресцент-не детектування синтезу шсулшу в шсулш-продукуючих кл1тинах за присутност1 НА-БВНТ [37].
Автори роб1т [38, 39] вивчали можливо-ст1 застосування г1дратованого фулерену С60 (С60НуЕи; концентрац1я ~4 мг/мл) для про-ф1лактики 1 лшування ЦД. Д1абет виклика-ли одноразовою штраперитонеальною ш'ек-ц1ею стрептозотоцину (СТЗ) у доз1 45 мг/кг
Рис. 6. 1мунофлуоресцентне детектування синтезу шсулшу в шсулшпродукуючих клiтинах за присутност НА-БВНТ [37]
маси т1ла тварини. П1ддосл1дних щур1в вва-жали хворими на ЦД за показнишв р1вня глюкози в кров1 понад 10 мМ. Розчинений у 0,9% №С1 С60НуЕи вводили в доз1 0,3 мг/кг маси т1ла тварини за тиждень до ш'екцп СТЗ або через тиждень тсля розвитку ста-б1льно'1 гшерглшемп. Як випливае з табл. 3, С60НуЕи (група III) не справляв впливу на рь вень глюкози у кров1 тварин, не усував причини гшерглшемп та не захищав шсулшпро-дукуючих панкреатичних кл1тин, уражених СТЗ (групи IV, V). Водночас, наноструктури гщратованого фулерену С60 зменшували по-казники оксидативного стресу (р1вень ПОЛ, вм1ст карбон1льованих проте'шв) у тканинах головного мозку 1 печшки експеримен-тальних тварин.
Як зазначено вище, за ЦД 1-го типу бе-та-кл1тини руйнуються 1мунною системою, ЦД 2-го типу пов'язують з шсулшорезис-тентн1стю та дисфункц1ею бета-кл1тин 1 тому зменшення 1хньо1 маси е загальною особлив1стю як для ЦД 1-го, так 1 ЦД 2-го титв. Хоча анал1з титр1в автоантийл 1 концентрацп С-пептиду може дати корисну шформащю в лшуванш д1абету, нешвазив-ний метод прямого мошторингу прогресу-вання хвороби шляхом визначення маси бе-та-кл1тин матиме переваги для своечасного реагування 1 надання адекватно'' в1дпов1д1 захворюванню. На сьогодн для в1зуал1за-цп бета-кл1тин у клш1чнш практиц1 вико-ристовують дигщротетрабеназин як ефек-
Таблиця 3. Показники р1вня глюкози у кров1 п1ддосл1дних тварин на початку i напришнщ досл1ду (n = 7) [38]
Treatment Blood Glucose, mM
Onset of Experiment End of Experiment
Group 1 (untreated control) 5.710.31 5,9 ± 0,42
Group II (STZ) 5.8 ± 0,32 14.6 ±2.40 *
Group III (C^HyFn control) 5.6 ± 0.30 5.5 ±0.19
Group IV (C60HyFn prophylactic regime + STZ) 5.3 ± 0.42 13.8 ± 1,70 *
Group V (STZ + C^HyFn therapeutic regime) 6.1 ±0.53 15.1 ±2.21 +
*Р<0.05 VS. intact control (Group I)
тивний МРТ-зонд. Це лише тдтверджуе необхщшсть розроблення зондування, яке забезпечуватиме просту, вщтворювану i безпечну технологiю томографп острiвцiв Лан^ер^анса in vivo.
Нешвазивна оцiнка маси панкреатичних бета-клiтин надасть велику допомогу в кон-тролi ЦД 1-го типу. 1з щею метою на основ1 оксиду залiза було синтезовано ексендин-4 магнiтний нанозонд (MN-Ex10-Cy5.5) для таргентного зв'язування з глюкагонподiб-ним 1-рецептором (ГЛП-1Р), який метиться на поверхнi панкреатичних бета-кл^ин [40]. Пiддослiдних мишей було ш'ектовано внутрiшньовенно зондами MN-Ex10-Cy5.5 i контрольним MN-Cy5.5 (10 мг Fe/кг, n = 6 у кожнш групi). Проведенi дослiдження ви-явили специфiчне накопичення таргентного зонда MN-Ex10-Cy5.5 порiвняно з контрольним MN-Cy5.5.
Завдяки великiй площi поверхнi, високiй електропровiдностi, хiмiчнiй стабiльностi й мехашчнш мiцностi [34] ВНТ активно ви-користовують у нанотехнологiях як чутли-вi елементи (сенсори). 1хня здатшсть брати участь в окисно-вiдновних реакщях робить 1х ефективними молекулярними дротами, що уможливлюе здiйснення електрично1 комушкацп мiж електродом i вiдновленим ензимом. Цей факт може бути використано, наприклад, в амперометричних сенсорах, асоцшованих з такими ензимами, як окси-даза i дегiдрогеназа. У цьому разi безпосе-редне перенесення електрона мiж ФАД ен-зиму i ВНТ-електродом дае змогу уникнути використання медiаторiв i, таким чином, е перспективним для розвитку безреагент-них бiосенсорiв глюкози (рис. 7) [41]. По-рiвняно з класичними сенсорами [42] цей нанобюсенсор мае там переваги, як висока
чутлив1сть i селектившсть, короткий час в1дгуку i довготривала стаб^ьшсть. Попе-реднi результати проведених дослщжень засвiдчили, що його точшсть вимiрювання знижуеться лише до 90% упродовж м^яця використання (понад 100 разiв).
Автори роботи [43] встановили, що бю-сенсори i3 селективною мембраною на осно-вi амiнованих та карбоксильованих БВНТ мають переваги порiвняно з бiосенсорами
Рис. 7. Принцип роботи бшсенсора для детектування глюкози на основi одношарово'1 ВНТ [44]
без використання ВНТ щодо можливост ви-значення глюкози за низького робочого по-тенцiалу та бГльш широкого дiапазону кон-центрацш аналiту.
На рис. 8 подано схему роботи бюсенсора глюкози, яка базуеться на технологiï використання БВНТ [44].
Отже, даш лГтератури щодо бютехноло-гiчних засобiв з наночастинками у !хньому складi для дiагностики i терапп ЦД свщчать про ефективне використання ïx як транспор-тергв шсулшу, його адресного доставлення з метою щлеспрямовано! дп в органгзмг. За-стосування бгосенсоргв i зондгв на основг на-ночастинок розглядають як перспективний напрям для детектування глюкози i вГзуаль зацп бета-клГтин, вГдповГдно.
Рис. 8. Принцип роботи бшсенсора глюкози на ocHOBi фiбрил ВНТ [44]
REFERENCES
1. Kapustynska O. Patients with diabetes mellitus type 2 risk factors of coronary heart disease and diabetic cardiomyopathy. Experim. Clinical Physiol. Biochem. 2014, N 2, P. 106-111. (In Ukrainian).
2. Pankiv B. I. Diabetes: diagnostic criteria, etiology and pathogenesis. Int. J. Endocrinol. 2013, 8 (56), 53-69. (In Ukrainian).
3. Kuzishin O. V., Kovalishin N. V., Almashi-na Kh. V. Biochemistry of diabetes: 1. Theoretical part (review). Bull. of Prikarpat. National Un-t. Chem. Ser. 2010, Is. IX, P. 74-115. (In Ukrainian).
4. Kovalishin N. V., Almashina Kh. V., Kuzishin O. V., Midak L. Ya. Biochemistry of diabetes: 2. Experimental part — 1. Bull. of Prikarpat. National Un-t. Chem. Ser. 2010, Is. X, P. 141-157. (In Ukrainian).
5. Diabetes: diagnostics, treatment, prevention. Eds. I. I. Dedov, M. V. Shestakova. Moskow: Medical news agency. 2011, 808 p. (In Russian).
6. Halenova T. I., Kuznetsova M. Y., Savchuk O. M, Ostapchenko L. I. Isolation and characterization of insulin receptor of plasma membranes of rat liver cells at type 2 diabetes model. Biotechnolo-giaActa. 2014, 7 (3), 81-87. (In Ukrainian).
7. Harsoliya M. S., Patel V. M., Modasiya M., Pathan J. K., Chauhan A., Parihar M., Ali M. Recent advances & applications of nanotechnology in diabetes. Int. J. Pharm. & Biol.Archiv. 2012, 3 (2), 255-261.
8. Asatiani N., Kurashvili R., Popitashvili A., Helashvili M., Shelestova O., Tsutskiridze L. Gestational diabetes mellitus. Diabetes and Heart. 2009, 5 (131), 47-51. (In Russian).
9. Tkachenko V. I., Vydyborets N. V., Bondar O. K. Modern approaches to the treatment of diabetes mellitus type 2 in the family physician's practice. Diabetes and Heart. 2014, 2 (178), 38-42. (In Ukrainian).
10. Tronko M. D., Pasteur I. P. Advances of regenerative medicine in the therapy of type 1 diabetes mellitus. III. Clinical trials in the use of stem cell s for the therapy of main disease. Endokrynologia. 2013, 18 (3), 53-63. (In Ukrainian).
11. Biletskyi S. V., Novytska O. Z,, Petrynych O. A., Kazantseva T. V. The state of carbohydrate and lipid metabolism and glomerular filtration rate in patients with degree II hypertensive disease associated with type II diabetes. Buk. Med. Herald. 2014, 18 (2), 8-10. (In Ukrainian).
12. Pertseva N. O., Turlyun T. S. Clinical and morphological parallels in conditions of impaired platelet-vascular hemostasis in patients with type 2 diabetes. Morfologiia. 2011, 5 (2), 5-18. (In Ukrainian).
13. Stavniichuk R. V., Kuchmerovska T. M. Diabetic neuropathy. Role of a 12/15-lipo-ksi genaza and metabolism of arakhidonovy acid. Endokrynologia. 2014, 2 (19), 156-166. (In Ukrainian)
14. Grytsiuk M. I., Bojchyk T. M., Petryshen O. I. Comparative characteristics of experimental models of diabetes mellitus. World of Medicine and Biology. 2014, 2 (44), 199-203. (In Ukrainian).
15. Sona P. S. Nanoparticulate drug delivery systems for the treatment of diabetes. Digest
J. Nanomater. Biostructur. 2010, 5 (2), 411-418.
16. Globa Ye. V., Zelinska N. B. Using autoantibodies for differential diagnosis of different types of diabetes mellitus. Int. J. Endocrinol. 2014, 2 (58), 121-125. (In Ukrainian).
17. Prylutska S. V., Grynyuk I. I., Matyshev-ska O. P., Prylutskyy Yu. I., Ritter U., Scharff P. Anti-oxidant properties of C60 fullerenes in vitro. Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct. 2008, 16 (5-6), 698-705.
18. Shubina T. E, Sharapa D. I., Schubert Ch, Zahn D, Halik M., Keller P. A., Pyne S. G, Jennepalli S., Guldi D.M., Clark T. Fullerene van der Waals oligomers as electron traps. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (31), 10890-10893.
19. Prior A. M., Thapa M., Hua D. H. Aldose reductase inhibitors and nanodelivery of diabetic therapeutics. Mini Rev. Med. Chem. 2012, 12 (4), 326-336.
20. Mishra M., Kumar H., Singha R. K., Tripa-thi K. Diabetes and nanomaterials. Digest J. Nanomater. Biostruct. 2008, 3 (3), 109-113.
21. De Araujo T. M., Teixeira Z., Barbosa-Sam-paio H. C., Rezende L. F., Boschero A. C., Duran N., Hoehr N. F. Insulin-loaded poly(epsilon-caprolactone) nanoparticles: efficient, sustained and safe insulin delivery system. J. Biomed. Nanotechnol. 2013, 9 (6), 1098-1106.
22. Gu Z., Aimetti A. A., Wang Q., Dang T. T, Zhang Y., Veiseh O., Cheng H., Langer R. S., Anderson D. G. Injectable nano-network for glucose-mediated insulin delivery. ACS Nano. 2013, 7 (5), 4194-4201.
23. Gu Z., Dang T. T., Ma M., Tang B. C., Cheng H, Jiang S., Dong Y., Zhang Y., Anderson D. G. Glucose-responsive microgels integrated with enzyme nanocapsules for closed-loop insulin delivery. ACS Nano. 2013, 7 (8), 6758-6766.
24. Zdvizhkov Y., Bura M. Particular qualities of application of polyethylene glycol-based polymeric carrier for drug delivery to the coal target. Visnyk of the Lviv University. Series Biology. 2014, Is. 64, P. 3-20. (In Ukrainian).
25. Wong T. W. Chitosan and its use in design of insulin delivery system. Recent Pat. Drug. Deliv. Formul. 2009, 3 (1), 8-25.
26. Minimol P. F., Paul W., Sharma C. P. PEGylated starch acetate nanoparticles and its potential use for oral insulin delivery. Carbohydr. Polym. 2013, 95 (1), 1-8.
27. Lee C., Choi J. S., Kim I., Oh K. T., Lee E. S., Park E. S., Lee K. C., Youn Y. S. Long-acting inhalable chitosan-coated poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles containing
hydrophobically modified exendin-4 for treating type 2 diabetes. Int. J. Nanomed. 2013, 8, 2975-2983.
28. Chuang E. Y., Nguyen G. T., Su F. Y., Lin K. J., Chen C. T., Mi F. L., Yen T. C., Juang J. H., Sung H. W. Combination therapy via oral co-administration of insulin-and exendin-4-loaded nanoparticles to treat type 2 diabetic rats undergoing OGTT. Biomaterials. 2013, 34 (32), 7994-8001.
29. Zheng C., Guo Q., Wu Z., Sun L., Zhang Z., Li C., Zhang X. Amphiphilic glycopolymer nanoparticles as vehicles for nasal delivery of peptides and proteins. Eur. J. Pharm Sci. 2013, 49 (4), 474-482.
30. Kim J. Y., Lee H., Oh K. S., Kweon S., J eon O. C., Byun Y., Kim K., Kwon I. C., Kim S. Y., Yuk S. H. Multilayer nanoparticles for sustained delivery of exenatide to treat type 2 diabetes mellitus. Biomaterials. 2013, 34 (33), 8444-8449.
31. Wang Y., Zhang X., Cheng C., Li C. Mucoadhesive and enzymatic inhibitory nanoparticles for transnasal insulin delivery. Nanomedicine (Lond). 2014, 9 (4), 451-464.
32. Wu Z. M., Ling L., Zhou L. Y., Guo X. D., Jiang W., Qian Y., Luo K. Q., Zhang L. J. Novel preparation of PLGA/HP55 nanoparticles for oral insulin delivery. Nanoscale Res. Let. 2012, 7 (1), 299-306.
33. Kuchmerovska T. M, Donchenko G. V., Tycho-nenko T. M., Guzyk M. M., Stavniichuk R. V., Yanitska L. V., Stepanenko S. P., Klimenko A P. Nicotinamide influence on pancreatic cells viability. Ukr. Biochim. Zhurn. 2012, 84 (2), 81-88. (In Ukrainian).
34. Prylutska S. V., Remeniak O. V., Honcharen-ko Yu. V., Prylutskyy Yu. I. Cardon nanotubes as a new class of materials for nanobiotechnology. Biotekhnologiia. 2009, 2 (2), 55-66. (In Ukrainian).
35. Rotko D. M., Prylutska S. V., Bogutska K. I., Prylutskyy Yu. I. Carbon nanotubes as new materials for neuroengineering. Biotekhno-logiia. 2011, 4 (5), 9-24. (In Ukrainian).
36. Zhang Y., Bai Y., Yan B. Functionalized carbon nanotubes for potential medicinal applications. Drug Discov. Today. 2010, 15 (11-12), 428-435.
37. Ilie I., Ilie R., Mocan T., Tabaran F., Iancu C, Mocan L. Nicotinamide-functionalized multiwalled carbon nanotubes increase insulin production in pancreatic beta cells via MIF pathway. Int. J. Nanomedicine. 2013, 8, 3345-3353.
38. Nedzvetsky V., Andrievsky G., Chachibaia T., Tykhomyrov A. Differences in antioxidant/ protective efficacy of hydrated C60 fullerene nanostructures in liver and brain of rats with streptozotocin-induced diabetes. J. Diabetes. Metab. 2012, 3, 215-223.
39. Bal R., Turk G., Tuzcu M., Yilmaz O., Ozer-can I., Kuloglu T, Gur S., Nedzvetsky V. S., Tykhomyrov A. A., Andrievsky G. V., Bay-das G., Naziroglu M. Protective effects of nanostructures of hydrated C60 fullerene on reproductive function in streptozotocin-diabetic male rats. Toxicology. 2011, 282 (3), 69-81.
40. Wang P., Yoo B., Yang J., Zhang X., Ross A., Pantazopoulos P., Dai G., Moore A. GLP-lR-targeting magnetic nanoparticles for pancreatic islet imaging. Diabetes. 2014, 63 (5), 1465-1474.
41. Zhu Zh., Garcia-Gancedo L., Flewitt A. J., Xie H., Moussy F., Milne W. I. A critical review of glucose biosensors based on carbon nanomaterials: carbon nanotubes and graphene. Sensors, 2012, 12 (5), 5996-6022.
НАНОМАТЕРИАЛЫ В ДИАГНОСТИКЕ И ТЕРАПИИ САХАРНОГО ДИАБЕТА
М. В. Толкачев, Е. И. Богуцкая, А. Н. Савчук, Ю. И. Прилуцкий
Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Украина
E-mail: prylut@ukr.net
В обзоре проанализирована проблема развития современных биотехнологий для целенаправленного использования биосовместимых низкотоксических объектов нанометрового размера в лечении наиболее распространенных заболеваний, в том числе и сахарного диабета. Предполагается, что с помощью нанотехно-логий в ближайшее время будут решены проблемы ранней диагностики этого заболевания и разработаны новые эффективные методы его селективной терапии.
Обобщены также современные данные литературы о новейших биотехнологических средствах терапии сахарного диабета, в частности действие в условиях in vivo и in vitro биосовместимых комплексов на основе носителей различной природы (полимерных, гликопо-лимерных, липидных и т. д.) и многослойных структур с наночастицами как потенциальных транспортеров инсулина, а также использование биосенсоров и магнитных зондов на основе наночастиц (в частности, углеродных нанотру-бок и оксида железа) для детектирования глюкозы и визуализации бета-клеток островков Лангерганса, продуцирующих инсулин.
Ключевые слова: сахарный диабет, наномате-риалы.
42. Pyeshkova V. M., Saiapina O. Y., Soldat-kin O. O., Dzyadevych S. V. Traditional and biosensor methods of mono- and disaccharides determination. Biotekhnologiia. 2010, 3 (3), 9-22. (In Ukrainian).
43. Rogaleva N. S., Shkotova L. V., Lvova O. V., Garbuz V. V., Muratov V. B., Duda T. I., Vasilev O. O., Korpan Ya. I., Biloivan O. A. Amperometric biosensor modified with multiwalled carbon nanotubes for glucose determination. Biotechnologiia. 2012, 5 (1), 53-61. (In Ukrainian).
44. Zhu Z., Song W., Burugapalli K., Moussy F., Li Y. L., ZhongX. H. Nano-yarn carbon nanotube fiber based enzymatic glucose biosensor. Nanotechnology. 2010, 21 (16), 165501. doi: 10.1088/0957-4484/21/16/165501.
NANOMATERIALS IN THE DIAGNOSTICS AND THERAPY OF DIABETES MELLITUS
M. V. Tolkachov, K. I. Bogutska, O. M. Savchuk, Yu. I. Prylutskyy
Taras Shevchenko National University of Kyiv, Ukraine
E-mail: prylut@ukr.net
The problem of development of modern biotechnologies for the purposeful use of biocompatible low toxic objects of the nanometer size in the treatment of the most widespread diseases, including diabetes, is analyzed in this review. It is likely that by means of nanotechnologies the problems of early diagnostics of this disease and new effective methods of its selective therapy will be developed.
The modern literature data on the latest biotechnological ways in therapy of diabetes are generalized, in particular the effect in vivo and in vitro of the biocompatible complexes on the basis of carriers of the different nature (glycopolymer, lipid etc.) and multilayered structures with nanoparticles as potential transporters of insulin, and use of biosensors and magnetic probes on the basis of nanoparticles (carbon nanotubes and oxide of iron) for detecting of glucose and visualization of beta-cells of Langergans islands, which produce insulin, are considered under in vivo and in vitro conditions.
Key words: diabetes mellitus, nanomaterials.
