CC BY
392
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СПОРТИВНОЙ ФАРМАКОЛОГИИ
Р.Д. СЕЙФУЛЛА, Е.А. РОЖКОВА, Г.З. ОРДЖОНИКИДЗЕ, Московский научно-практический центр спортивной медицины
Аннотация
В статье рассмотрены основные аспекты применения нанотехнологий в медицине. Приводятся примеры использования наночастиц в различных областях медицины, включая онкологию, терапию вирусных заболеваний, спортивную медицину.
Abstract
In this paper, main aspects of nanotechnology use in medicine are considered. There are many examples for their application in different medical fields, including oncology, therapy of virus diseases, sports medicine.
Ключевые слова: нанотехнологии, фармакология, медицина.
Введение
Нанотехнологии в фармакологии - это совокупность технических процессов, связанных с манипуляцией с молекулами и атомами в масштабах от 1 до 100 нанометров с целью добиться более эффективного действия и уменьшения побочных эффектов лекарственных веществ.
Одной из наиболее полных работ по нанотехнологиям является монография Б. Пиотровского и Киселева (2006), которая посвящена вопросам создания и применения наноструктур (фуллеренов) как носителей лекарственных препаратов избирательного действия.
В отличие от молекулярной фармакологии это не количественный, а качественный скачок от «микро-» к «нано-», то есть к размерам, характерным для основных биологических структур - клеток, их составных частей (орган елл), молекул и атомов.
Достижения современной биологии создали предпосылки для появления молекулярной медицины, квантовой биохимии и фармакологии, формирующейся на стыке фундаментальных наук и практической медицины (создание новых лекарств, препаратов направленного действия и др.). С их помощью становится возможным проводить «точечное» воздействие на организм пациента, лечить пораженный орган, не задевая другие ткани или органы [9]. В последнее время нанотехнологии начинают широко применяться для точечной доставки лекарств (это особенно актуально при лечении злокачественных заболеваний, сердечно-сосудистой и неврологической патологий, в спортивной медицине).
Фуллерены - сложные органические молекулы шарообразной формы. Диаметр молекулы С60 равняется 1 нм, что соответствует границе дисперсности, пролегающей между «истинным», молекулярным и коллоидным состоянием веществ. Внутри фуллерена находится пространство диаметром около 0,4 нм. Его стенки не позволяют проникать внутрь каким-либо материальным частицам: ионам, атомам, молекулам [4] (рис. 1).
Американская компания C-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фулле-
реновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами, которые подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями, и эффективны в борьбе с вирусными заболеваниями - такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопоро-зом, заболеваниями сосудов. В настоящее время нанотехнологии применяются не только для создания новых препаратов, но и для использования хорошо известных лекарств с повышением эффективности действия, улучшенной биодоступностью и незначительными побочными эффектами. Применение нанотехнологий для создания новых лекарственных форм и систем доставки существенно сказывается на свойствах и эффективности лекарственного препарата, поскольку определяющим фактором является наноразмер. Использование наноносителей для доставки лекарств - успешно развивающееся направление вследствие малого размера и большей активности поверхности частиц:
- высокая способность проникновения активных компонентов в клетки;
Рис. 1.
Препарат, включенный в структуру фуллерена С60
1
- улучшаются фармакокинетические показатели;
- появляется возможность создания альтернативных лекарственных форм, переход от инъекционных форм к назальным и трансдермальным.
Еще одно важное преимущество наночастиц как лекарственной формы - постепенное высвобождение лекарственного вещества, сосредоточенного в них, что пролонгирует время его действия [12, 13].
Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (менее 1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма [13]. Это дает возможность помещать в капсулы инсулинпродуцирую-щие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом [6].
Подобные разработки проводятся в Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург), где использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидо-ном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фул-лерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60. В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина, традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.
Рис. 2. Дендример
В настоящее время исследуется возможность фул-леренов быть «ловушкой» свободных радикалов и оценивается их противовирусная активность. Тот факт, что фуллерены обладают хорошей адсорбционной способностью, дает возможность создания сорбентов на их основе для лечения атеросклероза [5].
Особый интерес вызывают дендримеры, которые представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение (рис. 2). В последее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их наномедицин-ских применений, что связано с целым рядом особых свойств, которыми они обладают:
- предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;
- наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры.
В наших клинико-фармакологических стендовых исследованиях микрогирина, содержащего в своем составе нанокластеры Фланаганов, in vitro in vivo методом хемилюминесценции были установлены высокие антиоксидантные свойства препарата. Установлено достоверное повышение физической работоспособности бегунов в возрасте 18-29 лет (КМС и МС) на средние дистанции (бег на тредбане со ступенчато-повышаю-щейся нагрузкой до отказа), ускорение восстановления, нормализация концентрации АТФ, лактата, глюкозы и мочевины (табл. 1).
Таблица 1
Влияние микрогидрина на физическую работоспособность спортсменов (длительность бега на тредбане, с)
(п=20 в каждой группе)
Г руппы Исходное состояние На 10-й день На 21-й день Через 5 дней после приема
Контроль 100,4±9,4% 99,1±5,2 108,1±4,9 93,6±8,3
placebo 12,55 с 12,39 с 13,51 с 11,7 с
Эксперимент* 100,9±7,2% 135,3±9,1* 144,4±13,5* 109,2±13,5
микрогидрин 12,61 с 16,9 с 18,05 с 13,65 с
Примечание. Микрогидрин назначали по 3 капсулы в день (250 мг в 1 капсуле); *контроль сравнивался с экспериментом и с исходным состоянием; данные статистически достоверны; Р<0,05.
В те же сроки исследования микрогидрина статистически достоверно ингибируется хемилюминесценция крови добровольцев, что свидетельствует об его анти-радикальном и антиоксидантном действии. На 21-й
день применения микрогидрина по сравнению с контрольной группой имело место снижение повышенной хемилюминесценции в результате интенсивной физической нагрузки (табл. 2).
Таблица 2
Влияние микрогидрина на процесс хемилюминесценции крови спортсменов, к контролю (п=20 в каждой группе)
Группы Исходное состояние На 10-й день На 21-й день Через 5 дней после приема
Контроль placebo 109,4±8,3 100,4±9,7 128,1±8,2* 100,1±7,2
Эксперимент* микрогидрин 99,2±10,5 54,3±6,8* 69,1±6,4* 99,3±9,2
Примечание. Микрогидрин назначали по 3 капсулы в день (250 мг в 1 капсуле); *контроль сравнивался с экспериментом и с исходным состоянием; данные статистически достоверны; Р<0,05; хемилюминесценция крови определялась в те же сроки в стендовом эксперименте на тредбане со ступенчато-возрастающей физической нагрузкой «до отказа».
Из данных табл. 1 и 2 видно, что микрогидрин повышает физическую работоспособность, когда физические нагрузки носили анаэробно-аэробный характер на 10-й и 21-й день его ежедневного применения. Физические нагрузки на 21-й день в контрольной группе вызывали повышение хемилюминесценции, что косвенно свидетельствует о нарастании концентрации свободных радикалов в крови. При этом введение микрогидрина на 10-й и 21-й день вызывает антиоксидантный эффект, что выражается в снижении хемилюминесцен-
ции крови. Наши данные свидетельствуют о том, что микрогидрин является универсальным антиоксидантом, который корригирует метаболизм митохондрий клетки с образованием АТФ, необходимой для физиологического сокращения мышц.
В настоящее время открыты, исследованы и применяются в экспериментальной и в клинической фармакологии ряд наноструктур, классификация которых может быть представлена следующим образом (табл. 3).
Таблица 3
Классификация основных наноструктур и их фармакологические свойства
Название Структура Размер, нм Фармакодинамика Фармакокинетика
1. Фуллерен Углеродные С27 - С90 1-5 Антиоксидант Антибластомное действие Повышает проницаемость мембран клеток, проникает через гистогематические барьеры и клеточные мембраны
2. Дендример Ветвистое строение 1-10 Антибластомное действие Транспортеры лекарств
3. Нанотрубки Карбоновые, фосфолипидные 5 Антиоксиданты Антибластомное действие Замыкаются в липосомы при самосборке
4. Липосомы Фосфолипиды 50-150 Антиагреганты, антиоксиданты Повышают биодоступность, транспортируют лекарства
5. Нанокластеры Кремнезем, сафлоровое масло 5 Структурируют воду, повышают синтез АТФ, антиоксиданты Усиливают комплементарность к лекарствам, ускоряют биохимические процессы и метаболизм лекарств
Будущее развитие нанотехнологий в области фармацевтики, биотехнологии и медицины даст возможность: создания новых высокочувствительных и недорогих систем для ранней диагностики заболеваний; конструирования нанороботов [6], выполняющих функции диагностики, «охоты» за возбудителями инфекций и раковыми клетками; восстановления поврежденных и постаревших тканей и отдельных клеток; создания лекарств с «адресной» или целевой доставкой и многое другое.
Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Технология белковых микрочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов [3, 8]. В настоящее время биочипы активно применяются для диагностики лейкозов и других онкологических заболеваний, а также
1аа)
в считанные часы позволяют обнаруживать устойчивые к лекарствам формы туберкулеза. В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс-выявления штамма возбудителя, где на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков.
Клиническая фармакология
Фармакогенетика. Предмет и методы фармако-генетических исследований можно представить как выяснение роли наследственных особенностей биохимических процессов, опосредующих фармакодинамику и фармакокинетику лекарственных препаратов в формировании их индивидуальных эффектов (С.Б. Се-реденин, 2004). Все ступени фармакокинетического процесса осуществляются с помощью специфических и неспецифических ферментов, которые, несомненно, контролируются генетически.
Фармакокинетика. Одной из серьезных проблем в современной медицине является доставка лекарств в определенное место организма в строго определенных дозах. Ученые-нанотехнологи ведут поиски материалов, которые помогли бы решить эту задачу. Одним из таких материалов могут стать производные фуллеренов. Они нетоксичны, прочны, внутри имеют полость, в которую можно помещать лекарства, радиоактивные частицы (для непосредственного облучения больных клеток), крошечные сенсоры и т.д. В настоящее время опубликованы результаты работ по использованию наночастиц эмульсии и мицелл для доставки лекарств в организм. Молекулы лекарства могут быть помещены внутрь или на поверхность мицелл, образованных молекулами ПАВ, и таким образом доставляются в нужное место организма. Вещество, из которого состоит мицелла, контролирует скорость доставки и высвобождение лекарства в месте назначения.
В лаборатории структуры и регуляции ферментов Института молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина разработаны универсальные нанокапсулы из фосфатидилинозита и созданы трансдер-мальные формы, включающие это новое средство доставки лекарственных веществ. Действие препарата, заключенного в нанокапсулу, продолжительнее и нацелено исключительно на определенный орган или ткань. При этом существенно улучшается биодоступность препарата, что обусловливает его высокую терапевтическую эффективность при меньших дозировках.
В настоящее время существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам [10]. Фосфолипид-ные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств пре-
парата. Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины - в эндокринологии, пульмонологии, кардиологии, онкологии и т.д. Разработка технологии и создание лекарственных препаратов на основе фосфолипидных наночастиц позволит организовать выпуск отечественных препаратов нового поколения, снабженных средствами неселективного транспорта (доксорубицин, метотрексат, рибавирин и др.) или направленного рецепторно-опосредованного транспорта (РЖД-блео-мицин), действие которого основано на селективном сродстве к рецепторам метастазирующих клеток. Их эффективность более чем в 2 раза превышает таковую для обычных форм.
Микродатчики, соединенные с наноустройствами доставки, обеспечивают поступление точно заданных количеств препаратов с учетом их функциональной токсичности. Дальнейшее уменьшение размеров частиц-носителей и разработка способов присоединения к таким частицам лигандов направленного действия поможет доставлять лекарственные препараты к определенным тканям. Эти частицы могут быть использованы в исследованиях фундаментальных биологических процессов на клеточном уровне.
Биочипы позволяют значительно ускорить испытание лекарственных препаратов. Созданная компанией МОТОИОЬЛ биоэлектронная микросхема еБешог позволяет сократить время, проходящее между разработкой лекарственного препарата и его внедрением в широкую медицинскую практику. Данная разработка делает возможным быстрое определение генетической предрасположенности пациента к излечению исследуемым препаратом. Таким образом, из исследования исключаются люди, чьи гены неадекватно реагируют на новое лекарственное средство, тем самым включая в дальнейшее, более дорогостоящее исследование тех, кто гарантированно излечится.
Бельгийские ученые из Университета Гента и Католического университета Лувьена создали «самовзрывающиеся» микрокапсулы, которые помогут точно доставлять лекарства в теле человека. При этом высвобождение лекарств может происходить через недели, и даже месяцы после инъекции. Созданные микрокапсулы отличаются от других, которые освобождают лекарство под действием ультразвуковых волн или каких-либо других внешних воздействий. Каждая из микрочастиц имеет разрушающееся в биологической среде ядро, окруженное липидной мембраной. По мере модификации геля давление на мембрану возрастает. В конечном итоге микрокапсула разрывается, и лекарственный препарат выходит наружу.
Современная наука трансформировала имевшиеся подходы к индивидуальной оценке эффектов лекарств, рассматривая каждого человека как биохимическую индивидуальность.
Фармакодинамика. В связи с тем, что предполагается использование очень малого количества ле-
(шШ>
карственного вещества с помощью «адресной» доставки, эти вопросы требуют глубокого изучения. Кроме того, открытым остается вопрос о токсичности новых лекарственных средств, созданных с использованием нанотехнологий.
Японская компания Matsushita Electric разработала принципиально новую технологию испытаний лекарств без апробирования на человеке или животных. Средой для тестирования новых лекарственных препаратов послужит кремниевая подложка с 5-микронными ячейками, в которые помещаются исследуемые клетки. Действие препаратов будет определяться по электрическим сигналам, снимаемым с этих клеток. С помощью новой технологии, названной Drugmining, можно будет производить до 100 тыс. проб в день.
Роберт Фрейтас опубликовал доклад об исследованиях биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью использования их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием.
В будущем планируется создать молекулярных ро-ботов-врачей, которые будут находиться внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая возникновение таковых, включая повреждения генетические.
Таким образом, перспектива нанотехнологий в спортивной фармакологии предвещает решение главных задач - повышение спортивной работоспособности и ускорение восстановления, а также успешное лечение больных спортсменов микродозами лекарств.
Литература
1. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Биомедицинские технологии: Обзор состояния и направления работы // Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ, 2002. - C. 244-247
2. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ, 2002. - С. 248-253.
3. Кабаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: Бином, 2005. - C. 134.
4. Рудин В.Н., Мелихов И.В., Егоров А.М., Северин А.В. Морфологическое разнообразие нанодисперсных форм гидроксиапатита // Биотехнология и медицина: Материалы конференции. - М., 2006. - С. 23.
5. Сейфулла Р.Д., Орджоникидзе З.Г., Рожкова Е.А. Проблемы использования нанотехнологии в фармакологии // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2008. - № 1. - С. 61-70.
6. Friedrich M.J. Nanoscale biosensors show promise // JAMA 2005; 293 (16): р. 1965 - 1971.
7. Feynman R.P. There’s Plenty of Room at the Bottom // Engineering and Science (California Institute of Technology), February 1960, pp. 22-36. Русский перевод: «Химия и жизнь». - 2002. - № 12. - С. 21-26.
8. Masmoudi Y. et al. Solvent diffusion during the supercritical CO2 drying of silica aerogels / Proceedings of the llth Polish Drying Symposium XI PSS. - Poznan, Poland. - 2005. - P. 54-67.
9. MacKinnon. «Quantum gears: a simple mechanical system in the quantum regime». Nanotechnology 13 (October, 2002), 678-681. Текст доступен в Интернете на странице http://arxiv.org/abs/cond-mat/0205647.
10. Malcolm B., Barnes Jr., Sawatari C., Kondo T. Polymer Manipulation and Nanofabrication in Real Time Using Transmission Electron Microscopy // Biomacromolecules; 2007; 8 (1), pp. 70-76.
11. Pakowski Z. Producing nanoparticles by spray drying / Proceedings of the llth Polish Drying Symposium XI PSS / Z. Pakowski, M. Czapnik, M. Piatkowski, I. Zbiciriski - Poland, Poznan. - 2005. - P. 75-83.
12. Rogacki G. The effect of supercritical CO2 drying on parenchyma / Proceedings of the 11th Polish Drying Symposium XI PSS / G. Rogacki, A. Zawadzka. - Poland, Poznan. - 2005. - P. 98-112.
13. Leuenberger H., Plitzko M., Puchkov M. Modelling of the spray-freeze drying process // International Meeting on Pharmaceutics, Biopharmaceutics and Pharmaceutical Technology: Proc. of meeting. - 2004. - P. 871.
14. Okuyama K., Lenggoro I.W. Preparation of nanoparticles via spray route // Chemical Engineering Science. -2003. -58. - P. 537-547.
15. Howe C.D. Nanotechnology: Slow Revolution. Forrester Research Corporation. Cambridge, Maryland, USA, August 2002. - P. 21.
1
