CC BY
341
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
Биологически активные полимерные наносистемы
Е. Ф. Панарин,
д. х. н., профессор, директор Института высокомолекулярных соединений РАН, член-корреспондент РАН, заслуженный изобретатель РФ
Предложен новый подход к созданию эффективных лекарственных средств путем наноструктурирования биологически активных веществ в ходе комплексообразования с водорастворимыми функциональными полимерами. Практическая ценность данного подхода продемонстрирована на примере лекарственных препаратов, представляющих собой полимерные комплексы поверхностно-активных веществ, нанодисперсного серебра и наноструктури-рованных биополимеров (ДНК, гемоглобин).
The new approach has been proposed for preparation effective medicinal substances by means of creation a complex between molecules of biological active substances and water-soluble functional polymers. A practical value of the approach is illustrated by medicinal substancesfor which reactants are polymer complexes biological active substances, nanodispersed silver or nanostructured biopolymers such as DNA and hemoglobin.
Важной задачей современной химиотерапии является поиск новых биологически активных веществ (БАВ), а также модификация известных лекарственных веществ с целью улучшения их терапевтических свойств: снижение токсичности, устранение отрицательных побочных эффектов, увеличение продолжительности действия в организме, обеспечение целевого транспорта в заданный орган-мишень, расширение спектра биологического действия и пр.
Одним из подходов, позволяющих решить эти задачи, является наноструктурирование лекарственных веществ с использованием функциональных био-совместимых полимеров. Существует несколько подходов наноструктурирования БАВ: создание нанораз-мерных структур путем формирования полиэлектро-литных комплексов полимеров с дифильными ионами биологически активных веществ; синтез наночастиц биогенных элементов и получение их нанодис-персных композитов, стабилизированных водорастворимыми полимерами; наноструктурирование природных биополимеров — белков, нуклеиновых кислот путем межцепного связывания биомакромолекул и формирование комплексов с синтетическими полимерами — полиэлектролитами. В Институте высокомолекулярных соединений РАН совместно с организациями биомедицинского профиля (НИИ гриппа РАМН, ИЭМ РАМН, НИИ гематологии и трансфузиологии МСЗР, НИИ травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена, ВНИИ защиты растений и др.) проводятся исследования по указанным направлениям, в которых изучаются биологические свойства различных полимерных наносистем.
Полимерные наносистемы. Полиэлектролит — поверхностно активное вещество
Классическими биологически активными ионами являются ионогенные поверхностно активные вещества (ПАВ), которые содержат группу, несущую положительный или отрицательный заряд и гидрофобный (жирный) радикал. Макромолекулы водорастворимых полимеров также могут иметь ионогенные группы и, соответственно, положительные и отрицательные заряды, которые расположены вдоль цепи макромолекулы. При взаимодействии молекул ионогенных ПАВ с макромолекулами, несущими противоположный заряд, формируются обратимодиссоци-ирующие комплексы полимер-ПАВ, образующие надмолекулярные наноразмерные структуры мицел-лярного типа с размерами частиц 10-100 нм (рис. 1).
Определяющий вклад в образование таких систем вносят электростатические, а также гидрофобные взаимодействия заряженных макромолекул с ди-фильными ионами ПАВ. Надмолекулярная организация, стабильность системы, ее физико-химические зависят от химического строения ПАВ и полимера, а также от величины и характера распределения зарядов по цепи макромолекулы, наличия поливалентных низкомолекулярных неорганических ионов и ряда других параметров.
Катионные поверхностно-активные вещества (КПАВ) обладают широким спектром антимикробного действия и их используют в санитарии в качестве моющих и дезинфицирующих средств. Однако высокая токсичность и кожно-раздражающее действие препятствуют их использованию в качестве
Рис. 1. Схема формирования комплексов полимер-ПАВ:
1, V — полимерная цепь полиэлектролита;
2, 2' — молекула дифильного иона ПАВ
лекарственных средств. Связывание КПАВ ионогенными сополимерами К-винилпирролидона и формирование обратимодиссоциирующих нанодисперсных систем мицеллярного типа с размером частиц 10-50 нм приводит к существенным изменениям их свойств. Токсичность снижается в 1,5-2 раза, а кожно-раздражающее действие — в 10 раз при одновременном повышении уровня антимикробной активности в 3-5 раз. Путем оптимизации химического строения полимера КПАВ, структуры комплекса и его надмолекулярной организации был создан полимерный антисептик «Катапол», разрешенный для медицинского применения (регистрационный номер 91/146/7). Наночастицы «Катапола» активно взаимодействуют с цитоплазматической мембраной бактерий, разрушают оболочковые вирусы (например, гриппа, рис. 2), проявляя высокое антимикробное и вирусицидное действие при концентрациях 0,5-0,005%.
Применение «Катапола» в виде 0,3-1% водного раствора, особенно в сочетании с антибиотиками при лечении раневой инфекции у больных с ожогами, гнойными ранами мягких тканей, переломами костей, трофическими язвами, пролежнями и т. п. в 2-3 раза эффективнее лечения традиционными антисептиками. В наночастицы «Катапола», как в наноконтейнеры, могут быть включены другие лекарственные вещества (анестетики, вещества, обладающие сепаративной активностью и др.)
На этом пути были разработаны полимерные нанокомпозиции, которые, наряду с антимикробной активностью, обладают способностью стимулировать процессы заживления ран, удалять некротизирован-ные ткани, проявлять обезболивающее действие, что важно для современной терапии раневых инфекций. Указанные композиции рекомендованы для использования в медицинской практике в составе перевязочных материалов, пленок марки ПК-2, изготовленных из поливинилового спирта и предназначенных для закрытия раневых поверхностей. В качестве антисептического средства «Катапол» предназначен также для использования в птицеводстве, ветеринарии, пищевой и рыбоперерабатывающей промышленности. Катапол подавляет рост многих возбудителей
болезней сельскохозяйственных культур, фитопатогенных грибов и бактерий. На основе катапола разработан защитно-стимулирующий препарат «Ката-зар» (совместно с Всероссийским институтом защиты растений), предназначенный для предпосевной обработки зерновых, овощных культур и картофеля от комплекса грибных и бактериальных болезней. Полевые испытания продемонстрировали высокую эффективность предпосевной обработки зерновых культур от корневой гнили; картофеля от черной ножки, ризоктониоза, бактериоза; моркови от фита-риоза и белой гнили; свеклы от корнееда. Прибавка урожая при этом достигла 10-30%.
При взаимодействии анионных ПАВ с катионными сополимерами К-винилпирролидона (ВП) формируются нанструктуры мицелярного типа. В зависимости от химического строения ПАВ и степени заполнения полимерной цепи ионами они могут менять свою морфологию от сферических внутримолекулярных мицелл размером ~20 нм, когда ионы ПАВ связаны с полимерной цепью, до псевдоламеллярных ассо-циатов, размер которых превышает 50 нм, образованных большим числом (~1000) молекул ПАВ, связанных с макромолекулой. Исследование биологических свойств наносистем, полученных на основе высших ал-килсульфатов и катионных сополимеров ВП, показали, что они проявляют широкий спектр биологической активности — ингибируют или активируют протеоли-тические ферменты, влияют на проницаемость клеточных мембран, ускоряют или замедляют процессы роста молодых животных, влияя на процессы белкового, жирового и минерального обмена, и пр.
Оптимизация структур наносистем привела к созданию высокоэффективного ветеринарного препарата «Доксан» и кормовых добавок на его основе «Доксан М», повышающих продуктивность сельскохозяйственных животных (свиньи, овцы, крупный рогатый скот, птица (куры-несушки и бройлеры). Углубленные фармалогические исследования докса-на, выполненные в НИИ экспериментальной медицины РАМН, выявили у доксана мощное антигипок-сическое, анальгезирующее и противошоковое дей-
Рис. 2. Инактивация вириона гриппа частицами «Катапола» (электронно-микроскопическая фотография)
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
ствие. Кроме того, доксан усиливает секрецию эндогенных нейромодуляторов, а также потенцирует действие экзогенных биологически активных веществ (анальгетики, снотворные и др.), действующих на центральную и периферическую нервную систему, что позволяет существенно понижать их терапевтические дозы.
Создание высокой локальной концентрации биологически активных веществ в самоорганизующейся и легко перестраивающейся полимерной системе, а так же кооперативный перенос молекул БАВ на мишень обеспечивают повышение уровня биологической активности, появление у супрамолекулярной наносистемы новых свойств и новых видов биологической активности.
Полимерные нанокомпозиты на основе серебра
Широкое распространение в хирургических клиниках штаммов микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам, снизило эффективность их применения, несмотря на введение в арсенал медицины все новых антибиотиков. В связи с этим возрос интерес к веществам широкого спектра антимикробного действия, альтернативным антибиотикам. Среди этих веществ особое место занимает серебро и препараты на его основе. Препараты серебра, такие как протаргол и полларгол, используются в медицине более ста лет. Вместе с тем, исследования, направленные на повышение эффективности препаратов серебра, не прекращались. Как было отмечено выше, перевод вещества в наноразмерное состояние приводит к резкому изменению его физических, физико-химических и биологических свойств.
Восстановление ионного серебра Ag+ до Ag0 в водной и водноспиртовой среде в присутствии поли-винилпирролидона и других поли-К-виниламидов приводит к формированию наночастиц металлического серебра с размерами от 2 до 100 нм. Частицы могут быть кристаллическими или аморфными и иметь различную форму — сферы, стержни, пирамиды, отрезки «проволоки» (рис. 4). Поливинилпирро-лидон выполняет две функции — полимерного реагента, который наряду с этанолом участвует в реакции восстановления ионов серебра за счет своей концевой альдегидной группы, и полимерной матрицы, стабилизирующей наночастицы, как в ходе синтеза, так и после восстановления серебра (рис. 3).
С использованием поливинилпирролидона в качестве стабилизатора были синтезированы композиции с содержанием серебра от 2 до 70 масс.%, способные после высушивания к самопроизвольному повторному диспергированию в воде. Среди исследованных композиций была выявлена система, образо-
являющая необычайно высокую антимикробную активность и широкий спектр действия.
Она подавляет рост аэробной, анаэробной, грам-положительной и грамотрицательной микрофлоры, в том числе, устойчивой к антибиотикам. На основе этой композиции было разработано нанолекарство — антисептик Повиаргол (регистрационный номер 97/ 167/7), разрешенный для медицинского применения. Он выпускается СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург) и используется в виде 1-5% водных растворов. Широкое клиническое изучение повиаргола показало его высокую эффективность при лечении гнойновоспалительных осложнений (нагноений операционных ран, трофических язв и т. д.), термических ожогов и обморожений высоких степеней; в отоларингологии и пульмонологии (ринит, гайморит, ангина, гнойные формы трахеобронхитов и т. п.); в стоматологии при санации полости рта, в урологии, акушерстве, гинекологии (гнойные уретриты, циститы, кольпиты и т. п.); в офтальмологии (профилактика гнойного конъюнктивита). В отличие от препаратов ионного серебра, повиаргол стимулирует репарацию тканей на стадии эпителизации, а также гуморальный и клеточный иммунитет, проявляя свойства тимус-не-зависимого антигена. Высокая антимикробная активность повиаргола и, как следствие, прекрасные клинические эффекты обусловлены высокой удельной поверхностью наночастиц серебра препарата и их способностью непрерывно генерировать ионы серебра, восполняя их потерю вследствие связывания ионов биосубстратами. Введение повиаргола вызывает полноценный иммунный ответ в короткие сроки без существенной его пролонгации, что открывает перспективу его практического применения в медицине при лечении иммунодефицитных состояний, аутоиммунных заболеваний и т. п. При внутрижелу-дочном введении нанодисперсное серебро проявляет адаптогенные свойства, повышая устойчивость организма к гипоксии, боли, шоку, а также потенцирует действие ряда веществ, действующих на центральную нервную систему. Таким образом, перевод металлического серебра в нанодисперсное состояние позволяет не только обеспечить его высокие антимикробные свойства, но и приводит к появлению новых видов биологической активности
При вариации условий синтеза, как было отмечено выше, формируются наночастицы серебра различной морфологии. Это открывает возможность управления ростом анизотропных наночастиц серебра и позволяет синтезировать не только сферические частицы, но также нанопроволоку, наностержни, нанопризмы. Наноматериалы такого типа могут найти приме-
ванная кластерами серебра с размерами 2-30 нм, про-
Рис. 3
нение в электронике, оптике, сенсорных системах, использоваться как катализаторы и микрореакторы.
Наноструктурированные системы на основе биополимеров
Адресная доставка модифицированного генетического материала (ДНК) в клетки-мишени является перспективным методом решения ряда проблем медицины и биологии. Создание невирусных безопасных носителей для доставки генов в клетки обеспечит успешное использование таких систем в медицине. Необходимым условием для доставки ДНК в клетки является защита ее от агрессивных факторов среды, что можно достичь, создав с помощью полимера-носителя компактные частицы размером 40-80 нм. Используемый для этого полимер должен содержать в своей структуре специфические лиганды и группы, обеспечивающие взаимодействие частиц с клеточными мембранами. Поскольку ДНК является полианионом, несущим отрицательно заряженные фосфатные группы, она легко взаимодействует в воде с поликатионами — полимерами, несущими положительно заряженные группы. При этом, вследствие кооперативного связывания макромолекул, формируются полимерные комплексы, представляющие собой компактные наноструктуры. В таких компактных наносистемах ДНК сохраняет свою нативную структуру, защищена от действия ферментов и протонирования. В настоящее время синтезировано большое число поликатионов различного химического строения, содержащих амино- и четвертичные аммониевые группы. Среди них найдены нетоксичные, обеспечивающие наибольшую транспортную активность. Следует отметить, что эффективность транспорта наносистемы ДНК-поликатион в клетки существенным образом зависит от химического строения полимера, его молекулярной массы, структуры сформированной наносистемы.
Большой интерес представляет наноструктурирование белковых макромолекул с целью придания им новых свойств. Важным в практическом отношении
является, например, наноструктурирование гемоглобина — белка, выполняющего газотранспортную функцию крови — обратимый перенос кислорода от легких в ткани. Молекула природного белка состоит из четырех субъединиц, легко диссоциирующих на отдельные субъединицы, что приводит к резкому ухудшению газотранспортных свойств гемоглобина. Более того, введение гемоглобина в организм приводит к необратимому повреждению почек. Поэтому гемоглобин не используется в кровезаменяющих растворах при больших кровопотерях. Путем использования специальных полифункциональных реагентов удалось осуществить сборку нескольких молекул гемоглобина в более крупные частицы размером 1030 нм. Такие частицы можно рассматривать как модели «миниэритроцитов». Они, в отличие от нативного гемоглобина, могут более длительное время циркулировать в кровяном русле (10-14 часов), не блокируя почечные канальцы, а самое главное, они способны осуществлять обратимый перенос кислорода почти также хорошо, как эритроциты крови.
На основе полимерного наноструктурированно-го гемоглобина сотрудниками Института высокомолекулярных соединений РАН и НИИ гематологии и трансфузиологии разработан первый отечественный кровезаменитель «Геленпол», осуществляющий газотранспортную функцию крови. В отличие от донорской крови геленпол не обладает групповой специфичностью, поэтому может вводиться любому пациенту без предварительных проб на совместимость. Следует отметить, что кровь доноров требует проведения проб на совместимость и функционально активна только в течение 5-7 дней со времени заготовки. Геленпол в сухой форме хранится без изменения функциональных свойств в течение двух лет, что удобно для накопления запасов на случай экстренных ситуаций и транспортировки на дальние расстояния.
Таким образом, наноструктурирование биологически активных веществ с помощью полимеров позволяет создавать новые лекарственные средства с новыми улучшенными лечебными свойствами.
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
