Нанотехнологии. Правда и вымысел

Основой для создания полимерных наночастиц, которые более совместимы с биологической структурой кожи, являются полимолочная и полигликолевая кислоты, полиэтилен-гликоль (ПЭГ), поликапралактон и др., а также их различные сополимеры. Поэтому липосомы, покрытые ПЭГ («липосомы-невидимки»), менее подвержены биодеградации (разрушению), вследствие чего обладают более длительным (пролонгированным) эффектом воздействия. Защитная оболочка такого наноконтейнера напоминает клеточную мембрану, а весь пузырек похож на клеточную органеллу.

Следует отметить не только косметические свойства применяемых наночастиц, но и потенциально высокое значение, которое может иметь их медицинское применение.

Один из классиков биофизики, гелио– и космобиологии, а также космической эпидемиологии, объясняющих процессы в биосфере Земли под воздействием Солнца и Космоса, Александр Леонидович Чижевский (1897–1964) еще в 1931 году в своей работе «Земное эхо солнечных бурь» [18] писал: «Введение в организм даже мельчайших доз того или иного вещества может обусловить то или иное направление функций отдельных его органов. Очень часто мы видим огромный физиологический эффект введения в организм таких ничтожных количеств того или иного действующего агента, которые не поддаются определению ни на меру, ни на вес…».

Использование в медицине специальных наночастиц в качестве носителей биологически активных молекул лекарственных средств позволит эффективно преодолевать различные барьеры организма, которые эти вещества не способны преодолевать самостоятельно (кожный, гематоэнцефалический), что в значительной степени изменит характер и эффективность действия препарата.

Липосомы могут свободно проникать непосредственно в живые клетки и поэтому используются для введения относительно токсичных лекарственных веществ только в пораженные болезнью участки организма, где оказывают максимальное, но не объемное, а местное лечебное воздействие. Например, при введении в кровь больного липосом, содержащих лекарственное средство метотрексат, реализуется следующий терапевтический механизм воздействия. Пораженные злокачественными клетками ткани имеют повышенную температуру, поэтому, когда липосомы проходят через кровеносные сосуды этих органов, их оболочка разрушается, и содержащееся внутри липосом вещество проникает в пораженные участки.

При этом трансдермальная доставка лекарственных средств, по сравнению с введением через кровяное русло, обеспечивает уменьшение нежелательных побочных эффектов, позволяет снизить эффективную дозу препарата за счет существенного повышения его локальной концентрации.

Для препаратов, вводимых в организм перорально (через рот) или в результате инъекции, концентрация в тканях больного увеличивается во времени по экспоненциальной зависимости. Применение же наночастиц обеспечивает равномерное увеличение концентрации препарата во времени, что позволяет более точно планировать дозировку и значительно продлить период действия препарата.

При этом металлические наночастицы, по заверениям производителей, даже более эффективны, чем липосомы. Металлические наночастицы (фуллерены, углеродные нанотрубки) более стабильны (то есть обладают низкой степенью окисления-разрушения) и могут проникнуть в глубокие слои кожи. Они эффективно проникают вглубь эпидермиса и обеспечивают доставку большего количества активных ингредиентов, чем липосомы.

По оценке основателя консалтинговой компании в области нанотехнологий CMP Cientifica Тима Харпера (Tim Xarper), уже к 2012 году общий оборот рынка нанотехнологической фармацевтики составит около 3,2 трлн долларов США.

В настоящее время ведутся достаточно интенсивные исследования по разработке методов доставки лекарственных наночастиц через волосяные фолликулы. Этот путь очень перспективен и эффективен, так как в области фолликулов находится не только скопление иммунных клеток, но и обнаружены стволовые клетки. Данный факт, возможно, позволит повысить эффективность лечебного воздействия наночастиц не только при кожной иммунизации, но и при направленной дерматотерапии и лечебном воздействии на весь организм.

Кстати, возникает вопрос: могут ли нанотехнологии стать альтернативой стволовым клеткам, применение которых столкнулось с вопросами этики?

Так вот, на мой взгляд, большинство противников исследований стволовых клеток лично никогда не сталкивались с проблемами, которые эти исследования могут в перспективе решить (или хотя бы позволить приблизиться к их решению), – наследственными и врожденными дефектами развития, а также многими неизлечимыми болезнями: детским церебральным параличом (ДЦП), болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и др. Зато политические противники – премьер-министр Великобритании Гордон Браун и лидер оппозиции Дэвид Камерон – согласованно высказались за продолжение исследований в этой области, потому что сами воспитывают тяжелобольных детей, и для них это не этический вопрос, а вопрос жизни или смерти. У нанотехнологий противников не меньше – в той же самой Англии, например принц Чарльз. Но оба этих направления не являются альтернативными. Скорее, они дополняют друг друга.

В средствах массовой информации было опубликовано печальное известие – умер тяжелобольной шестилетний сын Дэвида Камерона – Айван. Стоит надеяться, что взаимно дополняющее развитие медицинских нанотехнологий и совершенствование методик применения стволовых клеток может позволить в будущем дать таким же безнадежно больным детям и вообще людям шанс не только жить, но и стать полноценными членами человеческого общества.

Директор Лаборатории нанофотоники (Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Райса в Хьюстоне Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами – наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляются специальные белки – антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Уникальная нанотехнология была успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.

Аналогичные исследования в данной области ведет австралийская фирма pSivida. Она изобрела новый способ точной дозированной поставки лекарства к раковой опухоли. Препарат BrachySil вводится в опухоль. Он содержит лекарство, убивающее раковые клетки. Однако самое сложное в подобных способах терапии – точная дозировка и постепенное (в течение многих дней) введение лекарства в организм. В противном случае эффект может быть обратным желаемому. BrachySil – это комплекс высокопористых кремниевых наночастиц (размер пор – 10 атомов). В его поры помещен действующий препарат, а также определенное количество изотопа фосфора-32 (период полураспада – 14 дней). Фосфор служит для регулировки разложения кремния, во время которого в опухоль и выпускается препарат. Вся технология базируется на том, что кремний в форме частиц нанометрового размера, в отличие от более крупных фрагментов, полностью перерабатывается организмом человека так же, как кремниевая кислота, содержащаяся в пище.

По заявлению ученых из университета штата Миссури (Колумбия, США), так как все человеческие болезни возникают на уровне клетки, «биологически совместимые зеленые и золотые наночастицы могут использоваться при диагностировании и даже лечении раковых и офтальмологических заболеваний».

Марк Гринстафф (Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран.

Исследователи из Гонконгского университета – профессора Ратледж Эллис-Бенке (Rutledge Ellis-Behnke) и Геральд Шнайдер (Gerald Schneider) дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.

«Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», – заявил профессор Эллис-Бенке.

Встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30 % от общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50 % и составить 15 млн человек в год.

Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 80 лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже, особенно у мужчин, продолжительность жизни которых, по некоторым данным, – всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения.

Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышей и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа (Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета (Northwestern University) в Эванстоне (Иллинойс, США). Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.

Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и препараты ей не вводили. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы сердце восстановилось практически полностью и функционировало так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и подтверждены на подопытных кроликах.

В настоящее время для развития и коммерциализации своего изобретения доктор Стапп создал компанию Nanotope.

Преимущества медицинской нанотехнологии над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в организме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.

Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления рассеченной мышиной печени. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.

Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.

В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998–2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологий создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Пломбировочные нанокомпозитные материалы нашли широкое применение в отечественной стоматологии для лечения и реставрации зубных дефектов. На российском рынке такие препараты представлены следующими наиболее известными компаниями (препаратами) в области производителей стоматологических материалов, в основном из США и Германии: Kerr (Herculite XRV Ultra), Heraeus Kulzer (Charisma OPAL), VOCO GmbH (Grandio Flow), Vivadent Ivoclar (Tetric N-Ceram), 3M.ESPE (Filtek Supreme XT) и др.

Особенность разработки таких нанокомпозиционных препаратов заключается в усовершенствовании состава и строения наполнителя за счет введения в его состав так называемых нанокластеров. Для этого дополнительно к достаточно крупному предварительно полимеризированному наполнителю (PPF) на основе композиционной смолы (размером около 0,7 мкм) и бариевого стекла (с размерами 0,4 мкм) вводится наполнитель на основе наночастиц диоксида кремния размером около 20–50 нм (рис. 79).