Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

В последнее время внимание специалистов привлекают так называемые дендримеры, представляющие собой симметричные и монодисперсные макромолекулярные соединения в виде сложных глобул, типа показанной на рис. 16.2. Иногда их называют древовидными полимерами, поскольку структура напоминает «ветви», послойно растущие вокруг центрального ядра. Размеры таких систем достаточно легко контролируются (например, подавлением роста молекулярных цепей на очередном этапе ветвления структуры), что позволяет использовать их в качестве носителей лекарственных препаратов.

Рис. 16.2. Схематическое представление дендримера, используемого в качестве носителя для направленной доставки лекарственного препарата в организме. Воспроизводится с разрешения авторов (Thiagarajian Sakchivel, Ph.D. and Alexander T.Florence, Ph.D, D.Sc.) по данным источника «Dendrimers & Dendrons: Facets of Pharmaceutical Nanotechnology» (см. сайт http://www.drugdeliverytech.com/cgi-bin/articles.cgi?idArticle=153)

16.1.1.2. Полимерные мицеллы (самоорганизация структур из полимеров и препарата)

Известно, что амфифильные блок-сополимеры (то есть полимеры, содержащие одновременно и гидрофильные, и гидрофобные участки) в водных растворах могут самопроизвольно образовывать сложные сферические структуры, называемые мицеллами. Обычно такие полимерные мицеллы обладают гидрофобным ядром, окруженным гидрофильной оболочкой, поэтому основным направлением в использовании таких веществ для направленной доставки лекарств стало образование ядра из гидрофобных препаратов (например, доксорубицина, цисплатина, амфотерицина В), окруженного гидрофильным слоем, в результате чего в водной среде образуется достаточно устойчивая дисперсия.

Стабильность структуры полимерных мицелл предотвращает быстрое разложение вводимых веществ in vivo (в живом организме) и их выведение, то есть обеспечивает длительность воздействия препаратов. Очень удобно, что полимерные мицеллы имеют обычно размеры около 60 нм и отличаются узким распределением по величине, не говоря уже о том, что оболочка мицелла может быть химически модифицирована группами и веществами заданного типа (например, определенными антителами). Сочетание таких методик позволяет настолько точно вводить препараты в намеченные органы или ткани, что такой механизм иногда называют «адресной» доставкой. Исследование возможностей полимерных мицелл в указанных целях еще не достигло стадии практического использования, и многие разработки только готовая к клиническим испытаниям [103] .

16.1.1.3. Полимерные наночастицы (дисперсия или инкапсуляция лекарственных препаратов в полимерных структурах)

Этот класс фармакологических объектов основан на использовании коллоидных частиц из твердых полимеров, имеющих размеры от 50 до нескольких сотен нанометров. В зависимости от методов изготовления такие частицы могут быть разделены на два основных типа, получивших названия наносфер и нанокапсул соответственно. К первому типу относятся так называемые наносферы (матричные системы, в которых препарат распределяется достаточно однородно), ко второму – нанокапсулы, или «резурвуары», в которых препарат содержится в ядре частицы и окружен полимерными мембранами. Деление является достаточно простым и понятным, а выбор типа носителя определяется свойствами самого препарата. В качестве материала таких частиц обычно выбирается какой-либо из так называемых биоразрушаемых (биодеструктируемых) полимеров. На рис. 16.3 приведен типичный образец наносфер, изготовленных из сложного поли(орто) эфира, что позволяет даже регулировать «выделение» содержащихся в них препаратов изменением показателя pH среды. Полимерные наночастицы второго типа (нанокапсулы) применяются в тех случаях, когда требуется предотвратить разрушение переносимого частицей препарата ферментами или химическим воздействием организма. Естественно, этот тип частиц создает большие преимущества при доставке химически неустойчивых веществ и лекарственных препаратов (например, белков или нуклеиновых кислот) [104] .

Рис. 16.3. Изображение нано– и микросфер из сложного поли(орто)эфира, полученное на сканирующем электронном микроскопе. Указанный на рисунке масштаб соответствует 5 нм. Перепечатывается с разрешения авторов из статьи Chun Wang, Qing Ge, David Ting, David Nguyen, Hui-Rong Shen, Jianzhu Chen, Herman N. Eisen, Jorge Heller, Robert Langer and David Puthman «Molecularly engineered poly(orthoester) microspheres for enhanced delivery of DNA vaccines», Nature Materials 3 (2004): 190—196

Наночастицы описываемого типа давно испытывались для доставки препаратов самого разного типа (небольшие молекулы, белки, нуклеиновые кислоты) и при разных способах введения в организм (ингаляция, глотание, инъекция) и во многих случаях наглядно продемонстрировали свою эффективность. Например, в экспериментах доктора Эдит Матиович (университет Брауна) было показано, что с помощью полимерных наночастиц из смеси ангидридов (фумаровой и себациновой кислот) можно перорально вводить в организм инсулин, что представляет большой практический и теоретический интерес [105] .

16.1.1.4. Полиплексы (комплексы полимеров и нуклеиновых кислот, образуемые при взаимодействии с обменом зарядов)

Методы генотерапии принято делить на два класса. В первом из них используется плазмида ДНК, вводимой в клетки для экспрессии лечебных белков, а во втором (олигонуклеотидном) – небольшие интерферирующие РНК (siRNA) используются для подавления экспрессии генов, связанных с заболеванием. Во всех этих случаях существенным препятствием к применению генетических препаратов выступают клеточные мембраны тканей организма, естественной функцией которых является защита клеток от ввода любого постороннего генного материала. В настоящее время одним из наиболее перспективных методов «внедрения» в клетку лекарственных препаратов, содержащих нуклеиновые кислоты, стало создание химических комплексов этих кислот с другими веществами, способными «обманывать» защитные механизмы клетки.

В частности, такими комплексами являются комплексы (образуемые положительно заряженными полимерами и отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами при сложных взаимодействиях, обусловленных обменом зарядов), получивших название полиплексов (polyplexes). Размеры таких наночастиц (один из типов которых представлен на рис. 16.4) составляют обычно от 40 до 200 нм. Одним из важнейших направлений олигонуклеотидной терапии сейчас является использование интерференции РНК (RNAi), вследствие чего в настоящее время многие исследователи занимаются активной разработкой материалов для направленной доставки интерферирующих РНК (siRNA) внутри организма.

Рис. 16.4. Образованные поликатионами циклодекстрина полиплексы, синтезированные группой Дэвиса в Калифорнийском технологическом институте [106] . Эти вещества перспективны в качестве носителей при генотерапии в программе Insert Therapeutics. Указанный на рисунке масштаб соответствует 100 нм. Перепечатывается с разрешения авторов из статьи S. J. Hwang, N. C. Bellocq and M. E. Davis «Effects of Structure of beta-cyclodextrin-containing Polymers on Gene Delivery», Bioconjugate Chemistry 12(2) (2001): 280—290

16.1.1.5. Липосомы

Липосомы представляют собой наноразмерные частицы (от 25 до нескольких сот нанометров) из фосфолипидов и холестеролов, вследствие чего их иногда называют «жировыми пузырьками». Обычно они содержат двухслойные липидные структуры, в которых легко могут быть инкапсулированы лекарственные препараты, что делает липосомы очень удобным материалом для создания объектов, обеспечивающих направленную доставку лекарств в организме. В зависимости от состава, размеров и способов получения липосомы могут принимать очень разные формы, что также представляет ценность для описываемых нами методик. Например, насыщенные фосфолипиды с длинными гиброфобными молекулярными цепочками обычно образуют жесткие и плотные двухслойные структуры, в то время как слоистые структуры из ненасыщенных фосфатидил-холиновых липидов являются рыхлыми и неустойчивыми. Такие различия, естественно, могут и должны учитываться при создании разных форм лекарственных препаратов.

Возможности липосом в качестве носителей при направленной доставке активно и очень успешно изучались в последние годы, в результате чего некоторые препараты на их основе уже выпускаются коммерчески, а другие – проходят клинические испытания. В качестве показательного примера стоит упомянуть препарат AmBisome, представляющий собой амфотерицин В на липидном носителе, что обеспечивает необходимый механизм его доставки и распределения в организме. Препарат производится фирмами Fujisawa Healthcare Inc. и Gilead Science и является эффективным средством лечения ВИЧ-инфицированных пациентов, страдающих тяжелыми формами менингита. В 2003 году объем продаж AmBisome составил около 200 миллионов долларов (рост объема на 7 % по сравнению с предыдущим годом). Другим известным лекарством этого типа является препарат Doxil, разрешение на выпуск которого фирма Alza получила еще в 1999 году. Он применяется при лечении рака яичника и пока остается единственным липосомным цитотоксическим веществом, разрешенным к применению при лечении некоторых форм рака. В 2000 году объем продаж препарата Doxil составил 80 миллионов долларов.