Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

16.1.1.6. Неорганические и металлические наночастицы

За прошлые годы было синтезировано множество новых типов неорганических и металлических наночастиц, некоторые из них уже выпускаются промышленностью. Естественно, многие исследователи заинтересовались возможностью использования таких частиц в качестве подложек или носителей (как говорят биологи, векторов) различных лекарственных препаратов. Эта новая концепция наномедицины сейчас находится в стадии становления и лабораторного исследования. В частности, особое внимание привлекают молекулы C60 в виде «футбольного мяча», известные под названием фуллеренов [107] . Стоит также упомянуть попытки использования в качестве носителей хемотерапевтических препаратов магнитных наночастиц, движением которых в организме (по крайней мере, в принципе) можно управлять посредством внешнего магнитного поля.

В самое последнее время стали изучаться возможности применения для указанных целей специальным образом сформированных наночастиц неметаллической природы. Например, возглавляемая доктором Наоми Халас (университет Райса) группа предложила новый тип частиц (которые образно можно назвать наноснарядами), представляющими собой ядро из диэлектрической окиси кремния, покрытое сверхтонким слоем золота [108] . После введения в злокачественную опухоль такие наноснаряды могут быть термически активированы (за счет поглощения излучения в ближнем инфракрасном диапазоне излучения), создавая требуемый для лечения температурный режим.

16.1.2. Имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов

Имплантация устройств доставки лекарственных препаратов является очень перспективным направлением медицины, так как она в сложных условиях часто позволяет не только гарантировать введение требуемых лекарств в конкретном органе или месте, но и обеспечить заданный режим и количество выделяемого препарата. Наиболее простым вариантом является имплантация в нужном месте полимерной матрицы, содержащей необходимые вещества, которые постепенно с некоторой скоростью выделяются в окружающие ткани организма. В качестве уже известных примеров можно привести имплантируемые препараты типа Norplant (противозачаточное средство фирмы Wyeth Laboratories), Gliadel (хемотерапевтическое средство фирмы Guilford Pharmaceuticals, используемое при раковых поражениях мозга) и Viadur (гормональный препарат фирмы Bayer, применяемый при лечении рака простаты). Объем продаж препарата Gliadel составил около 20 миллионов долларов в 2003 году (увеличение на 32 % по сравнению с предыдущим годом), а Viadur – около 150 миллионов долларов.

С учетом общих тенденций специалисты предсказывают, что к 2012 году товарооборот рынка имплантируемых средств направленной доставки лекарств может превысить 2 миллиарда долларов, причем основной рост производства связывается с двумя описанными ниже направлениями развития нанотехнологий (нанопористые мембраны и биочипы).

16.1.2.1. Нанопористые мембраны

В качестве носителей иногда используются мембранные устройства (типа показанного на рис. 16.5) с оболочкой, поры которой имеют строго заданный размер (диаметром несколько десятков нанометров), что позволяет вводить в организм по заданной программе необходимое количество препаратов (в виде малых молекул, пептидов, белков и т. п.). Возможности применения таких структур очень велики и разнообразны, например, в настоящее время разрабатывается устройство, содержащее панкреатические «островные» клетки, вырабатывающие инсулин. Однородность и точность размеров пор позволяет регулировать скорость выделения таких клеток через мембрану. Размеры пор устройства подобраны таким образом, что питательные вещества для клеток и выработки инсулина свободно поступают из организма внутрь структуры, в то время как белки и клетки иммунной системы организма почти не могут проникать внутрь биокапсул и воздействовать на чужеродные клетки, вырабатывающие инсулин.

Рис. 16.5. Имплантируемое мембранное устройство с наноразмерными порами, предлагаемое для организации регулируемого обмена веществ в организме [109] . Рисунок воспроизводится с разрешения авторов из статьи S. I. Tao and T. F. Desai «Microfabricated drug delivery systems: From particles to pores», Advanced Drug Delivery Reviews 55 (2003): 315—328

16.1.2.2. Биочипы

К сожалению, даже имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов на полимерной основе не могут гарантировать абсолютной точности дозируемого ввода препаратов, и в них могут происходить ошибки и разрушения структур, результатом чего становится «взрывное» выделение препаратов. Еще одним недостатком имплантируемых полимерных структур является то, что после имплантации врачи теряют возможность регулировать их поведение, то есть как-то изменять исходную схему лечения. Этих недостатков лишено следующее поколение имплантируемых устройств доставки, а именно так называемые биологические чипы, представляющие собой наноразмерные искусственные устройства (рис. 16.6). Обычно они изготавливаются из кремния и содержат большое количество крошечных резервуаров (микроконтейнеров) с тщательно контролируемым объемом (около нескольких сот нанолитров), заполненных необходимым препаратом. Резервуары покрываются тонкой металлической (обычно золотой) пленкой и соединяются тончайшими проводами с управляющим устройством на поверхности чипа, как показано на рисунке [110] . Проволочки настолько тонки, что при подаче электрического сигнала расплавляются вместе с фольгой, в результате содержимое резервуара, то есть заданное количество препарата выделяется в окружающие ткани организма. Вследствие своих крошечных размеров такие биочипы могут быть легко имплантированы практически в любой орган или ткань организма, включая кожу, нервные волокна или даже головной мозг. Электронное управление чипом осуществляется извне по радиосигналам, воспринимаемым встроенной антенной и приводящим, как было описано выше, к плавлению металлической фольги и выделению препарата. Эта технология была разработана фирмой MicroCHIPS Inc., играющей ведущую роль в производстве биочипов. В настоящее время устройство описанного типа проходит клинические испытания на животных, и эти испытания уже доказали высокую биологическую совместимость чипа с живыми тканями и отсутствие побочных эффектов. Специалисты уверены, что новая методика может стать исключительно ценным средством тщательно контролируемого ввода лекарственных препаратов.

Рис. 16.6. Схематическое изображение биочипа (а) и отдельного микроконтейнера (б). Рисунок воспроизводится с разрешения авторов из статьи J. T. Santini, M. J. Cima and R. Langer «A controlled-release microchip», Nature 397, № 6717 (Jan.28, 1999): 335—338

16.1.3. Трансдермальное введение лекарственных препаратов

Еще в 1979 году в США был разрешен выпуск пластырей (аппликаторов, накладок), обеспечивающих постепенный ввод лекарственных препаратов через кожу пациента. Затем эта методика получило достаточно широкое распространение, и в настоящее время объем рынка трансдермальных пластырей (аппликаторов) составляет более 3 миллиардов долларов в год [111] . Популярность метода легко объясняется его простотой, удобством и тем фактом, что вводимые вещества не подвергаются так называемому «первичному» метаболизму в почках и сохраняют свои биологические особенности. Еще одним преимуществом такой методики является то, что она позволяет поддерживать устойчивый уровень содержания препарата в плазме крови гораздо эффективнее, чем инъекции и т. д.

Существенным ограничением методов трансдермальной доставки лекарств в организме выступает тот факт, что кожный покров человека является очень эффективным «барьером» против проникновения большинства молекул и веществ. С одной стороны, кожные поры не пропускают большие молекулы из-за их размеров, а с другой – поверхностный слой кожи содержит много липидов, препятствующих проникновению в организм любых водорастворимых молекул. Таким образом, особенности человеческой кожи не позволяют применять методику для обширных классов лекарственных препаратов (например, содержащих небольшие гидрофильные молекулы, пептиды, белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), в результате чего применение лечебных накладок длительное время оставалось весьма ограниченным по ассортименту самих препаратов. В частности, выпускаемые пластыри содержали никотин (при подавлении стремления к курению), скополамин (при лечении расстройств двигательного аппарата и т. п.) и заменители некоторых гормональных средств.

Проницаемость кожного покрова для макромолекул и гидрофильных соединений (а следовательно и эффективность описываемого метода) может быть значительно повышена за счет создания микроскопических пор в кожном слое. Сложность состояла в том, что микроотверстия должны быть достаточно большими для пропускания макромолекул препарата, но настолько малыми, чтобы не вызывать болезненных ощущений у пациента. Раньше такая задача казалась неразрешимой, однако современные технологии (в частности, разработанные в электронике) позволяют создать массивы микроскопических иголок требуемого размера.