биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц

[20 мая, 2008 г.]

Стоит сразу оговорить, что в данной статье речь пойдет не о каких-то чудодейственных средствах, которые активно предлагаются с прилавков магазинов или на различных сомнительных веб-сайтах (часто слово «нано» и «стволовые клетки» употребляют в таком случае в одном контексте — видимо, чтоб уж наверняка). Здесь мы кратко обсудим существующие и наиболее перспективные варианты молекулярных конструкций (или далее — наночастиц), которые уже используются или будут активно применяться в будущем для прямой доставки биологически активных молекул через кожу.

Введение

Для того чтобы преодолеть роговой слой кожи (лат. — stratum corneum), являющийся основой барьерной функции покровов тела, на практике используются методы физического и химического воздействия. В тоже время наука не стоит на месте, и в лабораториях по всему миру ученые активно разрабатывают новые и высокоэффективные подходы в трансдермальной доставке, которые настолько обнадеживают, что складывается впечатление, будто в ближайшем будущем практически любое потенциально активное соединение — гидрофильное или гидрофобное, низкомолекулярное или полимерное (в том числе, белки и молекулы нуклеиновых кислот), — не составит труда доставить точно по адресу. Именно эти достижения и хотелось бы вынести из лабораторных кулуаров на всеобщее обозрение. И так, речь пойдет о нанотехнологиях и их применении в медицине (наномедицине). В России это слово, в свете последних государственных инициатив, наверняка знакомо даже школьнику, и практически стало именем нарицательным. Поэтому читателям, как мне кажется, будет небезынтересно познакомиться поближе с этой областью в уже упомянутом контексте.

Барьерные свойства рогового слоя


Кожа является естественным барьером на пути инородных молекул и частиц, стремящихся попасть в организм. Само ее строение таково, что препятствует проникновению крупных гидрофильных молекул, а также воды — что предотвращает обезвоживание организма, позволяя, тем не менее, коже «дышать». Основной «линией обороны» является самый верхний и тонкий слой кожи — роговой слой (stratum corneum).

Роговой слой состоит из корнеоцитов — мертвых клеток, заполненных фибриллярным белком кератином и образующих роговые «чешуйки» толщиной 0.2–0.4 μм и ≈40 μм в диаметре. Корнеоциты соединены между собой корнеодесмосомами, связывающими клетки в прочную сеть. Непроницаемым роговой слой делает липидный матрикс, в который «погружены» корнеоциты; он состоит в основном из церамидов, холестерина и жирных кислот, образующих систему мультиламеллярных бислоев. Ниже находится слой живых эпидермальных клеток и слой дермы, пронизанной капиллярами, способными «разнести» проникшее через барьер вещество по всему организму.

Стрелками на рисунке показаны возможные пути проникновения веществ через кожу — как с помощью пассивного переноса, так и под действием физических и химических факторов. А. «Извилистый» путь трансдермальной диффузии может быть облегчен с помощью химических энхансеров — веществ, сравнительно легко преодолевающих липидный барьер и «увлекающих» за собой молекулы доставляемого лекарства. Б. Низковольтный ионофорез облегчает проникновение веществ трансфолликулярным путем — через волосяные фолликулы и протоки потовых желез. В. Высоковольтная электропорация временно дестабилизирует липидные бислои, «приоткрывая» дверь доставляемому веществу. Сонофорез (ультразвук) дополнительно может увеличить эффективность путей переноса А и В. Г. Микроиглы и термопорация создают в коже отверстия микронного размера, через которые может осуществляться транспорт. Из-за малости отверстий, эти процедуры безболезненны, а сами отверстия очень быстро затягиваются. — А. Ч. [20].

Наночастицы как они есть

«Нано» (греч. — миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 1÷1000 нм (10−9 м), что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение «наночастицы», вообще-то, попадают практически любые супрамолекулярные комплексы. Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами обычно подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции. Их можно условно разделить на несколько классов (рис. 1).

Рисунок 1. Наночастицы, используемые в доставке терапевтических молекул. 1 — липосома и аденовирус; 2 — полимерная наноструктура; 3 — дендример; 4 — углеродная нанотрубка.

Биологические и биогенные наночастицы. Биологический мир буквально наполнен наночастицами — это ферменты (белки с каталитической активностью), молекулы ДНК и РНК, рибосомы, клеточные везикулы, вирусы и пр. Отличительной особенностью таких объектов является их способность к агрегации и самоорганизации. Это свойство активно используется при создании искусственных конструкций, имитирующих реальные биологические структуры. Яркий пример представляют собой различные однокомпонентные и мультикомпонентные липосомы, которые способны при определенных условиях формироваться из раствора смеси липидов. Часто на практике используют и уже существующие в природе биологические наночастицы. Например, различные вирусы активно применяют для генной модификации (трансфекции) клеток. Показано, что аденовирусы с подавленной системой репликации могут быть эффективно использованы и для местной неинвазивной вакцинации через кожу (доставке антигенов к клеткам Лангерганса, присутствующим в коже) [1]. К искусственным биогенным наночастицам, предназначенным для направленной доставки, помимо липосом обычно также относят липидные нанотрубки [2], липидные наночастицы и наноэмульсии, циклические пептиды [3], хитозаны, наночастицы на основе нуклеиновых кислот [4].

Полимерные наночастицы. Полимерные материалы обладают рядом преимуществ, определяющих эффективность их применения в технологиях доставки, — биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость. Типичными соединениями, которые представляют основу для создания полимерных наночастиц, являются полимолочная и полигликолевая кислоты, полиэтиленгликоль (ПЭГ), поликапралактон и др., а также их различные сополимеры. ПЭГ часто используют для повышения стабильности различных молекулярных переносчиков. Например, липосомы, покрытые ПЭГ («стелс-липосомы»), по сравнению с обычными, менее подвержены биодеградации, в результате чего обладают заметным пролонгированным действием [5].

Дендримеры. Дендримеры являются уникальным классом полимеров с сильно разветвлённой структурой. При этом их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе [6]. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательные конвергентную и дивергентную полимеризации (в том числе используя методы пептидного синтеза). Типичными «мономерами», используемыми в синтезе дендримеров, являются полиамидоамин (ПАМАМ) и аминокислота лизин. «Целевые» молекулы связываются с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверхностью, либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями. Контролируемые размеры и свойства поверхности, а также стабильность дендримеров делают их весьма перспективными для использования в качестве переносчиков. На животных моделях показана эффективность их применения для трансдермальной доставки ряда препаратов [7].

Углеродные наночастицы. Нанотрубки и фуллерены являются одними из самых «узнаваемых» наноструктур — практически ни один популярный текст про нанотехнологии не обходится без их изображений. За открытие этой новой формы существования углерода Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Эти структуры, образованные только атомами углерода, могут быть получены при помощи вольтовой дуги, лазерной абляцией (выжиганием), химическим осаждением из газовой фазы, а также в процессе горения. Сегодня в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа при пониженном давлении в присутствии катализатора. Нанотрубки обладают повышенным сродством к липидным структурам; при этом они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами [8, 9], и даже инкапсулировать эти молекулы [10, 11]. Это определяет их применение в области создания эффективных систем доставки вакцин и генетического материала [12].

Неорганические наночастицы. К этому классу обычно относят наноструктуры, полученные на основании оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). При этом часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность (и в частности, высвобождение терапевтического агента) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля [12]. При этом показано, что металлические наночастицы могут эффективно проникать вглубь эпидермиса [13].

Не только доставка

Использование описанных выше наночастиц в медицине позволит не только эффективно доставлять биологически активные молекулы сквозь различные барьеры организма, которые они не способны преодолевать самостоятельно (кожный, гематоэнцефалический), но и существенно изменять характер действия препарата. Например, трансдермальная доставка, по сравнению с доставкой через кровяное русло, позволяет избежать нежелательных побочных эффектов, снизить эффективную дозу препарата за счет существенного повышения его локальной концентрации. Кроме того, было показано, что у терапевтических молекул, доставляемых в организм с помощью наночастиц, меняется фармакокинетика. Если для препаратов, попадающих в организм перорально или в результате инъекции, увеличение концентрации во времени описывается характерной кинетической кривой первого порядка (концентрация экспоненциально увеличивается во времени), то в случае использования наночастиц наблюдается идеальная временная зависимость нулевого порядка (равномерное увеличение концентрации препарата во времени) [12]. Это позволяет более точно планировать дозировки препарата и пролонгировать его действие.

Наномедицина или нанокосметика?

Упомянутые методики доставки на основе наночастиц, а также общий уровень развития современной молекулярной биологии, биотехнологии и фармакологии, существенно модифицируют представления о возможностях кожной терапии. С одной стороны, это обеспечивает заметный прогресс в области медицины (в частности, дерматологии), с другой — позволяет косметическим препаратам выйти на качественно новый уровень. Действительно, от нанокосметики будущего стоит ожидать, что в основе её действия будет лежать не маскировка нежелательных эффектов, как зачастую это происходит на сегодняшний момент, а устранение их биологической причины. Но как же в таком случае разграничить сферы косметики и медицины? Возможно, что такие границы и вовсе исчезнут в будущем, пока же отметим возможные точки их соприкосновения.

Рисунок 2. Проникновение наночастиц (40 нм) внутрь волосяного фолликула. На рисунке представлены изображения, полученные с помощью флуоресцентной (чёрно-белое) и лазерной сканирующей (черно-зеленое) микроскопии, а также схематически показан волосяной фолликул. Красный цвет соответствует флуоресцентному сигналу, регистрируемому от наночастиц. В работе использованы препараты человеческой кожи, полученные от пациентов из отделения пластической хирургии. Рисунок адаптирован из [16].

Обойдемся без шприцов

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали привычными для современного человека. Однако сама методика практически не изменилась за последнее столетие. Впрочем, скоро пациентам можно будет по праву цитировать известный стишок С. В. Михалкова: «Я прививки не боюсь». На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через stratum corneum к клеткам Лангерганса. Эффективность таких конструкций показана в лабораторных исследованиях, однако детальные механизмы до сих пор остаются неизвестными. Тем не менее, экспериментально установленные ограничения в размерах эффективных переносчиков позволяют предположить, что проникновение во внутренние слои кожи осуществляется через липидные каналы между корнеоцитами [15]. Также было показано, что использование малых наночастиц (всего 40 нм) позволяет доставлять антигены непосредственно через волосяные фолликулы [16] (рис. 2). Использование такого пути доставки является крайне перспективным, поскольку в области фолликулов находится не только скопление дендритных клеток, но также обнаружены и стволовые клетки. Это обеспечивает возможность не только кожной иммунизации, но также и направленной дерматотерапии, включающей стимуляцию клеточной пролиферации [17].

«ДНК-косметика» — это реально?

Способность влиять на генную экспрессию клеток кожи, а также доставлять разные «полезные» гены — весьма заманчивая идея, причем настолько, что современные косметические производители нередко занимаются ее воплощением... правда, пока только на словах. Тем не менее, существуют и реальные подвижки в этой области. Хотя вопрос «что доставлять» остается открытым, и потребуется еще немалое время для его решения, вопрос «как доставлять» уже имеет конкретные ответы. Например, сочетание подходов физического (радиочастотного) воздействия и использования наночастиц позволяет проводить эффективную эпидермальную доставку ДНК-плазмид (кольцевых молекул ДНК, способных вызывать экспрессию, находящихся в них генов в клетках-мишенях) [18]. При этом исследователям удалось не только доставить молекулы ДНК, но и наблюдать их экспрессию в клетках кожи (рис. 3).

Рисунок 3. Доставка генетического материала (ДНК-плазмид) в клетки кожи. ДНК-плазмиды содержат ген β-галактозидазы (фермента-репортера, экспрессию которого можно выявить с помощью специфического окрашивания по субстрату). Синий цвет соответствует области, в которой наблюдается экспрессия целевой плазмиды. Показаны микроскопические изображения среза (слева) и поверхности кожи (справа). В работе использованы препараты человеческой кожи, культивируемой ex vivo. В качестве системы доставки использованы частицы 100 нм, содержащие ДНК-плазмиды. Их проникновение в кожу потенциировано радиочастотным воздействием с помощью прибора ViaDerm™. Рисунок адаптирован из [18].

Заключение

Несмотря на многообещающие результаты исследований, упомянутых в этом кратком обзоре, необходимо отметить, что большинство из них посвящено лишь экспериментам на лабораторных животных или даже модельных системах. Тем не менее, учитывая повышенный интерес к описанным технологиям со стороны фармацевтики и косметологии, достаточно скоро станет вполне возможно говорить о нанокосметике и кожной наномедицине не в отдалённой перспективе, а всерьез.

Первоначально статья опубликована в журнале «Косметика и Медицина» № 2 за 2008 г. [19].

Литература


  1. Bramson J., Dayball K., Evelegh K., Wan Y.H., Page D., Smith A. (2003). Enabling topical immunization via microporation: a novel method for pain-free and needle-free delivery of adenovirus-based vaccines. Gene Ther. 10, 251–260 (в интернете);
  2. Cans A.-S., Wittenberg N., Karlsson R., Sombers L., Karlsson M., Orwar O. et al. (2003). Artificial cells: unique insights into exocytosis using liposomes and lipid nanotubes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 400–404 (в интернете);
  3. Djalali R., Samson J., Matsui H. (2004). Doughnut-shaped peptide nanoassemblies and their applications as nanoreactors. J. Am. Chem. Soc. 126, 7935–7939 (в интернете);
  4. Niemeyer C.M. (2001). Semi-synthetic nucleic acid-protein conjugates: applications in life sciences and nanobiotechnology. J. Biotechnol. 82, 47–66 (в интернете);
  5. Moghimi S.M., Szebeni J. (2003). Stealth liposomes and long circulation nanoparticles: critical issues in pharmacokinetics, opsonization and protein-binding properties. Prog. Lipid. Res. 42, 463–478 (в интернете);
  6. Yang H., Kao W.J. (2006). Dendrimers for pharmaceutical and biomedical applications. J. Biomater. Sci. Polymer 17, 3–19 (в интернете);
  7. Gupta U., Agashe H.B., Asthana A., Jain N.K. (2006). A review of in vitroin vivo investigations on dendrimers: the novel nanoscopic drug carriers. Nanomedicine 2, 66–73 (в интернете);
  8. Shi Kam N.W., Jessop T.C., Wender P.A., Dai H. (2004). Nanotube molecular transporters: internalization of carbon nanotube-protein conjugates into mammalian cells. J. Am. Chem. Soc. 126, 6850–6851 (в интернете);
  9. Choi J.H., Nguyen F.T., Barone P.W., Heller D.A., Moll A.E., Patel D., Boppart S.A., Strano M.S. (2007). Multimodal biomedical imaging with asymmetric single-walled carbon nanotube/iron oxide nanoparticle complexes. Nano Lett. 7, 861–867 (в интернете);
  10. Trzaskowski В., Jalbout A.F, Adamowicz L. (2006). Molecular dynamics studies of protein-fragment models encapsulated into carbon nanotubes. Chem. Phys. Lett. 430, 97–100 (в интернете);
  11. Cui D., Ozkan C.S., Ravindran S., Kong Y., Gao H. (2004). Encapsulation of pt-labelled DNA molecules inside carbon nanotubes. Mech. Chem. Biosyst. 1, 113–121 (в интернете);
  12. Hughes G.A. (2005). Nanostructure-mediated drug delivery. Nanomedicine 1, 22–30 (в интернете);
  13. Baroli B., Ennas M.G., Loffredo F., Isola M., Pinna R., López-Quintela M.A. (2007). Penetration of metallic nanoparticles in human full-thickness skin. J. Invest. Dermatol. 127, 1701–1712 (в интернете);
  14. биомолекула (Эрнандес E.): «Косметика и генетика: что общего?»;
  15. Lawson L.B, Freytag L.C., Clements J.D. (2007). Use of nanocarriers for transdermal vaccine delivery. Clin. Pharmacol. Ther. 82, 641–643 (в интернете);
  16. Vogt A., Combadiere B., Hadam S., Stieler K.M., Lademann J., Schaefer H., Autran B., Sterry W., Blume-Peytavi U. (2006). 40 nm, but not 750 or 1 500 nm, nanoparticles enter epidermal CD1a+ cells after transcutaneous application on human skin. J. Invest. Dermatol. 126, 1316–1322 (в интернете);
  17. Lademann J., Richter H., Teichmann A., Otberg N., Blume-Peytavi U., Luengo J., Weiss B., Schaefer U.F., Lehr C.M., Wepf R., Sterry W. (2007). Nanoparticles — an efficient carrier for drug delivery into the hair follicles. Eur. J. Pharm. Biopharm. 66, 159–164 (в интернете);
  18. Birchall J., Coulman S., Anstey A., Gateley C., Sweetland H., Gershonowitz A., Neville L., Levin G. (2006). Cutaneous gene expression of plasmid DNA in excised human skin following delivery via microchannels created by radio frequency ablation. Int. J. Pharm. 312, 15–23 (в интернете);
  19. Полянский А. А. (2008). Через кожу? — Нет проблем! Несколько слов о косметике будущего. Косметика и медицина 2 (2008), 20–24;
  20. Чугунов А. О. (2008). Доставка лекарств через кожу: обзор современных и будущих подходов. Косметика и медицина 2 (2008), 72–79.

Автор: Полянский Антон.

Число просмотров: 3836.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Медицина»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц

Людмила Белик — 30 сентября, 2010 г. 11:00. (ссылка)

Когда я писала свой первый комментарий , я еще не читала "научное" Заключение РАН по фильтрам ненавистного ей изобретателя Петрика , победителя в ноябре 2009 года на конкурсе Фильтрация воды для города Москвы . Тогда же - сразу на изобретатели напади скопом академики и научные журналисты - НЕ ПРОВЕРЯВШИЕ фильтрацию , образцово комунистически - "Опозорить " ( хотя была дана команда шифрованно "РАЗОБРАТЬСЯ !" ).
А когда у нападающих вполне резонно попросили дать Научное Заключение РАН о качестве фильтрации воды для Москвы - его не оказалось - НЕ ПРОВЕРЯЛИ как положено .
И лишь в конце апреля 2010 года (через 5 месяцев !) на сайте РАН (почти не посещаемом никем) появилось ненадолго "Заклчения РАН по фильтрам Петрика" , хотя научно и социально оно обязано было появиться везде , откуда "РАЗБИРАЛИСЬ" .
Стыдно за страну за это Заключение не по сути : и изобретатель не ученый , и все егол патенты - как продолжение его прежних изобретений - патентоведение основано именно на этом , и дафнии когда-то сдохли , едва глотнув воды после фильтрации . Но самое главное и стыдное для РАН последнее обвинение изобретателя в применении НАНО в его фильтрах - когда есть сведения , что НАНО СОЗДАЁТ РАК !!!!
Заключение подписали академики и его УТВЕРДИЛ 24 апреля 2010 года сам Президиум РАН .
Словом , стыдно академики поверили в своё всемогущество , выставив пасквиль , а не научное заключение .
А надо было пригласить несколько независимых лабораторий для проверки качества фильтрации фильтрами Петрика и фильтрами РАН . Судебно ответственные за фальсификацию лаборанты которые должны были взять пробы воды до фильтрации и воды после фильтрации и отправить
их под номерами в другие независимые лаборатории для подробнейшего анализа . Анализы обязаны были подписать судебно ответственные лаборанты и зав. лаб ы .
НЕТ Анализов фильтрации , как нет и Протокола гибели несчастных дафнгий - любителей застоявшейся воды .
Но в чем фишка ? Ровно через месяц на общем собрании РАН с несмитным числом академиков была единогласно утверждена Программа развития нано-биотехнологий - без единого желания ПРОВЕРИТЬ опасность возникновения рака . А ноно-биоштучки для каждого из вас - это много не то , что испить водички , осветленной фильтрацией с применения нано . В тысячу раз страшнее и опасней . Судить надо это Общее собрание , да академики неподсудны за дефекты их ума .

(ответить)

Re: Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц

Людмила Белик — 29 июля, 2010 г. 16:31. (ссылка)

Россию вынудили заниматься новой наукой академики РАН , сделав большую ставку на на нано-био БЕЗ МАЛЕЙШЕГО ПРЕДСТВАЛЕНИЯ о всех последствиях для человека-пользователя . В самом начале бума , в который направили мощь страны - жесткого администратора Анатолия Чубайса и и физика академика Евгения Велихова , уверенно начавших рулить в нано-бионауку .
Мои попытки упросить их ВЫЯВИТЬ 14 крупных ошибок первых нанотехнологов из США "видные люди" предпочли не проверять , вероятно получив скоропалительную - мгновенную диагностику - у пишущей "шизо" - почти как срочно поступили владельцы сайта "Биомолекула" и я виню себя за ненастойчивость .
Прошло пару лет и нанотехнологи сумели сфотографировать нано извлеченное - оно СИЯЕТ жуткой драмой раненого атома .
Не выдирают атомы нанотехнологи - не нарушив жуткую герметичность - позволив атомам сиять так жутко опасно - так поражая целостность живого .
Пишу "КАК ЕСТЬ" - для всех вас , ибо среди ведущих ученых нет ни единого видящего энергопостроение всего . Надо хоть кому-то из настоящих экстрасенсов идти в науку и расти до ведущего в науке . Но не случилось . И вот бросили народ на нано-абмброзуру и от программы - волосы дыбом . "Чем больше нано - тем короче жизнь - СУЩЕСТВЕННО КОРОЧЕ" .
Как можно проверить мои "КАК ЕСТЬ" ? Проверить сколько рентген набрали еще совсем почти новое нано-оборудование в нано- лабораториях . Оно уже опасно .
Ломают мой компьютер и почту , чтобы не писала не зря . БОЯТСЯ , что все узнают куда они втянули российскую науку .

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.