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.

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).

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.

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).

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. J Bramson, K Dayball, C Evelegh, Y H Wan, D Page, A Smith. (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;
2. A.-S. Cans, N. Wittenberg, R. Karlsson, L. Sombers, M. Karlsson, et. al.. (2003). Artificial cells: Unique insights into exocytosis using liposomes and lipid nanotubes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100, 400-404;
3. Ramin Djalali, Jacopo Samson, Hiroshi Matsui. (2004). Doughnut-Shaped Peptide Nano-Assemblies and Their Applications as Nanoreactors. J. Am. Chem. Soc.. 126, 7935-7939;
4. Christof M Niemeyer. (2001). Semi-synthetic nucleic acid–protein conjugates: applications in life sciences and nanobiotechnology. Reviews in Molecular Biotechnology. 82, 47-66;
5. S.M. Moghimi, J. Szebeni. (2003). Stealth liposomes and long circulating nanoparticles: critical issues in pharmacokinetics, opsonization and protein-binding properties. Progress in Lipid Research. 42, 463-478;
6. Hu Yang, Weiyuan John Kao. (2006). Dendrimers for pharmaceutical and biomedical applications. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 17, 3-19;
7. Umesh Gupta, Hrushikesh Bharat Agashe, Abhay Asthana, Narendra K. Jain. (2006). A review of in vitro–in vivo investigations on dendrimers: the novel nanoscopic drug carriers. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2, 66-73;
8. Nadine Wong Shi Kam, Theodore C. Jessop, Paul A. Wender, Hongjie Dai. (2004). Nanotube Molecular Transporters:  Internalization of Carbon Nanotube−Protein Conjugates into Mammalian Cells. J. Am. Chem. Soc.. 126, 6850-6851;
9. Jong Hyun Choi, Freddy T. Nguyen, Paul W. Barone, Daniel A. Heller, Anthonie E. Moll, et. al.. (2007). Multimodal Biomedical Imaging with Asymmetric Single-Walled Carbon Nanotube/Iron Oxide Nanoparticle Complexes. Nano Lett.. 7, 861-867;
10. Bartosz Trzaskowski, Abraham F. Jalbout, Ludwik Adamowicz. (2006). Molecular dynamics studies of protein-fragment models encapsulated into carbon nanotubes. Chemical Physics Letters. 430, 97-100;
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;
12. Gareth A. Hughes. (2005). Nanostructure-mediated drug delivery. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 1, 22-30;
13. Biancamaria Baroli, Maria Grazia Ennas, Felice Loffredo, Michela Isola, Raimondo Pinna, M. Arturo López-Quintela. (2007). Penetration of Metallic Nanoparticles in Human Full-Thickness Skin. Journal of Investigative Dermatology. 127, 1701-1712;
14. Косметика и генетика: что общего?;
15. L B Lawson, L C Freytag, J D Clements. (2007). Use of Nanocarriers for Transdermal Vaccine Delivery. Clin Pharmacol Ther. 82, 641-643;
16. Annika Vogt, Behazine Combadiere, Sabrina Hadam, Karola M. Stieler, Juergen Lademann, et. al.. (2006). 40nm, but not 750 or 1,500nm, Nanoparticles Enter Epidermal CD1a+ Cells after Transcutaneous Application on Human Skin. Journal of Investigative Dermatology. 126, 1316-1322;
17. Juergen Lademann, Heike Richter, Alexa Teichmann, Nina Otberg, Ulrike Blume-Peytavi, et. al.. (2007). Nanoparticles – An efficient carrier for drug delivery into the hair follicles. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 66, 159-164;
18. James Birchall, Sion Coulman, Alexander Anstey, Chris Gateley, Helen Sweetland, et. al.. (2006). Cutaneous gene expression of plasmid DNA in excised human skin following delivery via microchannels created by radio frequency ablation. International Journal of Pharmaceutics. 312, 15-23;
19. Полянский А.А. (2008). Через кожу? — Нет проблем! Несколько слов о косметике будущего. «Косметика и медицина». 2, 20–24;
20. Чугунов А.О. (2008). Доставка лекарств через кожу: обзор современных и будущих подходов. «Косметика и медицина». 2, 72–79.