http://phct-biotechnology.ru
Оглавление

Работа курьером, район — организм

  • 938
  • 2,5
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
Способ доставки лекарств против болезней лёгких — аэрозоль с магнитными наночастицами. Картинка из [1].
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Как сделать так, чтобы лекарство действовало точно по назначению и хорошо усваивалось? Обзор нескольких способов, которые через пару десятков лет вполне могут появиться в клиниках. На полноту, разумеется, не претендует, однако рассказывает о наночастицах, липосомах, сонопорации с микропузырьками газов, клеточных контейнерах и трансформированных органоидах растений.

Разработка лекарств* направлена на то, чтобы они действовали не на всё сразу, а били точно в цель. Это, конечно, идеал. Большинство активных веществ таблеток, мазей и всего прочего может взаимодействовать не только с зараженными органами и тканями, но еще с десятком типов здоровых клеток, оказавшихся поблизости или связанных с пострадавшими общими кровеносными сосудами. Отсюда возникают побочные действия, а эффективность самого лекарства снижается, потому что оно частично «тратится впустую».

* — В несколько бóльших деталях, чем приводится в этой статье, с принципами рационального дизайна лекарств можно ознакомиться в статье «Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства» [2]. — Ред.

Здесь на помощь приходят новые технологии, помогающие сузить область возможного действия лекарства и доставить его точно до той клетки, которой оно необходимо. Какие методики станут доступны уже в обозримом будущем?

Наночастицы и магнит спасут от смерти

В мире самых маленьких все по-другому. Если золото предстанет не в форме красивого колечка, а в виде частиц диаметром в миллионы раз меньшим, оно покажется нам темно-красным или даже черным. Наночастицы нынче так широко используют именно потому, что они ведут себя не так, как большие объекты вроде капсулы для проглатывания. По отношению к их объему площадь у наночастиц просто гигантская, а значит, они могут абсорбировать на своей поверхности огромное количество веществ*. К тому же, они легче диффундируют. Магнитные свойства веществ в наночастице отличаются от таковых у куска того же вещества большего размера (и зачастую оказываются сильнее, чем у последнего).

* — Интересным примером того, как наночастицы демонстрируют принципиально иные свойства в зависимости от своего размера, являются квантовые точки: «Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии» [3]. — Ред.

Чаще всего основа наночастицы — каркас размером несколько стомиллионных сантиметра. Он может состоять из соединений металлов, например, цинка, золота или серебра. К этой основе крепятся молекулы лекарства, которые сверху могут быть еще покрыты защитным слоем. Он нужен для того, чтобы максимальное количество действующего вещества дошло до точки назначения и не было переварено в желудке или разрушено печенью*.

* — На границе живой материи организма и искусственно введенных в него наночастиц происходит целый спектр интересных явлений, часть из которых вполне может использоваться в медицинских целях, а часть приводит к токсичности наночастиц и должна быть как-то обойдена: «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [4]. — Ред.

Если сделать наночастицы из металла, который намагничивается, можно направлять их в определенное место в организме, а после того, как работа будет сделана, выводить оттуда все частицы без остатка с помощью магнита. Именно так можно будет бороться с сепсисом. Это заболевание заканчивается смертью в половине случаев, а треть выживших остается инвалидами на всю жизнь. При сепсисе бактерии попадают в кровоток и быстро разносятся по всему организму, после чего уничтожить их антибиотиками и другими классическими методами почти невозможно. Однако исследования с помощью миниатюрного устройства, пропускающего микропотоки жидкостей через градиентное магнитное поле, показали, что зараженную кровь реально очистить от бактерий [5, 6]. Микроорганизмы прикрепляются к наночастицам и примагничиваются к источнику поля, покидая кровь (рис. 1). Осталось проверить, сработает ли система в живых организмах.

Рисунок 1. За два цикла очистки при помощи магнитных наночастиц кровь полностью освобождается от бактерий E. coli. Картинка из [6].

Разумеется, вариантов наночастиц гораздо больше, и применяются они не только в экспериментах с моделью сепсиса [7–9]. Об этом гораздо более подробно было рассказано ранее в статье «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц» [10].

Когда жир полезен для здоровья

Жир в умеренных количествах — не просто хорошо, а жизненно необходимо. Впрочем, правильнее сказать «липид» — органическая молекула, которая не растворяется в воде. В это понятие входят не только жиры, но и многие другие соединения со сходными свойствами. По сути, любая клетка — это питательный бульон, и он не расплывается во все стороны только потому, что окружен мембранами из липидов, которые его не пропускают*.

* — Достаточно подробно химические и физические свойства липидов, а также фундаментальное значение мембран в биологических процессах были разобраны в статье «Липидный фундамент жизни» [11]. — Ред.

Маленький липидный пузырек размером с твердую наночастицу, внутрь которого можно поместить нужные ДНК, белки или другие вещества, называется липосомой (рис. 2). Один из надежных способов доставить лекарство по назначению — поместить его в липосому. Липиды почти не перевариваются в желудке, а значит, действующее вещество в неизменном виде проходит в кишечник, где желчные и кишечные ферменты расщепляют липид, а лекарство высвобождается и всасывается. Впрочем, липосомы не обязательно вводить перорально: вполне подойдет и инъекция в кровеносный сосуд или под кожу. И тот, и другой способы применяются, если речь идет о нановакцинах. Также липосомы помогают при раке, атеросклерозе, остром респираторном стресс-синдроме и не только [12].

Есть и более «легкая» версия липида-переносчика: жирная кислота. Она не обволакивает молекулу лекарства со всех сторон, но присоединяется к ней и тянет за собой. Вещества (например, альбумин), соединенные с жирными кислотами, более стабильны и дольше остаются в организме, а значит, препараты на их основе можно принимать реже.

Рисунок 2. Схема строения липосомы. Картинка из [12].

Все дело в волшебных пузырьках

Еще один способ перенести лекарственное вещество через мембрану клетки — сделать в этой мембране отверстие. Тут на помощь исследователям приходит ультразвук. В организм вводятся микропузырьки газов, покрытые оболочкой из липидов, белков или молекул искусственных полимеров [13]. Поскольку газы могут сжиматься и расширяться, размером пузырьков легко управлять. Когда пузырьки оказываются вблизи конкретного органа или ткани, на них локально действуют ультразвуковыми волнами разной частоты и силы.

Режимов воздействия много (рис. 3). Например, размер пузырька можно сразу увеличить до максимума, чтобы он лопнул, а можно заставить его ритмично сжиматься и расширяться. Итог будет один — мембрана клетки вблизи пузырька порвется. (Этот процесс называется сонопорация — дословно «протыкание звуком».) Если в эту же область ввести лекарство, которое не пускают оболочки клеток, оно сможет беспрепятственно зайти внутрь через получившееся отверстие. Иногда обходятся без микропузырьков, но в таком случае эффективность метода может быть ниже.

Рисунок 3. Воздействие микропузырьков и кавитации на мембрану клетки. Оно может быть как химическим (справа), так и механическим, разрывающим (сверху) либо деформирующим мембрану, но не разрывающим её (снизу). Картинка из [13].

Ультразвук берет барьеры

Мозг — весьма и весьма чувствительный орган. Он требует регулярного и качественного питания, кислорода и постоянства своего окружения. Его нужно защищать почти от чего угодно, и гематоэнцефалический барьер, он же ГЭБ, отлично с этим справляется.

Суть ГЭБ такова. В центральной нервной системе кровеносные сосуды отделены от нейронов прослойкой отростков нейроглии — особого типа нервных клеток, чьи главные (но далеко не единственные!) цели — питать и защищать нейроны. Через нейроглию проходят все вещества, которые может отдать капилляр. Около 98% больших молекул не доходит до самих нейронов через ГЭБ, хотя он, конечно же, пропускает глюкозу и кислород. С одной стороны, это хорошо, потому что в мозг не попадают яды и ненужные там гормоны и нейромедиаторы. С другой стороны, это плохо, поскольку лекарства тоже остаются за бортом.

Можно специально повредить гематоэнцефалический барьер, если ввести в артерию помимо лекарства вещества, меняющие осмотическое давление (солевой баланс) крови. В этом случае препарат окажется почти во всех частях мозга, но, скорее всего, не только там: ведь все сосуды взаимосвязаны. Другой вариант — вовсе обойти ГЭБ, установив имплантат с лекарством прямо в мозг или на его поверхность. Но подобные процедуры делаются под общим наркозом, их невозможно проводить часто, да и мало кто согласится на такое вмешательство в пространство своей головы.

В 2000 году ученые из Бостона и Гарварда попробовали проделать отверстия в гематоэнцефалическом барьере кроликов с помощью микропузырьков с газом и коротких серий ультразвуковых волн, сфокусированных на определенной точке в головном мозге [14]. Попытка увенчалась успехом, а главное — как показали результаты МРТ и гистологических исследований, нейроны не были повреждены. После этой работы испытания проводили в моделях болезней Альцгеймера, Паркинсона, хореи Хантингтона, нейробластомы на грызунах и нечеловекообразных обезьянах. Через ГЭБ удалось переправить наночастицы золота, иммуноглобулин G, противоопухолевые препараты, пероксидазу хрена, клеточные красители и многое другое.

Клинических исследований ультразвукового метода пока не было, однако есть множество оснований полагать, что способ подойдет и людям. Для этих процедур не нужно вскрывать черепную коробку — будет достаточно одной локальной инъекции в кровь. Воздействие можно повторять достаточно часто, а за счет того, что волны ультразвука легко сфокусировать в одной точке, нет поводов бояться, что лекарство проникнет не туда, куда нужно. Правда, наблюдать за результатами процедуры будет сложнее, чем в случае макак и крыс: иммуногистохимический анализ срезов мозга вряд ли придется по душе людям-пациентам, а МРТ — удовольствие не из дешевых.

Способ «клетка в клетке»

Считать другого по умолчанию чужаком вполне естественно. Из этой логики исходят и животные, и их составляющие, например, клетки иммунной системы. Пришелец, когда он появится, будет в прямом или переносном смысле обнюхан, после чего атакован со всей непримиримостью. Вот только необходимо это не всегда.

У любителей монгольских песчанок, которые хотят подружить пару питомцев, есть прием «клетка в клетке». Одно животное сажают в маленькую клетку и ставят в более крупную, где его уже поджидает второй зверь. Перегородка не мешает грызунам обнюхивать друг друга, барабанить лапками и переругиваться писком, но не дает случиться серьезным дракам. Мало-помалу животные привыкают друг к другу, и через какое-то время их можно селить вместе в одну большую клетку.

Забавно, что сейчас существует похожий способ доставки лекарств. Несколько клеток, выделяющих нужные вещества, помещаются под общую оболочку из полимерного соединения, которая позволяет узницам получать кислород и пищу извне и выделять в среду продукты своей жизнедеятельности [15]. При этом, как и в случае с ГЭБ, крупные молекулы, например, антитела, и клетки иммунной системы не могут преодолеть защиту капсулы и навредить чужеродным клеткам. Способ уже показал свою эффективность при лабораторных исследованиях анемии, регенерации сердечной мышцы, костей и хрящей с помощью отдельных веществ, доставки целых стволовых клеток при борьбе с опухолями. Микроконтейнеры с клетками обычно вводят непосредственно в те области организма, где нужно их действие.

Трава лучше шприца

Никто не любит прививки. Сам себе их не сделаешь — нельзя, если нет медицинского образования. А в поликлинике все время получается больно. Наверное, поэтому сейчас так популярно антинаучное антипрививочное движение. К тому же, вакцина может испортиться, если хранить ее не в холоде, и перевозить такие препараты по всем правилам довольно сложно. Диабетикам тоже нелегко: за всю жизнь им приходится делать десятки тысяч инъекций инсулина, и от них никуда не деться.

К счастью, участь нелюбителей уколов можно облегчить. Вакцины, а также инсулин и другие белки можно вводить перорально — грубо говоря, съедать. Но как сделать, чтобы лекарства не переварились в желудке? Ответ — производить их в клетках растений и эти же клетки принимать внутрь. Можно, например, генетически модифицировать пластиды клеток латука так, что они будут вырабатывать инсулин или антигены возбудителей чумы, холеры или малярии [16]. Пациенты (пока что их роль выполняют мыши) смогут проглатывать порошок из лиофилизированных (мягко высушенных) клеток латука. Дойдя до кишечника, эти клетки будут переварены местной микрофлорой, и лекарство высвободится (рис. 4).

Преимуществ «таблеток из травы» перед инъекциями много. Во-первых, принимать их совсем не больно, и лицензия медработника для этого не нужна. Во-вторых, клетки растений, которые вырабатывают нужные вещества, очень редко заражаются инфекциями, опасными для человека, в отличие от клеток из культур бактерий или тканей животных. А ведь именно последние сейчас производят большую часть пептидов, гормонов и других веществ, используемых для лечения. В-третьих, оболочку растительных клеток можно переварить только в кишечнике, а у клеток животных, которые, по идее, можно было бы использовать подобным образом, такой защиты нет. Наконец, эти лекарства легко перевозить, для них не нужен холодильник, и они долго не портятся. Это особенно важно для развивающихся стран, где менталитет и уровень жизни скорее заставят купить телевизор или смартфон, чем холодильник, а климат весьма жаркий.

Рисунок 4. Цикл разработки и введения препарата лиофилизированных растительных клеток. Клетки выделяют из растений, специально выращенных в теплице, лиофилизируют, формируют из полученного материала капсулы. Затем лекарство проверяют на желаемые эффекты, а также выявляют реакции иммунной системы на него. Картинка из [16].

Не жди счастливого конца

Все, что касается болезней — темы опасные и неблагодарные. Мы пишем новости медицины и обзоры, касающиеся здоровья человека, заканчивая их неизменным «вот скоро это новое чудо-открытие спасет мириады жизней или хотя бы облегчит их». Факторов, которые могут помешать такому счастливому окончанию событий, не меньше, чем ждущих исцеления. Число лекарств и методов лечения, эффективных для животных, но провальных на стадии клинических испытаний, весьма значительно, и мы ничего не можем этому противопоставить. Таковы законы природы, если угодно. Однако суть не в том, чтобы оправдать надежды всех страждущих или обратить в свою веру приверженцев совсем уже нетрадиционных учений. Цель таких «обзоров будущего», как этот — показать, что ученые не стоят на месте и действительно делают все возможное на благо человечества. Невозможное, как известно, требует чуть больше времени, чем все остальное.

Литература

  1. Amirfazli A. (2007). Nanomedicine: Magnetic nanoparticles hit the target. Nat. Nano 2, 467–468;;
  2. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
  3. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
  4. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
  5. Sadikot R.T. (2014). The potential role of nano- and micro-technology in the management of critical illnesses. Adv. Drug Deliv. Rev. doi: 10.1016/j.addr.2014.07.004;
  6. Lee J.-J. et al. (2013). Synthetic Ligand-Coated Magnetic Nanoparticles for Microfluidic Bacterial Separation from Blood. Nano Lett. 14, 1–5;;
  7. Toy R. et al. (2014). Targeted Nanotechnology for Cancer Imaging. Adv. Drug Deliv. Rev. 76, 79–97;;
  8. Nikitin M.P. et al. (2014). Biocomputing based on particle disassembly. Nat. Nano 9, 716–722;;
  9. Van Riet E. et al. (2014). Combatting infectious diseases; nanotechnology as a platform for rational vaccine design. Adv. Drug Deliv. Rev. 74, 28–34;;
  10. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц;
  11. Липидный фундамент жизни;
  12. Hackett M.J. et al. (2013). Fatty acids as therapeutic auxiliaries for oral and parenteral formulations. Adv. Drug Deliv. Rev. 65, 1331–1339;;
  13. Lentacker I. et al. (2014). Understanding ultrasound induced sonoporation: definitions and underlying mechanisms. Adv. Drug Deliv. Rev. 72, 49–64;;
  14. Aryal M. et al. (2014). Ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Adv. Drug Deliv. Rev. 72, 94–109;;
  15. Orive G. et al. (2014). Application of cell encapsulation for controlled delivery of biological therapeutics. Adv. Drug Deliv. Rev. 67–68, 3–14;;
  16. Kwon K.-C. et al. (2013). Oral delivery of human biopharmaceuticals, autoantigens and vaccine antigens bioencapsulated in plant cells. Adv. Drug Deliv. Rev. 65, 782–99..

Комментарии

Вас также может заинтересовать