Углеродные нанотрубки для диагностики и лечения

Нанотрубки в медицине
В.В. Уточникова, «Нанометр» 
по материалам статьи K. Kostarelos, A. Bianco & M. Prato:
Promises, facts and challenges for carbon nanotubes in imaging and therapeutics  
Nature Nanotechnology 4, 627-633 (2009)

Одной из ключевых возможностей нанотрубок применительно к биологии и медицине является то, что они могут легко поглощаться клетками и поэтому могут выступать в роли переносчиков различных молекул, необходимых для лечения и диагностики. Более того, их уникальные электрические, спектральные и термические свойства в рамках биологических применений создают новые возможности для обнаружения и лечения заболеваний. Многими учебными и производственными лабораториями по всему миру интенсивно исследуются не только терапевтические и диагностические применения нанотрубок, а также их токсичность и возможные вызываемые ими патологии. Баланс риска и достоинств этого материала, по оценкам, во всех этих применениях и ответит на вопрос о дальнейшем применении этого материала.

Синтезированные нанотрубки нерастворимы в большинстве органических и водных растворителей и, таким образом, поверхность нанотрубок должна быть предварительно модифицирована для любых биологических применений. Так, было показано, что химически модифицированные нанотрубки являются уникальными переносчиками нуклеиновых кислот. Их использовали для направленного переноса маленьких органических молекул (например, лекарств от рака), как платформу для направленного переноса антибиотиков и для переноса белковых и углеводных заменителей, разрабатывали на их основе вакцины. Однако углеродные нанотрубки до настоящего момента еще находятся на ранней стадии медицинский разработки, эффективность и ограничения в их применении еще предстоит тщательно изучить. Возможная токсичность этих материалов очень активно обсуждается. Необходимо тщательно изучить влияние введения нанотрубок на биокомпоненты на клеточном (и физиологическом) уровне.

Дальнейшей проблемой является отсутствие утвержденного способа определения чистоты нанотрубок. Стандартная хроматография – например, хроматография тонких пленок и жидкостная хроматография высокого давления – достигли лишь малого успеха. Для перехода к широкомасштабным клиническим испытаниям должны быть решены эти и другие технические проблемы и созданы стандартные процедуры производства, очистки и модификации нанотрубок.

Как только эти проблемы будут решены, следует продемонстрировать неоспоримое преимущество нанотрубок над существующими альтернативными решениями, чтобы продолжились инвестиции в фарминдустрию в этой области. Демонстрация преимущества нанотрубок в медицине также нужна для исключения завышенных ожиданий, которые могут быть неконструктивными и нанести реальный вред развитию в этой области. Мы постараемся рассмотреть современное положение дел в этой области, касаясь только экспериментов in vivo.

Углеродные нанотрубки в наблюдении и лечении

Нанотрубки могут быть одно- и многостенными, и сейчас производятся в достаточном количестве для различных коммерческих применений. Их диаметр изменяется в нанометровом диапазоне, а длина может достигать нескольких микрон. В биоприменении первой проблемой была их нерастворимость в большинстве растворителей, а особенно в биологически совместимых буферах. Для совместимости нанотрубок с биологической средой было предпринято множество исследований. Двумя основными методиками являются нековалентное присоединение на нанотрубки амфифильных молекул (липидов или полимеров), а также ковалентное модифицирование поверхности нанотрубок путем пришивания различных групп непосредственно к углеродному скелету.

На рис. 1 показано, какие типы нанотрубок были изучены в биологических приложениях с использованием моделей in vivo.

Три показанные группы обладают различной структурой и поверхностью, что сильно влияет на их биоактивность. Исходные нанотрубки (рис. 1а) уже являются прототипами, но сложны для использования в биологии, поскольку они плохо растворимы в водных растворах и имеют сильную склонность к агрегации. Интересно, что исходные нанотрубки – в основном, плохо растворимые в водных растворах, – были первыми, использовавшимися почти во всех токсикологических исследованиях. Их растворимость была существенно повышена при нанесении на поверхность нанотрубки амфифильных макромолекул, например, коньюгата липид-ПЭГ (рис. 1b), сополимеров, ПАВ (рис. 1с) и даже односпиральной ДНК (рис. 1d). Ковалентно модифицированные нанотрубки, используемые в биомедицинских целях, изготовлены из исходного материала с поверхностью, модифицированной либо по реакции циклоприсоединения для пришивания аммонийных групп (рис. 1е), либо обработкой сильной кислотой для образования карбоксильных групп (рис. 1f). Оба способа химической обработки существенно улучшают растворимость в воде, а также предоставляют основу для дальнейшей модификации. После проведения всех исследований в этой области становится ясно, что степень агрегации нанотрубок в биологической среде играет важную роль при применении в фармацевтике.

Уроки, извлеченные из доклинических исследований

Все эксперименты с нанотрубками in vivo, известные на сегодняшний день, использовали один из способов, описанных выше (рис. 1), а доклинические испытания в основном были сконцентрированы на онкологии, что делает рак одним из первых заболеваний, на которые будут получены, вероятно, первые клинические результаты. Нанотрубки обладают рядом преимуществ для терапии рака. Например, ковалентно модифицированные нанотрубки способны избегать предосматической области, попадая сразу в цитоплазмы разных типов клеток. Более того, их уникальные физические свойства допускают эффективную электромагнитную стимуляцию и высокоточное детектирование. Большая площадь поверхности и наличие внутреннего объема допускают «загрузку» лекарств и других мелких молекул. Нанотрубки можно использовать для предотвращения роста опухоли в рамках использования химиотерапии и гипертермии. Также in vivo было изученное направленное лечение опухолей с использованием как нековалентно, так и ковалентно модифицированных нанотрубок. Несмотря на достигнутые результаты, однако, результаты сравнения с другими агентами с доказанной биологической эффективностью отсутствуют. Все опубликованные на сегодняшний день исследования в этой области классифицированы в табл. 1.

Первыми покрытие поверхности нанотрубок полимерами предложила группа Даи, они же затем и изучали их активность против рака. Периферийный конец ПГ обычно используется для связывания других молекул, например, целевых агентов, радионуклеидов, лекарств. Лечение опухолей может проводиться с использованием нанотрубок с нанесенным коньюгатом нанотрубка-ПЭГ-RGD (пептид аргинин-глицин-аспатртам), а наблюдение велось с помощью Рамановской спектроскопии. Терапевтический эффект был исследован с использованием лекарственного препарата Paclitaxel, прикрепленного к концу RGD цепи, но прямое сопоставление полученных результатов с утвержденными средствами (например, с Doxil) еще предстоит провести.

Еще одним способом применения нанотрубок для борьбы с раком является их способность превращать энергию электромагнитного поля в тепло. Гипертермия на основе нанотрубок при радиоволновой активации была проведена с использованием нанотрубок, покрытых Kentera (полимер, основанный на полифенилен-этинилене).

Химическая модификация нанотрубок предполагает, что после дальнейшей модификации терапевтическими агентами функциональные группы остаются жестко закрепленными на углеродном каркасе. В табл. 1 представлены терапевтические модели, в которых сравниваются ковалентно и нековалентно модифицированные нанотрубки.

Использование нанотрубок в медицине, о котором впервые заговорили несколько лет назад, уже привело к некоторым результатам in vivo. В ближайшее время ожидаются новые результаты, ориентированные на лечение конкретных заболеваний. Есть и другие медицинские области применения, развитие которых только началось – в основном, инженерия (электроды для неврологии), ортопедические и зубные имплантаты, биосенсоры – которые лежат за пределами рассмотрении этой статьи. Такие приложения, особенно те, которые не будут непосредственно контактировать с живыми организмами, могут быть разработаны быстрее.

Нежелательных побочных эффектов применения нанотрубок, несмотря на постоянный интерес исследователей к вопросу нанобезопасности, до настоящего времени выявить не удалось (табл. 2).

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
06.11.2009