Нанотехнологии в медицине и фармации

М.А.ПАЛЬЦЕВ, академик РАН и РАМН
«Ремедиум» № 9-2008.

Впервые термин «нанотехнология» применил Норио Танигучи, инженер из Токийского университета, в 1974 г. в статье, которая посвящалась обработке материалов. Прошло еще 20 лет, прежде чем термин был введен в широкий научный оборот. Сегодня нанотехнологии являются одной из наиболее интенсивно развивающихся областей науки в самых разных отраслях, в т.ч. в медицине и фармации.

Развивать нанотехнологии сегодня стремятся не только ведущие индустриальные державы, но и развивающиеся страны, в частности в Азиатско-тихоокеанском регионе. Самые масштабные государственные научно-исследовательские программы в области нанотехнологий реализуют США и Япония, инвестиции в эти программы составляют у них более 1 млрд. долл. США в год. С 1997 г. объем инвестиций в эти технологии в мире вырос на порядок и в 2004 г. составил 4,6 млрд. долл.

В США, например, развитие биотехнологий рассматривается в качестве основного мотора инноваций, который должен способствовать конкурентоспособности североамериканских продуктов на мировом рынке. Частные инвестиции в биотехнологии в США превышают государственные, и это свидетельствует как о достаточном уровне зрелости наноразработок, так и об их высоком экономическом потенциале.

В последние годы быстрыми темпами развивается также наномедицина, которая привлекает всеобщее внимание не только чисто научными достижениями, но и социальной значимостью. Под этим термином сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний.

Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне. Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты (Wagner V., Wechsler D., 2004).

О значении наномедицины свидетельствует поступательный рост публикаций на эту тему в международных научных журналах (рис. 2). В течение 10 лет количество научных публикаций по наномедицине в мире увеличилось в 4 раза. Растет также число патентных заявок на изобретения, а это указывает на увеличивающуюся коммерциализацию данной сферы. Бесспорным лидером и по научным публикациям, и по числу патентных заявок являются США – оттуда приходят ежегодно 32% публикаций и 53% заявок, следом идут Германия (8% публикаций и 10% заявок) и Япония (9 и 6%, соответственно).

Движущей силой многих наномедицинских инноваций являются start-up-компании, строящие свою стратегию на внедрении и коммерциализации инноваций.

Интерес фармацевтической и медицинской промышленности к нанотехнологиям в последние годы значительно повысился, поэтому следует ждать значительных вложений в эту область. В недалеком будущем нанотехнологии будут играть одну из ведущих ролей в качестве движущей силы инноваций в медицине.

Уже в 2004 г. мировой оборот наномедицинских препаратов оценивался экспертами в 6 млрд. долл. Правда, в этих подсчетах эксперты относят к наномедицинским любые медицинские технологии, в которых используются наноматериалы или нанотехнологии. Так, применение наночастиц золота в экспресс-диагностике является лишь одной из составных частей диагностического теста, но их присутствие дает основание экспертам причислить данный способ диагностики к нанотехнологиям.

Более 50% фармацевтических компаний-производителей, которые активно работают в области наномедицины, используют нанотехнологии для разработки систем доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. Эти препараты дают сегодня 80% оборота в мировой наномедицине. Одной из ведущих областей применения таких систем является онкология. Применение систем доставки направлено на уменьшение неблагоприятных побочных эффектов ЛС. Среди этих нанопрепаратов уже имеются два блокбастера, не считая других успешных препаратов, вместе их оборот составляет 5 млрд. долл.

Значительно ниже доля предприятий, производящих на нанотехнологической основе имплантаты (19%) и средства для диагностики in vitro (17%). Наиболее сложными проблемами – разработкой методов и средств лечения на основе принципиально новых терапевтических концепций - занимаются лишь 3% компаний (рис. 3).

Системы доставки активных веществ

В 60-е годы прошлого века были получены липосомы, способные доставлять в орган-мишень лекарственное вещество. Различают два вида липосом: мультиламелларные липосомы, диаметр которых может составлять до 10 µm, и состоящие из одной ламеллы (пластинки) с диаметром примерно от 20 до 50 nm. Последние используются в качестве средства доставки активного лекарственного вещества.

Полимерные наночастицы было предложено использовать в качестве систем доставки в 70-х гг. ХХ в. (Ravi Kumar, 2000, 2003). Исходным материалом для них могут служить различные естественные или биоинертные синтетические полимеры, например, полисахариды, полимолочная кислота, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры и др. Под термином «полимерные наночастицы» понимают два морфологически различных вида частиц: наносферы и нанокапсулы. Наносферы представляют собой сплошные полимерные матрицы, на которых распределяется активное вещество. Нанокапсулы состоят из полимерной оболочки, охватывающей наполненную жидкостью полость. Эти виды наночастиц различаются по высвобождению активного лекарственного вещества: из наносфер высвобождение протекает по экспоненте, а из нанокапсул - в течение длительного времени константно.

Еще один тип систем доставки лекарственных активных веществ обязан достижениям в области разработки дефинированных поливалентных и дендритических полимеров. Здесь примерами могут послужить полианионные полимеры – ингибиторы клеточных связей с вирусами, поликатионные комплексы с ДНК или РНК (т.н. полиплексы) и дендритические частицы (Haag R., Kratz F., 2006).

К сожалению, несмотря на высокий потенциал эффективности, системы доставки активных веществ в органы и ткани-мишени связаны и с нежелательными побочными эффектами. Так, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba после анализа данных по безопасности различных систем доставки, приняли решение сосредоточиться на разработке ЛС с расщепляемым наноносителями, поскольку безопасность стабильных наночастиц вызывает сомнения и нужны дополнительные исследования для ее подтверждения (Feiertaf A., 2007).

Поиск альтернативных систем продолжается. Наряду с совершенствованием известных систем доставки разрабатываются новые - соединения полимеров с активными веществами, полимерные мицеллы, неорганические наночастицы, твердые липидные наночастицы, фуллерены (табл. 1). Последние, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса ЛС (Gorman, 2002, Csixty, 2003). На основе фуллеренов разрабатываются препараты – средства доставки ЛС для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

Системы доставки имеют большое значение для ЛС на основе протеинов, действие которых зачастую снижается из-за ограниченного времени нахождения в крови, химической лабильности и способности провоцировать иммунную реакцию. С помощью систем доставки ученые пытаются улучшить аппликационные свойства протеиновых препаратов. Благодаря присоединению к протеину полимерной цепочки удается не только увеличить период их полураспада в крови, но и повысить их эффективность. Сегодня известны два бестселлера среди нанофармацевтических препаратов - полимер-протеиновый конъюгат, Пегасис (Pegasys – пэгилированный альфа2а-интерферон) для лечения гепатита С и Нейласта (Neulasta – пегилированный hG-CSF) для терапии нейтропении (табл. 2).

Активные вещества и новые способы лечения

Нанометровые молекулы могут применяться непосредственно в качестве активных веществ. В частности, интересным классом молекул с этой точки зрения являются дендримеры. Эти разветвленные, как крона дерева, молекулы (отсюда их название) могут достигать размера мелких протеинов. По сравнению с классическими полимерными молекулами они обладают тем преимуществом, что можно контролировать их синтез с заданными свойствами, т.е. запрограммировать для определенного медицинского применения. Кроме того, на поверхности можно расположить специфическим образом определенные функциональные группы, так что они будут особенно эффективно взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel – гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. Вивигель разработан австралийской биотехнологической компанией Starpharma, сейчас проходят его клинические исследования.

Одним из новых принципов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров. Так пытаются решить проблему недостаточной растворимости ЛС: 40% новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо и, соответственно, обладают недостаточной биодоступностью.

В 90-е годы удалось получить наночастицы активного лекарственного вещества, т.н. активные нанокристаллы, с помощью процессов размельчения или гипербарической гомогенизации (Mueller et al., 2001). Эти наночастицы на 100% состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить гранулы или таблетки из суспензии. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200-600 nm. Для улучшения аппликационных свойств нанокристаллических лекарственных средств проводят модификацию поверхности кристаллов. В этом направлении работают компании Wyeth-Ayers Laboratories (США), PharmaSol (ФРГ), SkyePharma (Великобритания), Merck&Co. (США) и многие др. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику в 2000 г., является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) – иммуносупрессивное ЛС, которое применяют после трансплантации органов. При производстве этого препарата была применена технология Nano-Crystal® (разработчик - Elan). А в 2003 г. фармконцерны Merck&Co. и Johnson&Johnson заключили контракт с компанией Elan на применение этой технологии при производстве других инновационных ЛС.

Иная концепция заложена в основу термотерапии наночастицами. Это новый способ лечения раковых опухолей. Суть метода в том, что наночастицы вводят в опухоль, а затем либо за счет воздействия магнитного поля, либо лазерного облучения их нагревают, при этом опухолевые клетки разрушаются. Впервые эта медицинская технология была предложена более 15 лет назад учеными из университетской клиники Шарите (Берлин) под руководством д-ра Йордана (Jordan). За эту разработку в 2005 г. ученые были отмечены премией Frost&Sullivan Award for Technology Innovation. В 2003 г. разработка была передана коммерческой нанотехнологической компании для доведения и внедрения. Тогда же начались клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Сегодня в этом направлении работает целый ряд компаний в Европе (например, Magnamedics, Ахен) и США (Nanospectra Bioscience, Хьюстон).

Диагностика in vivo

Революционные достижения геномики и молекулярной биологии привели к лучшему пониманию молекулярных процессов, которые лежат в основе болезней. Диагностику, основанную на передаче визуальной информации о молекулярных структурах, можно назвать молекулярной визиографией. Здесь используется тот же  принцип, что и при традиционных методах получения изображений – радиографии, эхографии, УЗИ и т.д., только требуется иное контрастное вещество, а также специальные медицинские приборы и системы обработки данных.

Контрастное вещество для молекулярной диагностики состоит из наночастиц, с которыми соединены визуализирующие компоненты и определенные антитела либо какие-нибудь другие молекулы, способные отыскать цель. Когда контрастное вещество вводится в кровеносное русло, его поисковые компоненты взаимодействуют с целевыми структурами на поверхности больной клетки по принципу «ключ-замок», и визуализирующие компоненты попадают в больные ткани. После этого остается «считать» визуализированную информацию. Над этой концепцией работает компания Kereos (Ст.Луис), которая разрабатывает контрастные вещества на основе наноэмульсии перфторкарбона, каждая капелька которой несет по нескольку тысяч атомов гадолиниума. Таким образом, резко повышается контрастность. Эти препараты компания разрабатывает в сотрудничестве с мировыми концернами Philips и Bristol-Myers Squibb.

Сложные молекулярные контрастные вещества, создаваемые на основе нанотехнолоий, пока еще не доступны для клинической практики. Но уже внедрены простые контрастные вещества, которые состоят из наночастиц окиси железа. Они обеспечивают высокую контрастность в диагностике заболеваний печени. Такое контрастное вещество разработала и внедрила под торговой марктй Resovist® компания Schering.

Диагностика in vitro

Эксперты указывают, что нанотехнологии способствовали ренессансу биосенсорики, т.к. они позволили осуществить совершенно новые сенсорные концепции. Нанотехнологии в диагностике in vitro развиваются в двух направлениях: 1) использование наночастиц как маркеров биологических молекул; 2) применение инновационных нанотехнологических способов измерения.
Фирма Nanosphere из Иллинойса разработала новые диагностические тесты для выявления онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и муковисцидоза. Причем заявлено, что новый диагностический тест для муковисцидоза будет стоить в 10 раз дешевле имеющихся сегодня.

К новым наномедицинским диагностическим тестам относятся также сенсорные системы Cantilever и SPR (поверхностный плазменный резонанс). Сенсор Cantilever состоит из искусственных балок длиной от нескольких 10 до 200 µm и толщиной от нанометров до микрометров. Балки покрываются слоем молекул ДНК или протеинов, которые специфически взаимодействуют с целевыми биомолекулами в пробе. Это взаимодействие приводит к отклонению балки, движение которой улавливает лазерный детектор. По сравнению со многими оптическими методами сенсор Cantilever обладает тем преимуществом, что молекулы в пробе не требуют маркировки, и за счет этого процедура диагностики существенно упрощается. Сенсор SPR позволяет измерять взаимодействие между протеинами или протеинами и ДНК в режиме реального времени за счет определенного расположения нанослоев и разной интенсивности отраженного света в зависимости от массы биомолекул в слое. Эти приборы уже нашли широкое применение в медицинском материаловедении.

Стоит упомянуть еще диагностическую систему Quicklab, предназначенную для экспресс-диагностики. Это малогабаритный электронный прибор с биочипом с нанометровыми электродами. Молекулы ДНК и протеины определяются биохимическим методом. Принцип разработан Институтом кремниевых технологий (ФРГ) и воплощен концерном Siemens Corp. Technology. Прибор предназначен для диагностики инфекционных заболеваний, заражения крови, воспаления легких, болезней мочеполовых путей.

Имплантаты и биоматериалы

Имплантология получила в последние десятилетия импульс для развития в связи с потребностью в способах и средствах восстановления или замещения органов и тканей. Ряд фирм уже давно работают с нанокристаллическими материалами и покрытием поверхности имплантатов гидроксиапатитом.

Другим методом является нанокристаллическое алмазное покрытие, которое также обещает увеличить продолжительность функционирования и стабильность имплантатов. В экспериментах уже показано, что остеобласты распознают алмазные субмикроструктуры и могут закрепляться на них. Эти результаты указывают на прекрасную биосовместимость алмазных покрытий.

Материалы из нанокристаллического гидроксилапатита применяются для лечения костных дефектов, причем благодаря нанокристаллической структуре в таком имплантате могут закрепляться костеобразующие клетки и процесс остеогенеза практически включает искусственный материал в естественную кость.

Недавно начало развиваться еще одно направление нанотехнологических биоматериалов - нановолокна, которые ученые предполагают использовать при тканевом инжиниринге – создании искусственных тканей (в перспективе – возможно также и органов) на основе клеточных технологий.

Заключение

Таким образом, сегодня закладывается фундамент применения нанотехнологий практически во всех областях медицины (табл. 3). При этом в системах доставки и в диагностике in vivo в настоящее время преимущественно используются наночастицы как носители активных лекарственных или контрастных веществ в пораженные органы и ткани-мишени.

В разработках новых активных веществ и способов лечения, во-первых, используется фармацевтический потенциал определенных молекулярных наносистем (дендримеры, фуллерены), во-вторых, могут использоваться наночистицы в комбинации с термическим или механическим действием магнитных полей, лазерного излучения, ультразвука и пр. Быстрыми темпами развивается нанотехнологическая диагностика in-vitro: здесь используется широкий арсенал возможностей нанотехнологий – от наночастиц с маркерами до биочипов. В области разработки биоматериалов внимание исследователей приковано опять-таки к наночастицам, в том числе нанокристаллам, которые должны поднять на новый уровень современную имплантологию, ортопедию, стоматологию.

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
07.04.2009