Что должен уметь наноробот?

1)Распознавать пораженные клетки

2)Избирательно с ними связываться

3)Проникать сквозь клеточные мембраны

4)Высвобождать лекарственный препарат внутри клеточной среды

КОНСТРУИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ НАНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

В настоящее время рак по смертности стоит на 2-м месте после сердечно-сосудистых заболеваний.

По прогнозам Международного Агентства по изучению рака к 2015 году планету захлестнет эпидемия онкологических заболеваний. Ежегодно будут регистрироваться до 15 миллионов новых случаев, и ежегодно в мире будут погибать до 10 миллионов больных. По прогнозам ВОЗ в 2020 г. число онкологических больных увеличится на 50%, несмотря на значительный прогресс в развитии методов лечения рака. Поэтому, в первую очередь, мы будем говорить о химиотерапии злокачественных опухолей.

Для начала, что такое лекарство?

•Мы знаем, что различные химические соединения – как малые молекулы, так и биополимеры – могут оказывать воздействие на человеческий организм. Такая способность используется для создания лекарств, в том числе и тех, что используются при химиотерапевтическом лечении рака. Но при введении в организм этих молекул возникает масса проблем непосредственно с их доставкой к той точке, где они должны работать. Среди таких проблем высокая токсичность, низкая способность проникновения к клеткам, которые нужно убивать или лечить. Низкое проникновение, например, может быть связано с тем, что лекарство «распыляется», проникает неселективно в обычные ткани и выводится из организма. Другая причина – клетка-мишень может быть отделена барьером (например, гематоэнцефалический барьер, который отделяет наш головной мозг от кровеносной системы). Тогда лекарство просто не может пройти через этот барьер. Как решить эту проблему? Казалось бы, нужно просто изменить химическую структуру лекарства, чтобы сделать его более селективным и «научить» преодолевать клеточные барьеры. Однако сделать это оказалось практически невозможно, или очень сложно. Потому что, как только мы начинаем модифицировать структуру малой молекулы, заменять функциональные группы, меняется и ее биологическая активность, все ее лекарственные свойства.

•Тогда было предложено изящное решение – нужно взять эту малую молекулу и соединить ее с неким полимером. Это могут быть полимерные мицеллы, липосомы, просто растворимые полимеры, к которым можно «пришить» (химически присоединить) нерастворимую лекарственную молекулу (так можно решить проблему растворимости лекарства). В результате такого включения лекарственной молекулы в «средство доставки» ее свойства могут драматически измениться – нерастворимая молекула становится растворимой, она не идет в «неправильные» клетки, она идет в «правильные» клетки и так далее. Эти системы доставки работают, как автомобиль, в который мы загружаем пассажира, привозим его туда, куда надо, и высаживаем в нужной точке. Оказалось, что эти полимерные системы очень маленькие: их размер от 10 до 100 нанометров (нм). Отсюда возник и термин наномедицина, нанотехнологии.

•Для того чтобы найти принцип доставки применимый ко всем опухолям, нужно подняться на следующий уровень организации тканей и рассмотреть опухолевое новообразование в целом, выявляя его отличие на уровне клеточной организации. Для раковой опухоли характерно состояние гипоксии, связанное с тем, что в области опухоли клетки постоянно делятся и поглощают большое количество питательных веществ. Помимо всего прочего, опухоль, образовавшись самопроизвольно, не имеет системы кровеносных сосудов для притока питательных веществ и кислорода. Находясь в состоянии гипоксии, раковые клетки выделяют факторы роста (VEGF, FGF), вызывающие неконтролируемый и неупорядоченный рост сосудов – ангиогенез опухоли. Эти сосуды, растущие в опухоль, имеют совершенно иное строение: у них отсутствуют «плотные контакты», для них напротив характерны межклеточные промежутки, обеспечивающие «проницаемость» сосудов. В то же время лимфатические сосуды в опухоли развиты крайне слабо, что приводит к плохому оттоку метаболитов из опухоли. Было показано, что размер «щелей» в межклеточных контактах сосудов опухоли составляет 380-780 нм в зависимости от типа опухоли и ее локализации. Таким образом, существует «пассивный» способ доставки, основанный на различии сосудов в нормальной и опухолевой ткани и обеспечивающий проникновение и концентрирование наночастиц в области опухоли. Этот эффект назван EPR-эффектом (Enhanced Permeability and Retention, повышение проникновения и сохранения).

Иллюстрация принципа «пассивной» доставки

• Биосовместимость наночастиц в зависимости от их физических характеристик. Эта качественная картина получена на основе анализа >130

видов наночастиц, используемых в терапевтических целях. Основные параметры, определяющие биосовместимость (изображённую цветовым спектром) — размер, ζ-потенциал в растворе и гидрофобность. Так, катионные частицы небольшого размера и с высокой реакционной способностью поверхности почти всегда оказываются токсичными — по сравнению с более крупными гидрофобными частицами, которые довольно быстро и безопасно выводятся из организма при участии ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). Частицы, избегающие немедленного вывода почками или печенью, обладают средними размерами и нейтральным поверхностным зарядом; они имеют тенденцию аккумулироваться в опухолевой ткани из-за эффекта повышенной проницаемости и удерживания (EPR-эффекта). Именно это свойство делает их оптимальными агентами для терапии онкологических заболеваний.

«Наноконтейнеры» — наноструктуры для доставки лекарственных препаратов: а) липосома, б) полимерная мицелла, в) полимер — лекарственный

конъюгат, г) дендример, д) масляная наноэмуслия, е) мезопористая (поры 2–50 нм диаметром) наночастица окиси кремния, ж) наночастица оксида железа

•Условием того, чтобы наблюдался EPR-эффект является то, что препарат (в той или иной форме) должен представлять собой наночастицы с размером менее 200 нм, способные длительно находиться в кровотоке, не связываясь с эндотелием сосудов, не выводиться эффективно ретикулоэндотелиальной системой. Высокий заряд частиц (особенно отрицательный) также приводит к ускоренному выведению наночастиц из кровотока. Наиболее оптимальными условиями для проявления EPR-эффекта принято считать размер около 100 нм и наличие на поверхности гидрофильных полимеров с высокой конформационной свободой, таких как полиэтиленгликоль (PEG). Использование липосом, стабилизированных PEG («stealth»-липосом) позволяет добиться уникальных для липосом периодов полувыведения (около 10 часов), что используется в препаратах для лечения метастазирующих опухолей (Doxil/Caelyx). Использование липосом для «пассивной» доставки доксорубицина позволяет избежать таких побочных эффектов как кардиотоксичность, в то же время, увеличивая выживаемость.

•Липосомы — самопроизвольно образующиеся в смесях фосфолипидов с водой замкнутые пузырьки. Их стенка состоит из одного или нескольких бислоёв фосфолипидов (слоёв толщиной в две молекулы), в которые могут быть встроены другие вещества.