Чекман і.С. Нанофармакологія Київ

2009

Рецензенти:

Єременко Г.М. доктор хімічних наук, професор зав. відділом Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України.

Туманов В.А. доктор медичних наук, професор, зав. кафедри фармакології Київського медичного університету асоціації народної медицини України

УДК УДК 615.011:615.032.547.9:612.397:678.012

УДК: 615.246.2:616.127-018:57.086.3:616.12-008.331.1:57.084

У монографії узагальнені дані літератури та дослідження автора зі співробітниками кафедри фармакології та клінічної фармакології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця, виконані спільно з лабораторією електронно-променевої нанотехнології неорганічних матеріалів для медицини Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона та Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця, інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйко НАН України, а також інших наукових колективів, що торкаються нанонауки, нанотехнологій, нанофармакології, історичних етапів їх розвитку, перспективи наукових досліджень з цих напрямків.

Автор висловлює подяку за проведення спільних досліджень з нанофармакології та за допомогу у підготовці монографії академіку НАН України, проф. Б.О. Мовчану, проф. Н.О. Горчаковій, проф. В.М. Гунько, д.м.н. Л.І. Казак, к.х.н. Л.С. Бобковій, к.х.н. Є.Ф. Вороніну, к.х.н. О.О. Казаковій, к.б.н. О.А. Ніцак, Т.Ю. Небесній, а також студентам Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця.

Висловлюю вдячність Президенту НАН України, директору Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона, академіку Б.Є. Патону і ректору Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця, члену-кореспонденту АМН України, проф. В.Ф. Москаленку за допомогу в організації спільної лабораторії електронно-променевої нанотехнології неорганічних матеріалів для медицини Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона та Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця, та створенню сприятливих умов для проведення досліджень з нанофармакології.

Щира подяка рецензентам:

Г.М. Еременко доктору хімічних наук, зав. відділом Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України та В.А. Туманову доктору медичних наук, проф., зав. кафедри фармакології Київського медичного університету Української асоціації народної медицини за критичні зауваження і доброзичливі побажання, які сприяли виходу у світ монографії.

Монографія розрахована на широкий круг фахівців – фармакологів, токсикологів, провізорів, фізиків, хіміків, фізико-хіміків, біохіміків, молекулярних біологів, наукових співробітників, спеціалістів з нанотехнологій, наномедицини та нанофармакології, аспірантів і студентів медичних, фармацевтичних, хімічних і біологічних спеціальностей.

Усі зауваження і побажання читачів, направлені на покращення змісту

монографії, автор прийме з вдячністю.

Зміст

Вступ

1. Історичні етапи розвитку нанонауки ........................................

2. Нанотехнології та наномедицина ..............................................

3. Нанофармакологія: фармакологічні і фармацевтичні основи нанопрепаратів..............................................................................

4. Наночастинки:

   1. Класифікація ...........................................................................

   2. Дендримери ...............................................................................

   3. Квантові мітки ..........................................................................

   4. Нановолокна .............................................................................

   5. Нанокільця ................................................................................

   6. Нанопояси .................................................................................

   7. Наноскорини .............................................................................

   8. Нанотрубки ...............................................................................

   9. Фулерени ..................................................................................

      1. Історичні етапи відкритя

      2. Властивості фулеренів

5. Нанометали ......................................................................................

   1. Залізо ............................................................................................

   2. Золото .........................................................................................

   3. Магній .........................................................................................

   4. Мідь .............................................................................................

   5. Срібло ..........................................................................................

6. Вісмут ...............................................................................................

7. Магній ...............................................................................................

8. Кремній ......................................................................................

9. Drug delivery: нанофармакологічний аспект …….........................

10. Клінічні основи наномедицини .....................................................

    1. Кардіологія ..................................................................................

    2. Онкологія .....................................................................................

    3. Ортопедія і травматологія ..........................................................

    4. Офтальмологія .............................................................................

    5. Щелепно-ліцева хірургія ............................................................

Заключення ...........................................................................................

Вступ

„Є надмір місця на дні –

запрошую в нову область фізики”

Ричард Фейнман (1918-1988).

Американський фізик,

лауреат Нобелівської премії

Вступ

Друга половина ХХ століття відзначилась значними досягненнями у різних галузях народного господарства, фізиці, хімії, лікознавстві, біології, космосі, військовій техніці. Одним із видатних досягнень людства кінця минулого сторіччя слід вважати вивчення властивостей біологічних і синтетичних матеріалів нанорозмірів. Слова нанонаука, нанотехнології, наномедицина, нанофармакологія та інші з префіксом „нано” стали вживати спеціалісти різних напрямків діяльності. Своєрідний бум в області нанонауки, що розпочався біля 30 років тому, викликав необхідність в дослідженнях нанооб’єктів, які мають своєрідні, часто несподівані, техногенні, фізичні, хімічні, фізико-хімічні, біологічні, фармакологічні, токсикологічні властивості, відмінні від частинок макророзмірів і, навіть, мікророзмірів (перша особливість нанонауки). Теоретичні узагальнення, що торкаються нанонауки дещо випереджували можливість їх практичної реалізації. Слід відзначити, що застосування методів прямої візуалізації наноматеріалів і наночастинок, таких як тунельна електронна мікроскопія, мікроскопія атомних сил, рентгеноструктурний аналіз, а також відомих спектроскопічних методів дозволило більш детально вивчити властивості нанорозмірних структур.

Дослідження фармакологічних, біохімічних, фізико-хімічних, колоїдно-хімічних механізмів взаємодії наночастинок з біологічними об’єктами (клітинами макро- та мікроорганізму) дозволить не тільки встановити їх позитивний чи негативний на біоструктури та навколишній світ, але можливість широкого застосування у техніці, сільському господарстві, медицині як ефективні препарати, а також носії для цільової доставки лікарських засобів і фізіологічно активних речовин до патологічного процесу. Завдяки цим дослідженням деякі наноматеріали вже знайшли застосування у практичній діяльності людини. Наприклад, надтверді сплави металів у техніці, ліпосоми у медицині, фулерени і дендримери для діагностики захворювань і цільової доставки лікарських засобів (перша особливість нанонауки).

Друга особливість нанонауки. З урахуванням завдань науки та вимог практичної діяльності людини виник напрям досліджень на стику різноманітних біологічних і технічних дисциплін. Вчені різних спеціальностей почали вивчати властивості матеріалів маленьких розмірів, відкривати їх закономірності взаємодії з іншими наночастинками. Отримані результати досліджень впроваджували у життя, що є переконливим прикладом інтеграційних процесів у розвиток людства і відповідність отримання певних практичних досягнень у короткий термін часу.

Третя особливість нанонауки полягає в тому, що уже перші дослідження наноматеріалів виявили у них властивості, які притаманні живій і неживій природі. Висока патогенність, вірулентність, здатність до зміни своєї структури, швидко розмножуватися і проникати в організм людини, поражати значну кількість людей у короткий час і розповсюджуватися у навколишньому середовищі не виключено зумовлено тим, що віруси мають нанорозміри (біля 50-100 нм).

Фізіологічно активні речовини організму людини мають слідуючі нанорозміри: антитіла – 10 нм, ангіотензинперетворюючий фермент – 10 нм, гемоглобін – 7 нм, фібриноген – 5 нм, ДНК у діаметрі – 2,5 нм, інсулін – 2,2 нм, ергокальциферол – 1,6 нм, ретинол – 1,0 нм, АТФ – 0,95 нм, ацетилхолін – 0,8 нм. Розміри альбуміну людини від 4 нм до 10 нм і знаходяться відповідно внизу нанорозмірного діапазону. Відомо, що розмір наночастинок менше 10 нм зумовлює їх виражену біологічну активність. Амінокислоти, з яких синтезується білок, завдяки тому, що розмір їх менше одного нанометра, легко проникають через біологічні мембрани, приймають участь в регуляції діяльності органів і систем організму, обміні речовин, сприяючи синтезу білка, а також приймають участь в обміні речовин, проявляти виражену фармакологічну активність.

У металів (залізо, золото, кремній, мідь, срібло, титан та ін.) встановлені зовсім інші характеристики у нанорозмірах, ніж у макророзмірах. Так, наночастинки заліза володіють своєрідною хімічною реактивністю, мають унікальні суперпарамагнітні властивості, легко окислюються, тому почали використовується для контрастного посилення у магнітно-резонансній томографії, тканинній регенерації, імунологічних аналізах, детоксикації біологічних рідин, магнітно-рідинній гіпертермії, доставці лікарських засобів і клітинній сепарації, лікуванні залізодефіцитної анемії. Встановлено, що фармакологічні властивості наночастинок заліза, такі як біорозподіл, час напіврозпаду, метаболізм і виведення, залежать від фізико-хімічних характеристик – їх розміру, поверхневого покриття і присутності лігандів для активного таргетингу.

Наночастинки золота володіють особливими фізичними, хімічними та фармакологічними властивостями, які й визначають їх застосування у ролі носіїв специфічних розпізнавальних молекул, компонентів біосенсорів, каталізаторів. Ці наноматеріали відкривають можливості надточного виявлення біомаркерів хвороб і багатьох інших хімічних речовин, що робить можливим ранню діагностику та ефективніше лікування. Тому, наночастинки золота застосовують у лікуванні захворювань (злоякісні пухлини, інфекційні захворювання) шляхом фототермальної терапії. За допомогою нанозолота стає можливим виконання детальніших мікроскопічних зображень біооб’єктів у цитологічних та цитогенетичних дослідженнях. Впровадження у медицину даних наноматеріалів стикається із низкою труднощів. До основних з них слід віднести: відтворюваність, відповідність вимогам належних практик, токсикологічні та клінічні аспекти, які й досі є маловивченими. Можна сподіватись, що подальші дослідження дозволять вирішити дані проблеми і відкрити шлях до широкого виробництва таких наноматеріалів. Однією із актуальних проблем сучасної нанотехнології є отримання наночастинок органічного і неорганічного походження з фіксованим розміром, а також застосування їх нанобіотехнологіях, у медичній практиці.

До четвертої особливості нанонауки доцільно віднести факт великої зацікавленості вчених і виробників цим напрямком, що сприяло впровадженню результатів у промисловість, медицину, сільське господарство, електроніку, біологію, фармакологію, фармацію та інші. Згідно даних Інтернет кількість публікацій з нанонауки, нанотехнологій, наномедицини перевищує кількість наукових статей з інших дисциплін. Малий розмір, хімічний склад, структура, велика площа поверхні та форма – це ті основні властивості, що надають наночастинкам перевагу перед іншими матеріалами, водночас забезпечують і їхній можливий токсичний вплив на біологічні системи та зовнішнє середовище. Для прогнозу ризику їх впливу на біосистеми, перш за все, необхідно вивчити молекулярні механізми впливу наночастинок на організм, можливі механізми розвитку токсичних ефектів, а також шляхи усунення чи послаблення їх небажаного впливу. Доцільно згадати слова римського письменника і філософа Сенеки (біля 4 до н.е. – 65 н.е.) : „Для людини, яка не знає до якої гавані вона направляється, жоден вітер не буде попутним”.

Отримані наукові факти та практичні результати свідчать: людство відкрило принципові нові властивості живої і неживої природи (п’ята особливість). Уже на сьогодні встановлено, що нанорозмір різних матеріалів свідчить, що атоми містяться на поверхні, електрони атомів ущільнені, поверхневий натяг і поверхнева енергія наночастинок, міжатомні відстані, теплоємність, термодинамічної характеристики, оптичні властивості змінені, що зумовлює своєрідний вплив на живу і неживу природу.

Багато біологічних об’єктів, органел клітин та фізіологічно-активних речовин мають нанорозміри. Більшість органел клітин (ядро, лізосоми, мітохондрії, рибосоми, ДНК, РНК та ін.), біологічних речовин (альбумін, антитіла), лікарських засобів (ацетилсаліцилова кислота, кверцетин, ретинол), медіатори (адреналін, ацетил цистеїн), фізіологічно активних речовин рослинного (атропін, дигоксин, хлорофіл) і тваринного (інсулін, гемоглобін) світу, амінокислоти мають нанорозміри, що зумовлює їх високу біохімічну та фармакологічну активність, властивість регулювати обмін речовин в організмі людини (шоста особливість).

Сьома особливість. Аналізуючи дослідження вітчизняних і зарубіжних вчених з нанотехнологій можна зробити узагальнення – у світі проводяться інтенсивні дослідження з розробок нових технологій отримання наночастинок різних структур органічного і неорганічного походження. Ці дослідження значно інтенсифікувалися за останні роки. Так, за 2006-2009 роки кількість публікацій з нанонауки становить 60-70 % у порівнянні з 1978-2005 роками.

Розуміння закономірностей, що мають місце на нанорозмірному рівні, ґрунтовне і всебічне вивчення властивостей наноматеріалів далеке від завершення. Продовження досліджень по вивченню властивостей матеріалів нанорозмірів сприятиме відкриттю нових, невідомих досі явищ у природі, реальному впровадженню наноматеріалів у практичну діяльність людини, розробці нових методів діагностики і лікування важких і не важких хвороб, покращенню якості життя кожного жителя планети Земля.