Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Принципиально возможно деление наночастиц на органические (например, фуллерены, дендримеры) и неорганические (металлические и кварцевые наночастицы). Физико-химические свойства наночастиц предопределяют их назначение в наномедицине. Например, четко зависящая от размера квантовой точки флуоресцентная эмиссия делает эти наночастицы незаменимыми для молекулярной визуализации, а разветвленная структура дендримеров дает широкие возможности для их функционализации и, следовательно, превращает их в перспективные средства для доставки лекарственных препаратов. Ниже дается краткая характеристика основных классов наночастиц и приводятся примеры их использования в биологии и медицин 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy

фуллерены представляют собой относительно недавно описанную аллотропную модификацию углерода в виде полых сферических образований. Водорастворимые производные фуллерена С60 находят широкое применение в терапии многих заболеваний. Так, в частности, производные фуллерена С60 используются как противовирусные (Schinazi et al,, 1993) и антибактериальные (Bosi et al., 2000) агенты. В ряде исследований показана эффективность фуллеренов в качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний (Mroz et al., 2007). Антиоксидантные и антиапоптотические эффекты фуллеренов могут использоваться в терапии бокового амиотрофического склероза и болезни Паркинсона (Dugan et al., 2000).

Более подробную информацию о свойствах фуллеренов в биологических системах и влиянии фуллерена С60 на функцию системы кровообращения можно почерпнуть в соответствующих главах книги. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/fullereny

Дендримеры являются трехмерными разветвленными монодисперсными макромолекулами. Типичным для структуры дендримеров является повторяющийся паттерн ветвления вокруг центрального ядра, что обеспечивает геометрическую правильность дендримеров. После достижения пяти порядков ветвления, дендримеры начинают содержать в своем составе многочисленные полости, которые могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов.

Определенная последовательность химических реакций в ходе синтеза дендримеров обеспечивает формирование макромолекулярного комплекса с заданными свойствами. Принципиально существует возможность синтеза амфифильных дендримеров с гидрофобным ядром и гидрофильной оболочкой. Такие уникальные свойства дендримеров, как высокая степень ветвления, глобулярная форма и легкость функционализации поверхности, делают эти соединения перспективными носителями лекарственных препаратов (Cheng et al., 2008). Установлено, что дендримеры могут служить носителями как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных молекул, причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым. Наноразмерность дендримеров (1-100 нм) снижает вероятность их захвата и инактивации элементами ретикуло-эндотелиальной системы.

В настоящее время имеется достаточно много данных об использовании полиамидоаминовых дендримеров в качестве носителей лекарственных и диагностических препаратов. Так, в частности, изучались перспективы использования полиамидоаминовых дендримеров в качестве носителей химиотерапевтических препаратов (Kojima et al., 2000), ДНК (Fu et al., 2007) и контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (MPT) (Kobayashi et al., 2003). В числе других классов препаратов, которые могут транспортироваться путем связывания с дендримерами, – нестероидные противовоспалительные средства, противомикробные и противовирусные агенты, предшественники лекарств и скрининговые агенты, применяемые в дизайне лекарств (Cheng et al., 2008). Определенные опасения в плане биосовместимости и безопасности дендримеров вызывают данные о разрушении клеточных мембран положительно заряженными дендримерами (Mecke et al., 2004).

Дендримеры могут служить платформой для создания новых противовирусных средств, основанных на поливалентном связывании вирусных частиц со специфическими распознающими элементами на поверхности дендримера. Единственной известной на сегодняшний день лекарственной формой с противовирусной активностью на основе полилизинового дендримера является вагинальный гель, предотвращающий передачу вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и вируса герпеса (Bawarski et al., 2008). Было показано, что полианионная внешняя поверхность дендримера, входящего в состав геля, обладает способностью связывать белок ВИЧ gpl20, таким образом предотвращая взаимодействие ВИЧ с CD4-позитивными клетками. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/dendrimery

Липосомы представляют собой наночастицы шаровидной формы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества). Несмотря на то, что размеры липосом могут быть очень вариабельными, большинство липосом имеют диаметр менее 400 нм.

Обычно липосомы классифицируют на три группы: однослойные малые, однослойные большие и многослойные. Кроме того, в зависимости от состава и пути попадания в клетку липосомы могут быть разделены на пять классов: 1) стандартные липосомы, 2) липосомы, чувствительные к рН, 3) катионные липосомы, 4) липосомы с иммунными свойствами, 5) длительно циркулирующие липосомы.

Хотя липосомы были описаны более 40 лет назад, способы транспортировки и доставки лекарственных препаратов на основе липосом не получили широкого распространения на фармацевтическом рынке. Основными проблемами, сдерживающими более широкое применение липосом, являются их относительная нестабильность, невозможность обеспечить стандартное действие в различных партиях препаратов, трудности стерилизации и недостаточная загрузка препаратом (Fenske et al., 2008). Тем не менее, существуют примеры успешного применения основанных на липосомах препаратов в клинической практике. К ним относится препарат доксил, содержащий доксорубицин в липосомах, модифицированных полиэтиленгликолем. Данный препарат особенно эффективен для лечения саркомы Капоши у пациентов, инфицированных ВИЧ. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/liposomy

Мицеллы представляют собой наноразмерные коллоидные частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть (ядро) и гидрофильную поверхность (оболочку). Лекарственные препараты и контрастные агенты могут либо помещаться в липидное ядро мицеллы, либо ковалентно связываться с ее поверхностью. Мицеллы имеют несколько меньшие размеры (около 50 нм), чем липосомы. Для обеспечения продолжительной циркуляции мицелл в кровотоке были предложены различные модификации их оболочки, делающие их термодинамически стабильными и биосовместимыми (Gaucher et al., 2005).

Полимерные мицеллы представляют интерес в первую очередь как переносчики гидрофобных лекарственных препаратов. В частности, мицеллы могут использоваться для парентерального введения таких препаратов, как амфотерицин В, пропофол и паклитаксел (Kwon, 2003). Подобно липосомам, мицеллы могут применяться для направленной доставки лекарственных препаратов к клеткам-мишеням. Это достигается присоединением к поверхности мицелл чувствительных к рН элементов. Описаны бифункциональные полимерные мицеллы для одновременной доставки лекарственных препаратов и визуализации поврежденных тканей (Fahmy et al., 2007). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/polimernye-micelly

Среди металлических наночастиц наиболее известны наночастицы таких благородных металлов, как золото и серебро. Наночастицы золота, обладающие целым рядом уникальных характеристик (оптические свойства, прочность, высокая площадь поверхности), в основном используются в диагностических целях. Наночастицы золота могут служить для усиления сигнала при проведении иммуноферментного анализа за счет их связывания с антителами. Tanaka et al. (2006) применяли наночастицы золота для повышения чувствительности иммунохроматографических диагностических полосок. При этом с наночастицами золота связывались как первичные, так и вторичные антитела. Разработанный иммуноанатилитический набор позволял определять хорионический гонадотропин в концентрации, приближающейся к 1 пг/мл. Чувствительность хемилюминесцентной детекции антител также может быть во много раз повышена при использовании наночастиц золота нерегулярной формы, каталитическая активность которых в 100 раз выше, чем у наночастиц сферической формы. Электрохимический подход, основанный на частичном замещении электродов наночастицами золота, недавно был использован для безметочной детекции раково-эмбрионального антигена (Ou et al., 2007). Полученные иммуноаналитические наборы показали прекрасную воспроизводимость данных. Примечательно, что наночастицы серебра в последние годы с успехом использовались для усиления флуоресценции в иммунодиагностике (Asian et al., 2006).

Присоединение олигонуклеотидных последовательностей, комплементарных молекуле ДНК-мишени, к поверхности наночастиц золота для колориметрической детекции ДНК является относительно новым диагностическим приемом, представляющим альтернативу флуоресцентным и радиоиммунным методам. Указанная методика может применяться также для детекции крайне низких (аттомолярных) концентраций белка в биологических средах. Так, данная методика была применена для измерения концентрации фрагментов β-амилоида (предполагаемого маркера болезни Альцгеймера), присутствующих в спинномозговой жидкости в ничтожно малом количестве (<1 пмоль/л) (Georganopoulou et al., 2005). Описанные наносенсоры на основе наночастиц золота также применяются для диагностики однонуклеотидных генных полиморфизмов и точечных мутаций (Doria et al., 2007), детекции микобактерий туберкулеза в биологических средах (Baptista et al., 2006) и определения кДНК онкогена р53 в фемтомолярных концентрациях (Yao et al., 2006).

В ближайшем будущем ожидается дальнейшее усовершенствование диагностических подходов, основанных на использовании наночастиц золота. В частности, большой потенциал имеют разработки методов функционализации поверхности этих наночастиц с помощью углеводов и повышения чувствительности наносенсоров на основе золотых наночастиц с «профилизацией» их диагностических возможностей (Baptista et al., 2008). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/nanochasticy-metallov

Цельные наночастицы представлены сферическими наноразмерными объектами из биодеградируемого материала, например, белка (альбумин, коллаген), жиров или синтетических полимеров (Mo et al., 2007). Размер цельных наночастиц колеблется от 10 до 1000 нм. Это дает возможность использовать их для одновременной визуализации поврежденных тканей и направленной доставки лекарственных препаратов. Цельные наночастицы в настоящее время лидируют среди нанообъектов, используемых в терапевтических целях.

Исторически, первым препаратом, доставка которого опосредована наночастицами, стал одобренный для клинического использования в США в 2000 году рапамун (сиролимус) — иммунодепрессант, применяемый для профилактики отторжения транплантанта (Till et al., 2005). Наночастицы рапамуна варьируют в диаметре от 80 до 400 нм и создаются путем измельчения лекарственного препарата с водой и со стабилизатором. Несколько лет назад была разработана технология создания стабилизированных альбумином наночастиц паклитаксела (AB1-007), которая во многом позволила преодолеть плохую растворимость данного препарата в воде (Damascelli et al., 2001). Исходной посылкой для создания этой рецептуры было желание избавиться от использования высокотоксичного растворителя паклитаксела кремофора EL.

Особое внимание исследователей привлекают цельные липидные наночастицы. Их преимущества включают высокую стабильность, защиту инкорпорированных препаратов от деградации, контролируемое высвобождение препаратов и превосходную переносимость. Эти наночастицы в качестве транспортеров препаратов могут вводиться в организм самыми разными путями, включая энтеральный, трансдермальный, парентеральный, ректальный и внутриглазной. Предполагается, что липидные наночастицы могут лучше преодолевать гематоэнцефалический барьер, в связи с чем предпринимались попытки их изучения в качестве переносчиков в мозг таких препаратов, как доксорубицин, паклитаксел и капмтотецин (Yang et al., 1999). Положительные результаты были получены при исследовании терапевтической эффективности перорального приема липидных наночастиц, нагруженных тобрамицином, клозапином, капмтотецином, рифампицином и изониазидом (Bawarski et al., 2008).

Широкое распространение в последние годы получили полилактидные и поли(лактид-ко-гликолид)ные наночастицы (Vasir, Labhasetwar, 2007). Изучение судьбы данных частиц после их введения в организм показало, что они интернализируются в клетки путем эндоцитоза. Изменение поверхностного заряда наночастиц, происходящее в условиях кислой среды внутри лизосом, способствует их быстрому высвобождению из лизосом и накоплению в цитоплазме (Panyam et al., 2002). Исключительно важным этапом синтеза полимерных наночастиц является химическая модификация их поверхности, которая позволяет, во-первых, избежать опсонизации наночастиц и их фагоцитоза, во-вторых, обеспечить усиление их захвата клетками и, в-третьих, направить частицы к специфическим внутриклеточным органеллам. Усиление захвата наночастиц клетками теоретически может быть достигнуто за счет связывания поверхности наночастиц с транслоцирующими последовательностями, представляющими собой положительно заряженные пептиды, состоящие из 30 аминокислот и обеспечивающие перенос частицы через плазмалемму. Из транслоцирующих пептидов наиболее хорошо изучен трансактивирующий регуляторный белок ВИЧ (ВИЧ—TAT) и пенетратин.

Конъюгация липосом, несущих генетический материал, с ВИЧ—TAT приводила к усилению трансфекции in vivo и in vitro (Torchilin et al., 2001). Интересным примером улучшения захвата и уменьшения экзоцитоза поли(лактид-ко-гликолид)ных наночастиц может служить их конъюгация с трансферрином (Sahoo, Labhasetwar, 2005). В экспериментах на мышах с раком предстательной железы было показано, что наночастицы, содержащие паклитаксел и конъюгированные с трансферрином, оказывали более выраженный противоопухолевый эффект, чем неконъюгированные наночастицы (Sahoo et al., 2004).

Методы синтеза полимерных наночастиц включают гомогенизацию под высоким давлением, эмульсификацию с последующим выпариванием растворителя, микроэмульсификацию, высаливание, высокоскоростное размешивание, воздействие ультразвука и др 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/polimernye-nanochasticy