Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Сконструированные с помощью нанотехнологии молекулы, называемые нанолипоблокаторами, могут подавлять захват окисленных липопротеинов низкой плотности (ЛНП) активированными макрофагами (Chnari et al., 2006). Нанолипоблокаторы взаимодействуют с ЛНП двумя путями. Анионные нанолипоблокаторы взаимодействуют с нейтральными и слабоокисленными ЛНП, предотвращая их дальнейшее окисление. В то же время, нанолипоблокаторы не взаимодействуют напрямую с высокоокисленными ЛНП, но, связываясь со скэвенджер-рецепторами на поверхности макрофагов, подавляют неконтролируемый захват окисленных ЛНП последними (Chnari et al., 2006). В том же исследовании было показано, что анионные нанолипоблокаторы в значительной степени подавляли опосредованный скэвенджер-рецепторами захват ЛНП макрофагами. В результате понижалось количество вновь образованных пенистых клеток и содержание холестерина в макрофагах.

Наноматериалы завоевывают важные позиции и в технологии изготовления внутрисердечных и внутрисосудистых имплантантов. Так, предполагается, что импрегнация манжеты искусственных клапанов сердца наночастицами серебра может привести к значительному уменьшению риска развития септического эндокардита в послеоперационном периоде, а создание супергидрофобных поверхностей на подвижных элементах клапанов позволит избежать тромбоза клапана.

Включение в состав покрытия коронарных стентов наночастицы, содержащих антирестенотические и антитромботические препараты, может способствовать уменьшению вероятности развития таких поздних осложнений процедуры стентирования, как рестеноз и тромбоз. Этому вопросу посвящен отдельный раздел настоящей книги. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nanokardiologija

В последние годы появились единичные сообщения о разработке нанороботов, призванных осуществлять контроль уровня гликемии у пациентов с сахарным диабетом (Cavalcanti et al., 2008). Использование такого подхода позволяет избежать многократного, иногда на протяжении многих лет, взятия крови для определения уровня глюкозы. Кроме того, применение нанороботов, мониторирующих уровень глюкозы в крови, позволит повысить степень информированность пациентов о заболевании и обеспечить более четкий контроль гликемии. Наличие циркулирующих в крови нанороботов может дать возможность одновременного анализа уровня гликемии в сосудах различных органов. При этом создается уникальная возможность оценивать степень поглощения глюкозы различными тканями и идентифицировать ткани с наиболее выраженными нарушениями захвата глюкозы. Дополнительную диагностическую информацию может дать мониторинг концентрации глюкозы в крови у пациента, находящегося в различных состояниях (покой, физическая нагрузка, до и после приема пищи и т. д.).

Оболочка разрабатываемого для этих целей наноробота представлена нанокомпозитами углерода и металлов, что придает поверхности наноробота идеальную гладкость, делает ее химически инертной, а по прочности приближает ее к алмазу. На поверхности наноробота формируется искусственный гликокаликс, предотвращающий адгезию фибриногена и маскирующий устройство от распознавания иммунной системой. Определение текущего местонахождения наноробота обеспечивается за счет радиочастотного идентифицирующего устройства. Движение наноробота осуществляется с потоком крови без дополнительного активного перемещения. Основными функциональными элементами наноробота для мониторинга уровня гликемии являются: 1) химический датчик, 2) источник питания, 3) передатчик. В качестве датчиков для определения концентрации глюкозы предполагается использовать наносенсоры на основе металлоксидных полупроводников. Предполагается, что плотность нанороботов в крови будет составлять около 1012 в среднем объеме циркулирующей крови взрослого человека (5 л). При этом общая масса нанороботов составляет менее 0,2 г. Существуют предпосылки для обеспечения передачи информация о критических изменениях уровня глюкозы в крови непосредственно на мобильный телефон пациента.

Элиминация нанороботов из организма может быть достигнута следующим образом: в поверхностный слой наноробота загружается гиалуронидаза, которая расщепляет гликокаликс поверхности робота. После истекания срока службы нанороботов (ожидаемое время полужизни около 3 месяцев) или при принятии решения о прекращении мониторинга уровня гликемии к нанороботам направляется радиосигнал, который инициирует высвобождение гиалуронидазы (Gough et al., 2000). В результате происходит утрата поверхностного защитного слоя гликопротеинов, и нанороботы распознаются и элиминируются иммунной системой организма.

Таким образом, использование нанороботов для контроля уровня глюкозы в крови может способствовать повышению качества жизни пациентов с сахарным диабетом и улучшению результатов их лечения. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nanojendokrinologija

Проблеме применения наночастиц для диагностики и терапии онкологических заболеваний в последнее десятилетие были посвящены многочисленные исследования. В настоящем разделе приводятся лишь последние данные, касающиеся этого важного вопроса.

В диагностике опухолей используются различные типы наночастиц, включая квантовые точки, нанооболочки, коллоидные наночастицы металлов, суперпарамагнитные наночастицы и углеродные наноструктуры. Результаты исследований, направленных на использование квантовых точек для визуализации опухолей, уже были описаны в разделе 5.1. Основной проблемой на пути использования квантовых точек для диагностики опухолей является достаточно высокая токсичность металлов, входящих в состав первых. Для уменьшения токсичности применяются пассивирующие покрытия, например, сульфидами цинка и кадмия. Фотостабильность покрытых этими материалами квантовых точек не страдает. Дополнительное улучшение биосовместимости квантовых точек достигается их покрытием полиэтиленгликолем, белками и углеводами (Hartman et al., 2008). Нанооболочки, покрытые тонким слоем золота, могут использоваться для одновременной диагностики и терапии опухолей. В исследовании Gobin et al. (2007) облучение аккумулированных в опухолевой ткани нанооблочек околоинфракрасным светом приводило к термической деструкции карцином у мышей. Суперпарамагнитные наночастицы могут служить эффективным контрастным агентом при проведении магнитно-резонансной томографии. В настоящее время имеется опыт четкой визуализации злокачественных опухолей прямой кишки (Тота et al., 2005) и рака молочной железы (Funovics et al., 2004) с помощью суперпарамагнитных частиц с присоединенными к их поверхности моноклональными антителами. Одним из перспективных способов направленной доставки суперпарамагнитных наночастиц в опухолевую ткань является их конъюгация с фолиевой кислотой. Активный захват последней опухолевыми клетками обеспечивает избирательное накопление наночастиц в опухоли (Sun et al., 2006). Подобно нанооболочкам, суперпарамагнитные наночастицы могут использоваться для термической абляции опухолей. Нагревание наночастиц в данном случае обеспечивается облучением импульсным магнитным полем. Недавно завершенная I фаза клинического исследования, проведенного на пациентах с раком предстательной железы, показала достоверное снижение простатоспецифического антигена у 8 из 10 пациентов, прошедших процедуру термической абляции опухоли с помощью суперпарамагнитных наночастиц (Johannsen et al., 2007).

Углеродные нанотрубки также рассматриваются в качестве перспективных противоопухолевых наноструктур. В работе Kam et al. (2005) было показано, что функционализированные фолатом однослойные нанотрубки интернализировались опухолевыми клетками, причем облучение опухоли ближним инфракрасным светом приводило к интенсивному разогреву нанотрубок, вызывавшему лизис клеток опухоли без повреждения соседних клеток.

Кроме углеродных нанотрубок, для визуализации и терапии опухолей в будущем могут применяться производные фуллерена. Эндоэдральные комплексы фуллерена с ионами гадолиния Gd3+, называемые гадофуллеренами, в настоящее время используются в качестве неселективных контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. Большой интерес вызывает перспектива использования гадофуллеренов для прицельной визуализации опухолей, однако к настоящему времени таких исследований не проводилось. Теоретическая возможность создания конъюгатов противоопухолевых антител с «пустыми» молекулами фуллеренов была изучена в работах Ashcroft et al. (2006) и Rancan et al. (2007).

Различные типы наночастиц могут выступать в роли транспортеров противоопухолевых препаратов. Основной проблемой при этом является обеспечение селективного накопления содержащих препарат наночастиц в опухолевой ткани. Для решения этой проблемы используются два подхода - пассивное и активное «прицеливание» (targeting) (Lamrners et al., 2008). Пассивная доставка химиотерапевтических средств, иммобилизированных на наночастицах, основана на таких особенностях опухолевых сосудов, как повышенная проницаемость и отсутствие полноценных лимфатических капилляров. В результате длительно циркулирующие в кровотоке наночастицы накапливаются в интерстиции опухоли и задерживаются в нем (Duncan, 2006). Активная доставка предполагает соединение поверхности наночастиц, содержащих химиопрепарат, с моноклональными антителами или специфическими пептидами, которые распознаются поверхностными рецепторами опухолевых клеток.

Примером пассивной доставки химиопрепаратов к опухолевым клеткам может служить использование в клинической практике липосом, нагруженных доксорубицином. Известны также липосомальные противоопухолевые препараты, содержащие винкристин и цисплатин. Для пассивной доставки противоопухолевых препаратов широко используются биополимеры. Так, например, в 2005 году был одобрен для клинического применения при раке молочной железы препарат абраксан, представляющий собой конъюгат альбумина и паклитаксела. Примером активной доставки является использование конъюгатов радионуклидов, иммунотоксинов и противоопухолевых антибиотиков с антителами против CD20, CD25 и CD33 при диагностике и терапии неходжкинской лимфомы, Т-клеточной лимфомы и острого миелобластного лейкоза, соответственно (Larnmers et al., 2008).

Исчерпывающая информация об использовании нанотехнологии в онкологии может быть получена из обзоров Hartman et al. (2008) и Lammers et al. (2008).

Нанобиотехнологии открывают широкие возможности для создания новых классов кровезаменителей, лишенных недостатков донорской крови. Одним из примеров второго поколения кровезаменителей является полигемоглобин, связанный с каталазой и супероксиддисмутазой (Powanda, Chang, 2002). Кровезаменители на основе такого полигемоглобина особенно эффективны при геморрагическом шоке, сопровождающемся массивной ишемией с последующей реперфузией. Третье поколение кровезаменителей, разрабатываемое в настоящее время, основано на создании искусственных эритроцитов, содержащих гемоглобин и ферментативные системы. Определенный интерес представляет модель искусственного эритроцита, предложенная Chang et al. (2003). Оболочкой такой искусственной клетки служит тонкая мембрана, состоящая из кополимера полилактида и полиэтиленгликоля и проницаемая для глюкозы и других небольших гидрофильных молекул. Внутри искусственного эритроцита содержится гемоглобин, супероксиддисмутаза, каталаза и метгемоглобинредуктаза. Результаты экстраполяции данных о продолжительности циркуляции искусственных эритроцитов в крови, полученных на крысах, на клиническую ситуацию у человека показывают, что среднее время циркуляции может составлять до 41 часа. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nanoonkologija

Поскольку наноструктуры с диагностическими и терапевтическими функциями могут быть сравнительно просто доставлены в просвет дыхательных путей, наномедицинские технологии оказались применимы к целому ряду заболеваний легких, а именно: обструктивным заболеваниям легких, генетическим нарушениям в дыхательной системе, инфекционным заболеваниям и опухолям (Pison et al., 2006).

В патогенезе атопической бронхиальной астмы важная роль принадлежит активности перибронхиального воспаления. В свою очередь, выраженность воспаления зависит от уровня экспрессии Р-селектина, обеспечивающего адгезию лейкоцитов к поверхности эндотелиальных клеток легочных микрососудов. John et al. (2003) создали полимерные наночастицы с функциональными группами, способными имитировать естественные сайты связывания Р-селектина. В результате введения этих наночастиц наблюдалось выраженное ослабление реактивности бронхов в ответ на аллерген и уменьшение инфильтрации перибронхиальной ткани эозинофилами у мышей in vivo. В другом исследовании наночастицы, содержащие хитозан и ДНК интерферона γ, при интраназальном введении мышам, сенсибилизированным овальбумином, способствовали достоверному уменьшению гиперреактивности дыхательных путей и ослаблению гистологических признаков воспаления в ткани легких (Kumar et al., 2003).

Доставка генетических конструкций к эпителиальным клеткам, в геноме которых имеются мутации генов эпителиального хлорного канала, может оказаться перспективной для лечения муковисцидоза. Так, в работе Truong-Le et al. (1999) были получены данные о том, что трансфекция гена эпителиального хлорного канала в человеческие эпителиальные клетки трахеи и бронхов с помощью желатиновых наночастиц приводит к экспрессии данного гена в 50% клеток.

Бактериальные и вирусные инфекции дыхательной системы играют ключевую роль в прогрессировании хронической обструктивной болезни легких и муковисцидоза, приводя к утрате функционирующей легочной паренхимы и дыхательной недостаточности. Установлено, что повторное пероральное введение мышам наночастиц на основе органических полимеров, содержащих три основных противотуберкулезных препарата (рифампицин, изониазид и пиразинамид), позволяло полностью элиминировать микобактерии из организма животных, добившись при этом более редкого введения препаратов, чем при стандартной терапии (Pandey et al., 2003). Биодоступность противотуберкулезных препаратов еще более возрастает при введении нагруженных ими наночастиц ингаляционным путем (Pison et al., 2006).

Наноносители могут также успешно использоваться для индукции длительного иммунного ответа против респираторных вирусов. Например, введение мышам хитозановых наносфер, содержащих «коктейль» из ДНК плазмид, кодирующих антигены респираторного синцитиального вируса, приводило к существенному повышению титров иммуноглобулинов А и G, числа цитотоксических Т-лимфоцитов и концентрации интерферона у (Kumar et al., 2002). В последние годы наночастицы также успешно использовались в эксперименте для вакцинации против вируса парагриппа. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/zabolevanija-legkih

Хорошая биосовместимость нанотрубок и их электропроводность делают возможным использование этого класса наноматериалов в качестве матриц для индукции роста нейрональных сетей. Функционализированные нанотрубки создают хорошую основу для прикрепления конусов роста удлиняющихся аксонов (Hu et al., 2004). Структура поверхности нанотрубок оказывает влияние на интенсивность роста аксонов и степень их ветвления. Показано, что скорость роста аксонов и длина их отростков были максимальными при использовании в качестве подложки положительно заряженной поверхности покрытых полиэтиленимином нанотрубок (Hu et al., 2005). При этом использование в качестве матрицы других вариантов нанотрубок не давало такого хорошего результата. Интенсивный рост отростков нейронов наблюдался также на поверхности нанотрубок, покрытых 4-гидроксиноненалом (фактором роста нейронов) (Mattson et al., 2000). На основании этих данных была предложена схема использования пространственно упорядоченных положительно заряженных нанотрубок в качестве трехмерной матрицы для стимуляции роста нейрональных сетей (Lovat et al., 2005).