Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Наиболее часто используемой мишенью для молекулярной визуализации с помощью магнитно-резонансной томографии является интегрин avβ3. Для визуализации этого маркера опухолевого роста впервые были использованы парамагнитные липосомы, покрытые антителами и содержащие ионы гадолиния (Sipkins et al., 1998). Для направленной доставки парамагнитных наночастиц к клеткам опухолей использовался уже упоминавшихся ранее трипептид АРГ-ГЛИ-АСП (Winter et al, 2003). У кроликов с чешуйчато-клеточной карциномой инъекция таких наночастиц сопровождалась выраженным усилением сигнала на периферии опухоли через 2 часа после инъекции. В одном из последних исследований парамагнитные наночастицы против интегрина avβ3 использовались для визуализации ранних стадий атеросклероза (Winter et al., 2006). Примечательно, что эти наночастицы содержали фумагиллин - мощный антиангиогенный препарат, блокирующий рост сосудов атеросклеротической бляшки. Через неделю после первой инъекции наночастиц они вводились снова, причем интенсивность сигнала при повторном введении была менее выраженной у животных, которым в первый раз вводились наночастицы с фумагиллином. Эти данные рассматриваются авторами как свидетельство антиатерогенного эффекта наночастиц, содержащих препарат. Таким образом, парамагнитные наночастицы могут выполнять роль бионаномашин, сочетая в себе функциональные элементы, обеспечивающие направленную доставку, визуализацию и терапевтический эффект.

К настоящему времени были выполнены единичные исследования, в которых изучалась возможность визуализации других молекулярных мишеней с помощью магнитно-резонансной томографии и наночастиц. Так, Flacke et al. (2001) изучали диагностическую эффективность содержащих гадолиний наночастиц для выявления нестабильных атеросклеротических бляшек. Данные парамагнитные наночастицы были направлены против молекул фибрина, причем их введение собакам in vivo позволяло выявить нестабильные бляшки. Другими авторами изучалась возможность использования парамагнитных наночастиц для доставки антирестенотических препаратов к гладким миоцитам сосудистой стенки (Lanza et al., 2002). Так или иначе, метод молекулярной визуализации с помощью магнитно-резонансной томографии пока находится на ранней стадии своего развития. Большинство выполненных исследований было направлено на визуализацию сосудов, что связано с достаточно большими размерами парамагнитных наночастиц. Совершенствование методов создания парамагнитных наночастиц, имеющих сродство к определенным внутриклеточным структурам, может в перспективе сделать возможной визуализацию определенных типов клеток. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/molekuljarnaja-vizualizacija/magnitno-rezonansnaja-tomografija

В большинстве выполненных к настоящему времени исследований наноплатформ для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии и позитронно-эмиссионной томографии изучалась возможность направленной доставки наночастиц, меченых радиоизотопами, к опухолевой ткани с целью ее визуализации. Например, наночастицы оксида железа, меченые изотопом 111In и содержащие моноклональные антитела, исследовались на модели рака молочной железы у мышей (DeNardo et al., 2005). Эти наночастицы обеспечивали оптимальную детекцию опухоли и, после их нагревания за счет облучения переменным магнитным полем, вызывали термолизис опухолевой ткани (рис. 4). Перфторуглеродные наночастицы, также меченые 111In, использовались для детекции опухолевого ангиогенеза у кроликов (Hu et al., 2007). Селективность связывания этих наночастиц с опухолевыми сосудами обеспечивалась их направленностью против интегрина avβ3. Было показано, что наночастицы, содержащие около 10 атомов 111In, обладают гораздо большей диагностической специфичностью, чем те, что содержат 1 атом изотопа. Важнейшее преимущество однофотонной эмиссионной компьютерной томографии перед позитронно-эмиссионной томографией состоит в возможности одновременной визуализации нескольких радиоизотопов, поскольку гамма-лучи от различных изотопов могут быть дифференцированы по их энергии. На сегодняшний день в литературе отсутствуют данные о попытках использования двойной радиоизотопной визуализации с помощью наночастиц.

Рис. 4. Схема строения гибридной наночастицы, предназначенной для диагностики и терапии опухолей (пояснения в тексте) (по Cai, Chen, 2007).

Несколько исследований были посвящены изучению наноплатформ для позитронно-эмиссионной томографии. Liu et al. (2007) изучили распределение 64Cu-меченых однослойных нанотрубок в организме мыши in vivo с помощью позитронно-эмиссионной томографии, а также распределение этих нанотрубок ex vivo. Было показано, что нанотрубки обладают высокой стабильностью in vivo, причем длина функционализирующих их молекул полиэтиленгликоля оказывает влияние на распределение и время полужизни в кровотоке. В том же исследовании была показана хорошая диагностическая информативность нанотрубок для выявления опухолей, содержащих интегрин avβ3.

Использование наночастиц в качестве контрастных агентов для радионуклидных исследований сопряжено с некоторыми трудностями в интерпретации получаемых результатов. Дело в том, что радионуклидные методы диагностики визуализируют в первую очередь изотоп, а не наночастицы. Суждения о накоплении наночастиц в том или ином органе в данном случае являются косвенными, поскольку в ходе исследования не исключается диссоциация радионуклида и поверхностного слоя наночастиц. Обеспечение более прочного связывания наночастиц с радиоизотопами будет способствовать созданию интегральных структур, дающих возможность одновременного количественного анализа молекулярных изображений и направленной доставки лекарственных препаратов. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/molekuljarnaja-vizualizacija/radionuklidnaja-vizualizacija

Ни один из существующих методов визуализации не может быть признан идеальным и дающим полную информацию об объекте исследования. Например, количественная оценка флуоресцентных сигналов затруднена in vivo и, кроме того, не дает возможности визуализировать глубоко лежащие ткани. С другой стороны, магнитно-резонансная томография обеспечивает высокое разрешение сигнала, но страдает от недостаточной чувствительности. Таким образом, комбинация различных методов визуализации могла бы дать более качественную информацию об исследуемом объекте.

В настоящее время предпринимаются попытки разработки бимодальных агентов для магнитно-резонансной томографии и оптической визуализации. Парамагнитные флуоресцирующие липосомы, несущие сайты связывания с интегрином avβ3, использовались для изучения опухолей у мышей in vivo (Mulder et al., 2005). Использование таких наноструктур позволило авторам лучше изучить паттерны адгезии липосом к эндотелию опухолевых микрососудов. Cai et al. (2007) недавно сообщили о разработке бимодального агента на основе квантовых точек для одновременной молекулярной визуализации интегрина avβ3 с помощью позитронно-эмиссионной томографии и инфракрасной флуоресценции. В качестве радионуклида для позитронно-эмиссионной томографии использовался 64Cu. С использованием этого метода производилась количественная оценка эффективности направленной доставки частиц к опухолевым сосудам. Было показано, что для достижения достаточной интенсивности позитронно-эмиссионного томографического сигнала при этом требуется гораздо меньшая концентрация наночастиц, чем та, что необходима для флуоресценции in vivo. Это позволяет значительно понизить ожидаемую токсичность кадмиевых квантовых точек, что делает гораздо более реальным использование этого метода для дальнейших биомедицинских исследований.

Обратимое подавление экспрессии генов с помощью интерферирующей и антисмысловой РНК широко применяется в современной биологии и медицине. Для доставки иРНК в опухолевые клетки и визуализации ее внутриклеточного накопления была разработана методика, включающая одновременное получение магнитно-резонансного томографического- и флуоресцентного сигналов (Medarova et al., 2007). Использованное для этой цели наноустройство состояло из магнитных наночастиц, связанных с флуоресцентной меткой и иРНК. Кроме того, к поверхности наночастиц дополнительно присоединялся мембранный пептид для внутриклеточной транслокации. Накопление наночастиц было подтверждено в опухолевой ткани с помощью магнитно-резонансной томографии и инфракрасной флуоресценции.

Таким образом, нанотехнологии находят применение практически во всех современных способах диагностики, связанных с визуализацией тканей. Использование наночастиц позволяет перейти на уровень молекулярной визуализации, дающей возможность наблюдать тонкие патологические изменения внутри и вне клеток. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/molekuljarnaja-vizualizacija/bimodalnaja-vizualizacija

По некоторым оценкам, до 95% вновь созданных лекарственных препаратов демонстрируют серьезные недостатки фармакокинетических параметров и/или обладают выраженными побочными эффектами (Brayden, 2003). В связи с этим, актуальную задачу представляет разработка методов направленной (таргетной) доставки лекарственных препаратов к поврежденным тканям. Способы направленной доставки лекарств обеспечивают достижение действующей концентрации препарата в поврежденной ткани без выраженного системного эффекта. Нанотехнологии способствуют решению этой задачи, что, в свою очередь, позволяет снизить дозировки препаратов, увеличить их терапевтический эффект и повысить безопасность их применения. Под «нанолекарствами» понимают наноразмерный (1-100 нм) переносчик, содержащий инкапсулированное, диспергированное, адсорбированное или конъюгированное лекарственное вещество (Коо et al., 2005).

Коо et al. (2005) приводят следующие преимущества использования наночастиц в качестве переносчиков лекарственных препаратов. Во-первых, при использовании наноразмерных переносчиков объем распределения препарата обычно снижается. Во-вторых, происходит снижение токсичности препарата за счет его избирательного накопления в поврежденной ткани и меньшего поступления в здоровые ткани. В-третьих, многие нанопереносчики увеличивают растворимость гидрофобных веществ в водной среде и, таким образом, делают возможным их парентеральное введение. В-четвертых, системы доставки способствуют повышению стабильности препаратов на основе пептидов, олигонуклеотидов и небольших гидрофобных молекул. И, наконец, в-пятых, нанопереносчики представляют собой биосовместимые материалы.

По механизму обеспечения адресной доставки препаратов выделяют две основные стратегии – пассивный и активный перенос. Пассивный перенос происходит за счет преимущественного выхода лекарственных наночастиц в воспаленную или опухолевую ткань вследствие локального повышения проницаемости микрососудов при этих патологических процессах. Для дополнительного повышения проницаемости микрососудов в ткани-мишени могут применяться такие физические факторы, как ультразвук (Nelson et al., 2002) и гипертермия (Meyer et al., 2001). Для обеспечения эффективного пассивного переноса требуется продолжительная циркуляция лекарственных наночастиц в кровотоке. В то же время, немодифицированные наночастицы достаточно быстро подвергаются опсонизации и захвату клетками ретикуло-эндотелиальной системы. «Маскирование» наночастиц наиболее часто достигается за счет их покрытия слоем полиэтиленгликоля, который обладает химической инертностью и низкой иммуногенностью. Показано, что время полужизни в кровотоке покрытых полиэтиленгликолем липосом составляет от 15 до 24 часов у грызунов и до 45 часов у человека (Woodle, 1993), в то время как непокрытые липосомы имеют время полужизни, не превышающее 2 часов (Allen, Everest, 1983). Пассивный перенос препаратов в центральную нервную систему может иметь место при ее заболеваниях, сопровождающихся повышением проницаемости гемато-энцефалического барьера. Показано, что повышение проницаемости последнего происходит при ишемическом инсульте, болезни Альцгеймера, некоторых энцефалопатиях и рассеянном склерозе.

Активная доставка лекарственных препаратов в поврежденные ткани предполагает маркирование поверхности наночастиц антителами или иными распознающими элементами, которые обеспечивают высокоизбирательное связывание наночастиц с антигенами, экспрессирующимися на поверхности поврежденных клеток. Примеры использования нанотехнологии для пассивного и активного переноса лекарственных препаратов в опухолевую ткань приводятся в разделе 7.2.

Среди различных наночастиц, описанных в разделе 2.3, в качестве переносчиков лекарственных препаратов в настоящее время наиболее активно изучаются липосомы, фосфолипидные и полимерные мицеллы, наноэмульсии, полимерные биодеградируемые наночастицы и дендримеры. Более подробная информация о перспективах использования нанотехнологии для направленной доставки лекарственных препаратов может быть получена из двух других статей, вошедших в настоящую монографию. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/dostavka-lekarstv

Наномедицинские подходы все более интенсивно внедряются в конкретные медицинские специальности, обеспечивая решение проблем лечения сердечно-сосудистых, эндокринных, онкологических заболеваний, а также заболеваний нервной, пищеварительной, дыхательной систем и опорно-двигательного аппарата. В последние годы формируются отдельные направления наномедицины, названные соответственно отраслям медицинских знаний, например, наноневрология, наноонкология, наноэндокринология и т. д. Ниже описываются достижения последних лет в некоторых конкретных областях наномедицины. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina

Использование нанотехнологии и наноматериалов в кардиологии приводит к существенному прогрессу в диагностике и терапии сердечнососудистых заболеваний.

Борьба с последствиями артериального и венозного тромбоза остается важнейшей задачей современной кардиологии. В последнее время получены данные о тромболитическом эффекте малоинтенсивного ультразвука. Добавление микро- или нанопузырьков не только увеличивает разрешающую способность при осуществлении ультразвуковой визуализации, но и усиливает тромболитический эффект ультразвука, даже в отсутствие традиционных тромболитиков (Birnbaum et al., 1998). Механизм терапевтического эффекта нанопузырьков включает их прикрепление к тромбу, фрагментацию (после облучения ультразвуком) и механическое разрушение тромба. Эта методика получила название сонотромболизиса (Daffertshofer, Hennerici, 2006).

В настоящее время проводятся клинические исследования, посвященные эффективности сонотромболизиса с использованием нанопузырьков, наполненных перфторпропаном, у пациентов с ишемическим инсультом (Unger, 2006).