Наночастица – это объект, размер которого не превышает 100 нанометров. Несмотря на кажущуюся абстрактностью этого определения, оно встречается в повседневной жизни. Ярким примером служит мыльный пузырь. При увеличении его объема стенки пузыря темнеют, становясь почти прозрачными. Это происходит из-за уменьшения толщины стенок до менее чем 100 нанометров, что классифицирует их как нанообъекты. В науках о жизни наночастицы чаще всего встречаются в форме простых сферических или эллипсоидальных объектов. Они нашли широкое применение в онкологии, где используются для выявления злокачественных новообразований, доставки лекарственных препаратов к ним и последующего уничтожения опухоли. В настоящее время основным методом лечения онкологических заболеваний является химиотерапия. В рамках этой терапии пациентам вводят внутривенно химические соединения, которые по своей природе являются токсичными. Эти соединения распространяются по всему организму, проникая в различные ткани и вызывая их повреждение.

Химиотерапия воздействует не только на раковые клетки, но и на здоровые ткани, и это серьезная проблема, помочь в решении которой могут наночастицы.

Наночастицы не попадают в большую часть тканей: они не могут выйти за пределы стенок здоровых сосудов. Однако у опухолевых тканей повышенная проницаемость сосудов, и наночастицы могут в них проникнуть, что доказал японский фармаколог Хироши Маэда в 1980-х годах. Но иммунная система быстро изымает наночастицы из кровотока. Это также является серьезным вызовом для ученых.

Почему наночастицы лучше традиционных онкопрепаратов

Преимущество использования наночастиц в химиотерапии неоспоримо: они менее токсичны, чем стандартные препараты. Например, доксорубицин — противоопухолевый препарат, который повреждает ДНК клеток. Наиболее чувствительны к нему гладкомышечные клетки сердца. Под влиянием доксорубицина ритмы сердца меняются, что может привести к сердечной недостаточности или аритмии. Если доксорубицин вводить в составе наночастиц, то его концентрация в организме станет выше, но он не вызовет серьезных осложнений.

Благодаря наночастицам побочные эффекты от химиотерапии существенно уменьшились, притом что по эффективности они не уступают стандартным препаратам. Сегодня многие научные группы пытаются собрать собственные комплексы — сложные наносоединения, которые будут обладать удивительными свойствами и существенно упростят терапию рака. Например, можно сделать нанокомплексы, которые будут саморазбиваться при попадании в опухоль. Это облегчит распространение препарата по всему объему злокачественного образования. Их можно сделать контрастными, различимыми существующими системами медицинской визуализации, такими как МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими системами — последнее нашло широкое применение в работе с онкологическими животными моделями для изучения методов онкотерапии. Нанокомплексы можно сделать гибридными, сочетающими органическую и неорганическую природу. Биогибридные комплексы можно создать такими, чтобы они были способны избежать захвата клетками иммунной системы, что приведет к лучшему накоплению в опухоли и метастазах. И это только малая часть возможностей, открываемая нанотехнологиями.

Как наночастицы помогут защититься от солнца

Еще одно направление, где применяются наночастицы, — токсикология. Люди вдыхают, потребляют частицы разных веществ и соприкасаются с ними. Однако не все частицы из этого разнообразия безопасны, некоторые могут серьезно навредить человеку. Влияние наночастиц на наш организм и возможные подходы к снижению их воздействия изучает нанотоксикология.

Самый простой пример — солнцезащитный крем. Вы пришли на пляж и, чтобы защитить себя от ультрафиолетовых лучей, нанесли крем на кожу. Казалось бы, что может угрожать? Дело в том, наночастицы крема могут проникать в клетки кожи и повреждать их. Особенно выделяются наночастицы органических фильтров — например, октокрилен или энсулизол. Они обесцвечиваются под лучами солнца, как одежда, и теряют свои защитные свойства, поэтому крем приходится наносить повторно. Еще органика может привести к неприятным последствиям, таким как раздражение кожи.

В солнцезащитных кремах используются не только органические соединения. В большинстве современных продуктов основной компонент — неорганические частицы, а именно оксид цинка и диоксид титана. Эти два оксида металлов хороши тем, что они фотостойкие, не разрушаются под воздействием солнечных лучей. Однако и у них есть свои минусы: под лучами солнца они становятся фотокаталитами и начинают производить активные радикалы, которые безопасны, потому что остаются в составе крема.

Наночастицы оксида цинка считаются самым эффективным солнцезащитным фильтром. Они поглощают свет в опасном диапазоне — ультрафиолет типа А, который может привести к ожогам разной степени и повредить ДНК. В результате у человека могут возникнуть мутации, приводящие к развитию меланомы — злокачественного образования.

Но в 2016 году в научной статье появилось сообщение, что частицы цинка, оказавшись на коже, растворяются и попадают внутрь организма. Роговой слой эпителия — верхнего слоя кожи — закислен секретом сальной железы, который защищает ее от микробов. Как оказалось, наночастицы растворяются в секрете и проникают в клетки в качестве ионов.

Клеточная машинерия построена на том, что цинк участвует в регенерации клеток и заживлении ран. Но будет ли дополнительный цинк, который проникает в кожу после солнцезащитного крема, токсичен для организма? Над этим вопросом мы долгие годы работали в лаборатории Университета Маккуори (Австралия) и Сеченовском университете, а сейчас готовим результаты исследований к публикации.

Почему эта проблема так важна? Солнечные лучи вызывают рак кожи. Особенно это актуально для тех, кто много времени проводит под солнцем. Например, у двух из трех жителей Австралии, рожденных в этой стране, к семидесяти годам будет диагностирована та или иная форма рака кожи. Не все типы рака кожи столь злокачественны, как меланома, но защититься хотелось бы от всех. Именно поэтому в Австралии развернулась общественная кампания против этой формы онкологии. Рак кожи возникает, когда клетки повреждаются в результате чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения солнца. Чтобы уберечь людей от меланомы, фармкомпании разрабатывают новые соединения для солнцезащитных кремов, в том числе основываясь на последних достижениях наномедицины.

Диагностика, терапия и применение наночастиц

Кроме того, наночастицы используются в тераностике — это подход в медицине, объединяющий терапию и диагностику. Главное направление, в котором задействована тераностика, — онкология. Предположим, раковую опухоль трудно обнаружить. В этом случае нам помогут наночастицы. Когда наночастицы вводят в организм, недоброкачественное образование накапливает их. Чтобы его обнаружить, ученые делают наночастицы способными к контрасту — различимыми имиджинговыми инструментами, включая МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими камерами. В последнем случае регистрация происходит следующим образом: когда в опухоли скопилось нужное количество таких частиц, их облучают светом, который наночастицы переизлучают с изменением цвета, и их можно зарегистрировать с помощью, например, камеры. Такой способ называется флуоресцентным имиджингом, и он позволяет выявлять онкологические заболевания, а также обнаруживать и удалять оставшиеся после хирургической операции злокачественные ткани.

Но есть более стандартные методы, например радиоактивный имиджинг. В организм вводятся радиоактивные трейсеры — специальные нановещества, которые используются для наблюдения за химической реакцией или биологическим процессом. Благодаря имиджинговым системам можно обнаружить опухоль. Также применяются магнитные частицы оксида железа: они накапливаются в опухолях, и в системах МРТ видны места скоплений. Так можно обнаружить опухоль и сопутствующие ей метастазы. Эти методы сейчас находятся в активном развитии, и есть основания полагать, что они будут использованы в клинической практике.

Тераностика применяется по отношению к людям, но наночастицы задействованы меньше, чем стандартные препараты. Один из примеров тераностики, если не привязываться к наночастицам, — визуализация при операции по удалению глиомы — рака мозга. Глиома образуется таким образом, что узел виден, но нитеобразные метастазы, которые проникают в ткани головного мозга, — нет. Эти метастазы необходимо удалить: если этого не сделать, опухоль может развиться снова. Чтобы понять, где расположены метастазы и сама опухоль, в раковые ткани вводят флуоресцентные маркеры.

Один из таких флуоресцентных маркеров — препарат аласенс, который используется для лечения и диагностики онкологических заболеваний. Он накапливается в опухолевых клетках и заставляет их вырабатывать порфирин — пигмент, который в больших количествах распространен в живой природе. Порфирин ценен тем, что если на него светить зеленым светом, то он будет отсвечивать красным, что говорит о потенциале пигмента в медицине. Врачам достаточно поставить фильтр, который блокирует зеленый свет, и фильтр, который выделяет красный. Таким образом, во время операции хирург смотрит не на опухоль, а на монитор, на котором злокачественное образование подсвечено красным цветом.

В НМИЦ нейрохирургии имени академика Н. Н. Бурденко стандартно проводятся операции с использованием аласенса. Аласенс — препарат, позволяющий проводить фотодинамическую терапию. Если на него сильно посветить, то он будет токсичен для опухоли. Такая операция возможна, но хирурги предпочитают оперировать. Это пример того, как диагностический препарат помогает в хирургии человека.

Тераностика активно развивается, но, к сожалению, сегодня нанотехнологии не нашли широкого применения в онкологии. Ученые предпочитают химиотерапию в устоявшемся виде, а не с помощью наночастиц. Одна из причин — долгое и дорогостоящее тестирование нанопрепаратов и одобрение надзорных медицинских ведомств, что является вполне обоснованным: в первую очередь нельзя навредить пациенту. Кроме того, препараты наномедицины являются высокотехнологичными, а потому дорогостоящими. Поэтому тераностика с применением наночастиц в основном используется в исследованиях на животных, но подобные типы имиджинговых систем крайне полезны: доктора вводят препарат и видят, где он накопился. Так легко обнаружить раковые опухоли и прооперировать человека в нужный момент.

Примеры использования наночастиц:

Одним из примеров наночастиц, используемых в фармакологии, являются липосомы, сферические наночастицы, созданные из фосфолипидов, которые могут быть заполнены лекарством.

Что такое липосомы?

Липосомы – это микроскопические сферические структуры, состоящие из липидных слоев, которые могут содержать внутри себя различные вещества, включая лекарственные препараты. Липосомы используются в медицине для доставки лекарственных веществ в организм, увеличения их эффективности и уменьшения побочных эффектов. Они также могут использоваться в косметологии для доставки активных ингредиентов в кожу.

Нанороботы

Нанороботы – это микроскопические роботы, размером от нескольких до нескольких сотен нанометров, которые могут выполнять различные функции, такие как доставка лекарственных веществ в организм, диагностика и лечение заболеваний. Нанороботы могут быть созданы из различных материалов, включая металлы, полимеры и биологические материалы, и могут быть управляемыми с помощью различных методов, таких как магнитные поля или свет.

Нанороботы могут быть полезны в различных областях, например, в медицине, где они могут доставлять лекарственные вещества в нужные места в организме, диагностировать и лечить заболевания, а также помогать в регенерации тканей. Они также могут использоваться для очистки окружающей среды, например, для утилизации опасных отходов или очистки загрязненных водоемов.

Примером использования нанороботов может быть доставка лекарственных веществ в раковые клетки. Нанороботы могут быть оборудованы специальными датчиками, которые обнаруживают раковые клетки и доставляют лекарственные вещества прямо к ним, минуя здоровые клетки. Это позволяет уменьшить побочные эффекты от лекарств и повысить эффективность лечения.

Нанороботы находятся на стадии исследований и разработок, поэтому пока нет широкомасштабных примеров их применения в реальной жизни. Однако, проводятся многочисленные исследования и эксперименты, направленные на определение возможностей использования нанороботов в медицине, экологии и других областях. Например, в 2018 году исследователи из Калифорнийского университета разработали нанороботов, которые могут уничтожать раковые клетки в крови. Также были проведены эксперименты с использованием нанороботов для доставки лекарственных веществ в организме животных. В будущем, с развитием технологий, возможно, нанороботы станут широко применяемыми в различных отраслях науки и техники.

Одним из примеров нанороботов, используемых в фармакологии, являются дендримеры.

Что такое дендримеры?

Дендримеры – это молекулы, которые имеют ветвистую структуру и могут использоваться в качестве наноносителей для доставки лекарственных веществ. Они могут быть функционализированы различными группами, что позволяет улучшить их свойства и способность к взаимодействию с клетками.

Кто открыл дендримеры?

Дендримеры были открыты в 1980-х годах Лесли Анн Маклачланом и Дональдом Томасом в Университете Пенсильвании.

Дендримеры были применены в медицине в 2019 году при исследовании раковых опухолей, несколькими научными группами. Например, одно из таких исследований было опубликовано в журнале “ACS Applied Materials & Interfaces” авторами из университета Шанхайских наук и технологий.

Наносенсоры – что это?

Наносенсоры – это устройства с датчиками, которые используют нанотехнологии для обнаружения и измерения различных химических и биологических веществ. Они могут быть использованы в медицине, науке, промышленности и других областях.

Разработка наносенсоров началась в 1980-х годах и продолжается до сегодняшнего дня. Различные научные группы и компании по всему миру занимаются их созданием и применением. Например, IBM разработала наносенсоры для обнаружения бактерий и вирусов, а университет Калифорнии в Беркли создал наносенсоры для измерения уровня глюкозы в крови.

Наносенсоры могут быть использованы для обнаружения различных заболеваний и состояний:

• Например, наносенсоры могут использоваться для обнаружения ранней стадии рака. Они могут обнаруживать изменения в концентрации белков и других молекул, которые могут указывать на наличие опухоли.
• Наносенсоры также могут использоваться для контроля уровня лекарственных препаратов в крови. Это может быть особенно полезно для пациентов, которые получают химиотерапию или другие лекарственные препараты, которые могут иметь токсические побочные эффекты.
• Кроме того, наносенсоры могут использоваться для обнаружения инфекций. Они могут обнаруживать изменения в концентрации бактерий и вирусов, что может помочь в диагностике и лечении инфекций.
• Наносенсоры также могут использоваться для контроля уровня кислорода в крови. Это может быть особенно полезно для пациентов с заболеваниями легких, таких как бронхиальная астма или хроническая обструктивная болезнь легких.

В целом, применение наносенсоров в медицине может помочь улучшить диагностику и лечение различных заболеваний, а также повысить качество жизни пациентов.

Преимущества использования нанотехнологий в фармакологии

Использование нанотехнологий в фармакологии и медицине имеет множество преимуществ. Во-первых, это позволяет создавать лекарства, которые более эффективно борются с заболеваниями. Наночастицы могут доставлять лекарства непосредственно в нужное место в организме, уменьшая побочные эффекты лекарств и повышая эффективность лечения.

Во-вторых, использование нанотехнологий в фармакологии позволяет улучшить способность организма к борьбе с болезнями. Наночастицы и нанороботы могут быть функционализированы, чтобы обеспечить специфическую доставку лекарств в нужное место в организме, что улучшает способность организма к борьбе с болезнями.

В-третьих, использование нанотехнологий в фармакологии позволяет улучшить диагностику заболеваний. Наносенсоры могут быть использованы для обнаружения различных веществ в организме, что позволяет более точно диагностировать заболевания.

Недостатки использования нанотехнологий в фармакологии и медицине

Несмотря на множество преимуществ, использования нанотехнологий в фармакологии и медицине, данная технология имеет некоторые недостатки. Во-первых, стоимость создания наночастиц, нанороботов и наносенсоров может быть очень высокой, что может сделать их недоступными для некоторых пациентов.

Во-вторых, использование нанотехнологий в медицине может привести к появлению новых побочных эффектов. Например, некоторые наночастицы могут вызывать воспалительные реакции в организме.

В-третьих, использование нанотехнологий в медицине и фармакологии может привести к появлению новых этических проблем. Например, некоторые наночастицы и нанороботы могут быть использованы для изменения физических способностей человека

Источники: http://www.nanometer.ru/, https://farmamed.ru/
Автор: Андрей Звягин