От прожектов Танигучи до nano crystal

В 1974 году инженером из Токийского университета Норио Танигучи была написана статья, посвящённая обработке материалов. Именно в этой работе впервые был упомянут термин «нанотехнология». Понадобилось ещё два десятилетия, чтобы он стал употребляться в широком научном обороте.

На сегодня нанотехнологии — одна из наиболее активно развивающихся областей науки в самых разных отраслях. В том числе в медицине и фармации.
США и Япония впереди

НаномедицинаРазвитие нанотехнологий сегодня является приоритетной задачей для учёных не только ведущих индустриальных держав, но и развивающихся стран, в частности, Азиатско-тихоокеанский регион в этом плане делает серьёзные успехи. Лидеры по масштабности проектов по реализации государственных научно-исследовательских программ в области нанотехнологии — США и Япония, в этих странах ежегодно инвестируют в данные программы свыше 1 млрд. американских долларов. С 1997 года объём инвестиций в нанотехнологии в мире вырос на порядок и в 2004 году составил уже 4,6 млрд. долларов.
Америка рассматривает процесс развития биотехнологий как основной мотор инноваций, в перспективе поспособствующий конкурентоспособности североамериканских продуктов на мировом рынке. Что характерно, доля частных инвестиций в биотехнологии в США превышает государственную, это говорит о том, что наноразработки там достаточно серьёзные, с солидным экономическим потенциалом.
Активно, быстрыми темпами развивается также современная наномедицина, привлекающая всеобщее внимание не одними лишь научными достижениями, но и своей социальной значимостью. Сегодня, когда говорят о нанотехнологиях в медицине, подразумевают под этим усовершенствование способов диагностики, мониторинга и лечения заболеваний.

Движущая сила — start-up компании

Наномедицина развивается, используя революционные достижения геномики и протеомики, позволившие учёным подступиться к пониманию молекулярных основ болезней. Нанотехнологии в медицине способны совершенствоваться только в том случае, если данные геномики и протеомики будут сочетаться с возможностями, которые позволяют создавать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.
Учёные на сегодня выделяют 5 основных областей применения нанотехнологии в медицине: адресная доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro и медицинские имплантаты.
О том, что значение наномедицины возрастает с каждым годом, можно судить по поступательному росту публикаций на данную тему, появляющихся в международных научных журналах, — подсчитано: в течение ю лет количество научных статей, касающихся применения нанотехнологии в медицине, в мире увеличилось в 4 раза.
Параллельно растёт и число патентных заявок на изобретения, что говорит об увеличивающейся коммерциализации данной сферы. И в этом плане бесспорный лидер — и по научным публикациям, и по количеству патентных заявок — снова США: на Америку ежегодно приходится 32% публикаций и 53% заявок, за Соединёнными Штатами следуют Германия (8% публикаций и ю% заявок) и Япония (соответственно, 9 и 6%).
Движущая сила многих наномедицинских инноваций — это start-up-компании, стратегия которых строится на том, чтобы внедрять и коммерциализировать инновации.
У представителей предприятий фармацевтической и медицинской промышленности в последние годы значительно повысился интерес к нанотехнологиям, соответственно, следует ожидать, что последуют значительные вложения в эту область. Не за горами то время, когда нанотехнологии займут ведущие роли в качестве движущей силы инноваций в медицине.
На сегодня, по подсчётам экспертов, мировой оборот наномедицинских препаратов оценивается в более чем ю млрд. долларов. Справедливости ради следует отметить, что лукавство данных этой статистики состоит в том, что к наномеди-цинским специалисты относят любые медицинские технологии, где используют наноматериалы или нанотехнологии. К примеру, применение наночастиц золота в экспресс-диагностике — это всего лишь одна из составных частей диагностического теста, но их наличие даёт экспертам основание причислять подобный способ диагностики к нанотехнологиям.
Свыше половины фармацевтических компаний-производителей, активно работающих в области наномедицины, применяют нанотехнологии для того, чтобы разработать новейшие системы доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. Данные препараты составляют на сегодня в мировой наномедицине 8о% оборота. Одна из ведущих областей применения таких систем — онкология. Установлено, что если применять подобные системы доставки, то уменьшаются неблагоприятные побочные эффекты лекарственных средств. На мировом рынке доля предприятий, которые производят на нанотехнологической основе имплантаты и средства для диагностики in vitro, значительно ниже — их, соответственно, 19 и 17 процентов. Разрабатывают методы и средства лечения, основанные на принципиально новых терапевтических концепциях (это самая сложная проблема), только 3% компаний.

Пегасис — лекарство нового поколения

В 60-х годах прошлого века учёные получили липосомы, которые могут доставить в орган-мишень лекарственное вещество. Специалистами различаются два вида липосом — мультиламелларные, с диаметром до 10 нм. и липосомы с одной ламеллой (пластинкой), имеющей диаметр от 20 до 50 нм. Вторую группу липосом используют как средство доставки активного лекарственного вещества.
В качестве систем доставки полимерные наночастицы предложили использовать в 70-х годах 20-го века. Исходные материалы для них — разные естественные или биоинертные синтетические полимеры (полисахариды, полимолочная кислота, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры и другие).
Полимерные наночастицы — это два морфологически различных вида частиц: наносферы и нанокапсулы. Наносферами называют сплошные полимерные матрицы с распределяемым на них активным веществом. Состав нанокапсул — полимерная оболочка, охватывающая полость, которая наполнена жидкостью. Данные виды наночастиц различают по особенностям высвобождения активного лекарственного вещества: из наносфер оно вытекает по экспоненте, из нанокапсул же — долгое время константно.
Появление очередного типа систем доставки лекарственных активных веществ связано с определёнными достижениями в области разработки дефинированных поливалентных и дендритических полимеров. В данном случае в качестве примера могут послужить полианионные полимеры — ингибиторы клеточных связей с вирусами, поликатионные комплексы с ДНК или РНК (так называемые полиплексы) и дендритические частицы.
Однако хотя и потенциал эффективности систем доставки активных веществ в органы и ткани — мишени достаточно высок, этот процесс все же связан с нежелательными побочными эффектами. В частности, у фармацевтического гиганта Novartis, концерна Ciba после проведения анализа данных по безопасности различных систем доставки, в связи с возникшими подозрениями произошли изменения в направлении деятельности. Там решили сосредоточить работу на разработке лекарственных средств с расщепляемыми наноносителями: в безопасности стабильных наночастиц эксперты засомневались и потребовали провести дополнительные исследования.
Тем не менее учёные продолжают искать альтернативные системы. Параллельно с совершенствованием уже известных систем доставки специалисты разрабатывают новые — речь идёт о соединении полимеров с активными веществами, полимерных мицеллах, неорганических наночастицах, твёрдых липидных наночастицах, фуллеренах. Фуллерены, как полагают эксперты, способны послужить основой не только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Так, на основе фуллеренов уже разрабатывают препараты — средства доставки лекарств для лечения ВИЧ-больных и пациентов с онкологическими заболеваниями.
Системы доставки много значат для лекарственных средств на основе протеинов. Действие таких лекарств часто менее эффективно, потому что они недостаточно долго находятся в крови, химически лабильны и способны провоцировать иммунную реакцию. Специалисты сейчас бьются над тем, как при помощи систем доставки улучшить аппликационные свойства протеиновых препаратов. Если присоединить к протеину полимерную цепочку, то не только увеличивается период полураспада лекарственных средств в крови, но и повышается их эффективность. Среди нанофармацевтических препаратов сегодня самые известные — полимер-протеиновый конъюгат Пегасис (Pegasys — пэгилированный альфаг а-интерферон), предназначенный для лечения гепатита C и Нейласта (Neulasta — пегилированный hG-CSF) — для терапии нейтропении.

Viviqel защищает от ВИЧ

Установлено, что в качестве активных веществ можно применять и непосредственно нанометровые молекулы. К примеру, интересный класс молекул в этом плане — дендромеры. Данные молекулы внешне походят на разветвлённую крону дерева (отсюда и название) и способны достигать размера мелких протеинов. В отличие от классических полимерных молекул дендромеры могут контролировать их синтез с заданными свойствами (запрограммировать для конкретного медицинского применения).
Помимо этого, на поверхности дендромеров специфическим образом можно расположить определённые функциональные группы, вследствие чего они будут особенно эффективно контактировать с вирусами и клетками. Пример создания активного вещества на основе дендромера — препарат Vivigel — гель, средство, способное защитить от ВИЧ-инфекции. Вивигель разработала австралийская биотехнологическая компания Starpharma, сейчас гель проходит клинические исследования.
Одно из новых направлений деятельности наномедицины сегодня — работа над способами размельчения активных лекарственных веществ до нанометровых размеров. Таким образом учёные стараются решить проблему недостаточной растворимости лекарственных средств: почти половина новых активных веществ, находящихся сейчас в разработке, плохо растворяются и, как следствие, недостаточно биодоступны.
Ещё в 90-е годы учёные получили наночастицы активного лекарственного вещества, так называемые активные нанокристаллы. Это удалось сделать при помощи процессов размельчения, по-научному процедура называется гипербарической гомогенизацией.
Данные наночастицы полностью состоят из активного вещества, их производят в виде суспензии (наносуспензии), которая вводится внутривенно либо в виде гранул или таблеток из суспензии — для перорального приёма. Полимерная матрица в данном случае не требуется. По мнению некоторых учёных, разрушение матрицы способно оказывать на клетки токсическое действие. Стандартный размер нанокристал-лов — 200—600 нм. Для того чтобы улучшить аппликационные свойства нанокристаллических лекарственных средств, проводится модификация поверхности кристаллов.
Данные нанотехнологии успешно применяют американские компании Wyeth-Ayers Laboratories и Merck&Co, западногерманская PharmaSol, фирма из Великобритании SkyePharma и многие другие. Один из нанокристаллических препаратов, который уже внедрили в клиническую практику в 2000 году, — Rapamune. Это иммуноcупрессивное декарство, применяемое после трансплантации органов. При изготовлении данного препарата применялась технология Nano-Crystal® (её разработчик — Elan). В 2003 году фармконцернами Merck&Со, и Johnson&Johnson с компанией Elan был заключён контракт на применение подобной технологии при производстве других инновационных лекарственных средств.
Другая концепция лежит в основе термотерапии наночастицами. Речь идёт о новом способе лечения раковых опухолей. Метод заключается во введении наночастиц в опухоль, после чего за счёт воздействия магнитного поля либо лазерного облучения они нагреваются, разрушая в результате опухолевые клетки.
Пионерами в опробовании этой медицинской технологи стали немцы — около 20 лет назад берлинскими учёными университетской клиники Шарите, руководимыми доктором Йорданом, технология была применена на практике. За данную разработку в 2005 году их отметили премией Frost&Sullivan Award for Technology Innovation. К этому времени новшество уже 2 года дорабатывалось коммерческой нанотехнологической компанией, которой технологию передали для доведения и внедрения в производство.
В это же время начали проводить клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. На сегодня это направление деятельности взято на вооружение целым рядом зарубежных компаний. Так, в Европе технологию разрабатывает Magnamedics, а в США — Nanospectra Bioscience.

Молекулярная визиография: in vivo

Благодаря революционным достижениям геномики и молекулярной биологии учёные стали лучше понимать молекулярные процессы, лежащие в основе болезней. Диагностика, основанная на передаче визуальной информации о молекулярных структурах, получила название молекулярной визиографии. Визиография использует тот же принцип, что применяется и при традиционных методах получения изображений — радиографии, эхографии, УЗИ и так далее. Разница в том, что для установления диагноза в данном случае необходимо иное контрастное вещество и специальные медицинские приборы, а также другие системы обработки данных.
Наночастицы, из которых состоит контрастное вещество для молекулярной диагностики, соединяются визуализирующими компонентами и определёнными антителами либо какими-нибудь другими молекулами, способными отыскать цель. После того как контрастное вещество введено в кровеносное русло, его поисковые компоненты начинают взаимодействовать с целевыми структурами на поверхности больной клетки по принципу «ключ-замок», вследствие чего визуализирующие компоненты достигают больные ткани.
В результате остаётся лишь «считать» визуализированную информацию. Подобную концепцию старается внедрить в производство компания Kereos из Сент-Луиса, разрабатывающая контрастные вещества на основе наноэмульсии перфторкарбона. Одна капля наноэмульсии несёт по нескольку тысяч молекул гадолиниума, что кардинальным образом повышает контрастность. Данные препараты разрабатываются компанией совместно с мировыми концернами Philips и Bristol-Myers Squibb.
Создающиеся на основе нанотехнолоий сложные молекулярные контрастные вещества ещё не внедрены в клиническую практику. А вот простые контрастные вещества, состоящие из наночастиц окиси железа, уже применяются на практике. Ими обеспечивается высокая контрастность в диагностике заболеваний печени. Подобное контрастное вещество разработано и внедрено под торговой маркой Resovist компанией Schering.
По мнению экспертов, нанотехнологии поспособствовали ренессансу биосенсорики, потому что они привели к возможности осуществления абсолютно новых сенсорных концепций. Суперсовременные технологии в диагностике in vitro имеют два направления развития: когда наночастицы используются в качестве маркеров биологических молекул; когда применяются инновационные нанотехнологические способы измерения.
Американской фирмой Nanosphere разработаны новые диагностические тесты, которые позволяют выявлять онкологические заболевания, болезнь Альцгеймера и муковисцидоз. Примечательно, что по данным учёных, новый метод диагностики муковисцидоза обойдется в ю раз дешевле уже имеющихся методик. Новые наномедицинские диагностические тесты — это сенсорные системы Cantilever и SPR (поверхностный плазменный резонанс), диагностическая система Quicklab, предназначенная для экспресс-диагностики.

Об имплантатах и биоматериалах

Из-за увеличивающейся потребности в способах и средствах восстановления или замещения органов и тканей в последнее время весьма активно развивается имплантология. Многие фирмы уже давно и довольно платно разрабатывают нанокристаллические материалы и покрытия поверхности имплантатов гидроксиапатитом.
Ещё один метод — нанокристаллическое алмазное покрытие, также обещающее увеличить продолжительность функционирования и стабильность имплантатов. Эксперименты уже показывают, что остеобласты способны распознавать алмазные субмикроструктуры и закрепляться на них. Данные результаты свидетельствуют о прекрасной биосовместимости алмазных покрытий.
Изделия из нанокристаллического гидроксилапатита применяют для лечения костных дефектов. Нанокристаллическая структура в таком имплантате способствует закреплению ко-стеобразующих клеток, вследствие чего процесс остеогенеза практически вживляет искусственный материал в естественную кость.
Сравнительно недавно стали работать над ещё одним направлением нанотехнологических биоматериалов — нановолокнами, их учёные собираются применять при тканевом инжиниринге. Тканевый инжиниринг — это создание на основе клеточных технологий искусственных тканей (а в будущем — возможно, также и органов).
Векторы развития наномедицины множатся, и очевидно, что в эту сферу деятельности сегодня частный капитал готов инвестировать гораздо охотнее, чем государство. Жаль только, что речь в данном случае идёт не о нашей стране — пальмы первенства во всём, что касается нанотехнологии, у российской науки в ближайшем будущем скорее всего не будет — во всяком случае, никаких предпосылок для этого пока не видно.

Запись опубликована в рубрике Наука с метками , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

1 комментарий: От прожектов Танигучи до nano crystal

  1. Берримор говорит:

    >>пальмы первенства во всём, что касается нанотехнологии, у российской науки в ближайшем будущем скорее всего не будет — во всяком случае, никаких предпосылок для этого пока не видно.

    Ключевое слово здесь «ПОКА». Так будем же оптимистами!:)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code

*