Сергей Суматохин - Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Биохимический преобразователь представлен сенсорным белком (белком–рецептором). Анализируемое вещество (тестируемая субстанция) взаимодействует с белком–рецептором. В результате пространственная структура белка–рецептора изменяется, что, в свою очередь, приводит к изменению в физическом преобразователе, который включает флуоресцентный белок. По интенсивности флуоресценции определяются наличие и количество искомого вещества в анализируемом веществе.

Нанобиосенсоры могут быть запрограммированы на обнаружение в биологических жидкостях (слюна, кровь) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Ученые предполагают, что нанобиосенсоры способны внести революционные изменения в медицинскую диагностику заболеваний.

Для успешного лечения раковых заболеваний важно как можно раньше выявить первые появившиеся раковые клетки в органе. Обнаружить единичные злокачественные клетки можно с помощью нанобиосенсоров. Известно, что в ответ на появление в организме чужеродных веществ (антигенов) иммунная система вырабатывает антитела. Они представляют собой специфические глобулярные белки. Каждый вид антител избирательно взаимодействует с определенным антигеном (белковым рецептором).

Ученые стали использовать антитела, специфичные к рецепторам (антигенам) мембраны раковых клеток. Этими антителами начали покрывать углеродные нанотрубки. В результате получились нанобиосенсоры, способные обнаруживать злокачественные клетки в организме и определять вид опухоли. Кроме диагностики заболеваний нанобиосенсоры могут применяться в направленной доставке лекарств в заданную область организма, органа или клетки.

В классической фармакологии существует термин «лекарственная форма», описывающий способ введения лекарства в организм, например в виде таблеток, раствора для внутривенных инъекций, капель, мазей. Развитие биомедицинской науки привело к созданию новых средств упаковки и направленной доставки лекарств — нанокапсул, наноконтейнеров, многофункиональных магнитных терапевтических наночастиц, векторов.

Отличие новых типов лекарственных форм от стандартных состоит в возможности реализации на их основе технологий направленной доставки лекарств к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам.

Одним из средств направленной доставки лекарств является нанокапсула. Обычно нанокапсула представляет собой сферическую полую частицу, состоящую из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей ее внутреннюю полость или содержимое. Нанокапсупы должны быть химически стабильны, биосовместимы с организмом и защищать капсулированное вещество от нежелательного воздействия, например растворения в жидкостях.

Размеры нанокапсул обычно не превышают 100 нм. Нанокапсупы обладают высокой проникающей способностью и могут проходить даже в такие «закрытые» зоны организма, как головной мозг. Нанокапсупы применяют для контролируемого введения инкапсулированных лекарств, а также генетических конструкций, несущих гены ферментов, гормонов.

К наиболее удобным нанокапсулам относятся липосомы. Они представляют собой микроскопические пузырьки с жидким содержимым, окруженные одной или несколькими липидными бислойными мембранами.

Мембрану липосомы обычно формируют из тех же фосфолипидов, которые входят в состав биологических мембран. Это позволяет достичь полной биосовместимости липосом. Создают липосомы различными способами, например подвергая смесь фосфолипидов и воды воздействию ультразвуком, замораживанию и оттаиванию, пропусканию через фильтры с наноразмерными порами. С помощью этих методов можно получить многослойные липосомы, а также крупные и мелкие однослойные липосомы. В зависимости от метода изготовления размеры липосом могут составлять от нескольких микрон до десятков нанометров (наносомы).

Если при создании липосом используется водный раствор лекарства, то часть этого раствора оказывается замкнутой внутри липосомальной капсулы и в таком виде вводится в организм человека. Это важно, когда вводится токсическое вещество, например противораковый агент, или если лекарство необходимо защитить от разрушения до момента его доставки к цели.

Для направленной доставки содержимого липосом и других нанокапсул к их поверхности пришивают адресные молекулы, узнающие поверхность клетки–мишени. Универсальными молекулами, узнающими поверхность клетки–мишени, могут быть антитела. Необходимо лишь знать, против каких поверхностных антигенов клетки их нужно конструировать. Присутствие распознающих молекул на поверхности нанокапсупы позволяет ей сконцентрироваться в заданной области (опухоли, очаге воспаления, около зоны ишемии и т. д.) и доставить туда лекарство.

Липосомы доставляют лекарство в клетки разными способами, например путем слияния с их мембраной, или за счет эндоцитоза. В настоящее время липосомы как нанокапсулы для лекарств используются при лечении рака, а также в составе косметических кремов.

Благодаря широкому развитию фундаментальных биомедицинских исследований антигенные портреты клеток становятся все более подробными, что позволяет находить отличия одних клеток от других на основании характеристик их поверхности.

Дополнительно появляется возможность управлять высвобождением лекарства из средства его доставки. Так, при использовании в качестве нанокапсул специальных наночастиц с металлическим ядром и полимерной оболочкой, в которой содержатся лекарства, можно вызвать их высвобождение при ограниченном нагревании наночастиц. Это достигается наложением переменного магнитного поля или облучением светом лазера, который слабо поглощается биологическими тканями, но хорошо поглощается металлическими наночастицами.

Ученые продолжают разрабатывать новые подходы транспорта в специальных нанокапсулах, необходимых для избирательного разрушения клеток при электромагнитном разогреве, что важно для лечения ряда опухолей. Существенное отличие новых типов лекарств от обычных состоит в возможности реализации технологий их направленной доставки к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам. При этом лекарство, а чаще средство его доставки (нанокапсула, наноконтейнер) модифицируется молекулами, узнающими рецепторы на клетках–мишенях. Классический пример — молекулы фолиевой кислоты, которые активно захватываются клетками опухолей.

В отличие от обычного введения лекарства и его распространения по всему организму направленная доставка позволяет снизить дозу вводимого лекарства и минимизировать его побочное действие на другие клетки. При агрессивном лечении опухолей направленная доставка высокотоксичных онкологических препаратов при- | обретает особое значение. Использование) заключенных в наночастицы лекарств сво- дит к минимуму их разрушение и утрату | активности по пути к больному органу. При | этом предотвращаются нежелательные побочные явления и возрастает эффективность применения препарата.