Нанотехнологии в медицине: возможности, опыт использования, перспективы
Нанотехнологии в зарубежной медицине уже доказали свою эффективность в области методов визуализации, моделирования, дозирования и манипулирования лекарствами. Взаимодействие материалов со сложными биологическими системами изменяются при нано-размерах. Наномедицина использует улучшенные и часто новые физические, химические и биологические свойства материалов в нанометровом диапазоне.
Наномедицина: типы наночастиц
Существует много различных типов наночастиц, включая неорганические (например, золото, серебро и диоксид кремния), наночастицы на основе полимера (например, дендримеры, полимерные лекарственные конъюгаты) и наночастицы на основе липидов. Разнообразие классов наноматериалов и широкого спектра изменения физических и композиционных характеристик наночастиц, является, пожалуй, самым большим преимуществом при использовании наномедицины.
Эти характеристики в значительной степени влияют на эффективность доставки лекарств. Есть много препаратов, которые плохо поглощаются из-за плохой растворимости в кишечной жидкости, а также плохого проникновения через кишечный эпителий. Наноформы используются для улучшения дисперсии слаборастворимых в воде лекарств, а также для повышения их транспорта через кишечный барьер.
В дополнение к улучшению системы доставки лекарств наномедицина также продемонстрировала повышенную безопасность по сравнению с обычными лекарствами, нацеливая их терапевтическую полезную нагрузку на пораженные участки тела с помощью пассивных или активных механизмов, что особенно актуально в онкологии.
Примеры использования нанотехнологий в зарубежной медицине
Одним из примеров использования нанотехнологий в медицине является разработка израильской компании Nano Retina – она разработала сложное и элегантное решение, предназначенное для восстановления зрения людей, потерявших зрение из-за дегенеративных заболеваний сетчатки. Миниатюрное устройство Nano Retina, имплантат NR600, заменяет функциональность поврежденных фоторецепторных клеток и создает электрическую стимуляцию, необходимую для активации оставшихся здоровых клеток сетчатки. NR600 состоит из двух компонентов; миниатюрный имплантируемый нано-чип и набор очков, которые носят пациенты.
Израильская компания MicronJet NanoPass Technologies разработала уникальную одноразовую иглу, предназначенную для безболезненного введения вакцин в кожу с использованием полупроводниковой нанотехнологии в медицине, которая обеспечивает превосходный иммунный ответ при меньшем количестве вакцины. Высокую эффективность этой медицинской нанотехнологии показала вакцинация младенцев от полиомиелита в Юго-Восточной Азии.
Другой пример использования нанотехнологий в медицине. В Израиле разработан метод получения изображений на основе наночастиц для отслеживания продольных мезенхимальных стволовых клеток в головном мозге. Нанополярная КТ-визуализация для отслеживания стволовых клеток в головном мозге применяется при диагностике и контроле нейропсихиатрических расстройств. Критической проблемой при разработке и внедрении терапии стволовыми клетками является отсутствие надежных, неинвазивных средств для визуализации и отслеживания клеток после их трансплантации и оценки их биораспределения и функциональности. Методика применяется для неинвазивного мониторинга при лечении депрессии и нейропсихиатрических заболеваний.
Исследования показывают, что клеточная терапия является потенциально перспективным подходом к лечению нейропсихиатрических расстройств. Миграция клеток может быть обнаружена нанополярной КТ уже через 24 часа и наблюдаться до одного месяца после трансплантации. Нанополярная КТ может применяться как для фундаментальных исследований, так и для клинических применений нанотехнологий в медицине.
Несмотря на значительный прогресс в области онкологической терапии, рак остается одной из ведущих причин смерти в мире. В Израиле нанотехнологии в медицине позволили разработать уникальный тип многофункциональных флуоресцентных наночастиц оксида железа (IO) для целевой противоопухолевой терапии. Комбинация этих наночастиц с химиотерапевтическими препаратами обеспечивает более мощный противораковый эффект и значительно улучшает прогноз пациента на выздоровление.
Кроме того, в Израиле создан новый метод компьютерной томографии (КТ) в сочетании с маркировкой Т-клеток наночастицами золота в качестве контрастного агента для КТ. Это позволяет наблюдать, как Т-клетки накапливаются в опухолевом участке, и корректировать иммунотерапию. Новый метод для отслеживания клеток с помощью КТ представляет собой ценный инструмент для исследований и, что еще важнее, для клинического контроля онкологической иммунотерапии.
Лаборатория мембранных и липосомных исследований, кафедра биохимии и молекулярной биологии в израильском институте медицинских исследований фокусируется на разработке и применении нанопрепаратов и нанотехнологий в медицине на основе липосом, начиная от базовых аспектов дизайна лекарственных препаратов, клинических испытаний и вплоть до улучшения уже используемых препаратов.
Специалистами Израиля созданы инъекционные системы доставки лекарств на основе пегилированных, длительно циркулирующих, стабилизированных нано-липосом, заряженных в зависимости от цели амфипатической слабой кислотой, противовоспалительным стероидным лекарством либо противораковым агентом. В данной технологии применяется биоэнергетическая стратегия дистанционной загрузки трансмембранного ионно-градиентного пула, посредством которой липосомы инкапсулируют соль, содержащую либо слабое основание (например, аммоний), либо слабую кислоту (например, ацетат).
Этот метод удаленной загрузки лекарственного средства имеет три основных преимущества:
- высокая эффективность загрузки лекарств
- высокое молярное соотношение между лекарственным средством и липидом
- контролируемое высвобождение лекарственного средства как in vitro, так и in vivo.
Эти нано-препараты специально разработаны для использования в микроанатомической среде воспаленных и раковых тканей: это явление называется эффектом «повышенной проницаемости и удержания». Такие нанотехнологии в медицине приводят к снижению токсичности и повышению эффективности лечения рака и других заболеваний.
Перспективы наномедицины
Продукты наномедицины начали появляться более десяти лет назад, а основными областями применения наномедицины за рубежом являются онкология, заболевания ЦНС, сердечно-сосудистые заболевания и инфекционный контроль. Наномедицина уже хорошо развита. В отличие от некоторых других потенциальных применений нанотехнологий, которые по-прежнему в значительной степени экспериментальны, наномедицина уже внесла значительный вклад в эффективность диагностики и лечения за рубежом.
Возможно, вам будет интересно
- Генетические исследования: технологии, проблемы, этические аспекты
- Новые медицинские технологии и инновации
Трудно концептуализировать мир, где люди могут манипулировать наноразмерными объектами по своему усмотрению или даже контролировать свой собственный биологический материал на клеточном уровне со светом. Техасский университет в Остине, например, работает с «нанотрубками» – медицинская нанотехнология с использованием света, которая открывает новые возможности для инноваций в области медицины. Они разработали опто-термоэлектрические нанотрубки, которые помогут дать более глубокое пониманию материальных и биологических систем и открыть ряд возможностей для фундаментальных и медицинских инноваций в нанометровом масштабе.
Такие продукты наномедицины, как нанотрубки, применимы к широкому спектру металлических, полупроводниковых, полимерных и диэлектрических наноструктур с заряженными или гидрофобными поверхностями. Созданы кремниевые наносферы, кремниевые гранулы, гранулы полистирола, кремниевые нанопроволки, германиевые нанопроволки и металлические наноструктуры. Манипуляции с живыми клетками и связь между ними, вероятно, будут основной исследовательской направленностью для инженеров, желающих использовать возможности нанотрубок в медицине.
Основными типами наноматериалов, используемых в медицинском применении, являются: полупроводниковые наноматериалы, магнитные наноматериалы, наночастицы металлов, углеродные наноматериалы, гидрогелевые нанокомпозиты, липосомы, дендримеры, полимерные нанокомпозиты и биоразлагаемые полимеры.
Наиболее популярные области исследований:
- биосовместимость наноматериалов с живыми организмами в их различных проявлениях;
- нанобиосенсоры для диагностики генетических, метаболических или инфекционных заболеваний;
- целевая доставка лекарств различными модификациями наноматериалов;
- наномедицинские устройства и структуры, нанороботы.
Новые наночастицы все чаще проектируются для диагностики и распознавания патогенов, для того, чтобы идентифицировать фармацевтические агенты для лечения заболеваний, находить, прикреплять или вводить биологические соединения в целевые области. Нанотоксикология фокусируется на оценке токсичности различных наноматериалов, которые уже используются или разрабатываются для медицинского применения.
Спектр применения нанотехнологий в зарубежной медицине постоянно расширяется, и скорее всего уже в ближайшем будущем нанотехнологии радикально изменят лицо современной медицины.