Нанотехнологии в спортивной фармакологии

Введение

Нанотехнологии в фармакологии - это совокупность технических процессов, связанных с манипуляцией с молекулами и атомами в масштабах от 1 до 100 нанометров с целью добиться более эффективного действия и уменьшения побочных эффектов лекарственных веществ.

Одной из наиболее полных работ по нанотехнологиям является монография Б. Пиотровского и Киселева (2006), которая посвящена вопросам создания и применения наноструктур (фуллеренов) как носителей лекарственных препаратов избирательного действия.

В отличие от молекулярной фармакологии это не количественный, а качественный скачок от «микро-» к «нано-», то есть к размерам, характерным для основных биологических структур - клеток, их составных частей (орган елл), молекул и атомов.

Достижения современной биологии создали предпосылки для появления молекулярной медицины, квантовой биохимии и фармакологии, формирующейся на стыке фундаментальных наук и практической медицины (создание новых лекарств, препаратов направленного действия и др.). С их помощью становится возможным проводить «точечное» воздействие на организм пациента, лечить пораженный орган, не задевая другие ткани или органы [9]. В последнее время нано-технологии начинают широко применяться для точечной доставки лекарств (это особенно актуально при лечении злокачественных заболеваний, сердечно-сосудистой и неврологической патологий, в спортивной медицине).

Фуллерены - сложные органические молекулы шарообразной формы. Диаметр молекулы С60 равняется 1 нм, что соответствует границе дисперсности, пролегающей между «истинным», молекулярным и коллоидным состоянием веществ. Внутри фуллерена находится пространство диаметром около 0,4 нм. Его стенки не позволяют проникать внутрь каким-либо материальным частицам: ионам, атомам, молекулам [4] (рис. 1).

Американская компания C-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами, которые подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями, и эффективны в борьбе с вирусными заболеваниями - такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. В настоящее время нано-технологии применяются не только для создания новых препаратов, но и для использования хорошо известных лекарств с повышением эффективности действия, улучшенной биодоступностью и незначительными побочными эффектами. Применение нано-технологий для создания новых лекарственных форм и систем доставки существенно сказывается на свойствах и эффективности лекарственного препарата, поскольку определяющим фактором является нанораз-мер. Использование наноносителей для доставки лекарств - успешно развивающееся направление вследствие малого размера и большей активности поверхности частиц:

- высокая способность проникновения активных компонентов в клетки;

Рис. 1. Препарат, включенный в структуру фуллерена С60

-    улучшаются фармакокинетические показатели;

-    появляется возможность создания альтернативных лекарственных форм, переход от инъекционных форм к назальным и трансдермальным.

Еще одно важное преимущество наночастиц как лекарственной формы - постепенное высвобождение лекарственного вещества, сосредоточенного в них, что пролонгирует время его действия [12, 13].

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (менее 1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма [13]. Это дает возможность помещать в капсулы инсулинпродуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом [6].

Подобные разработки проводятся в Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург), где использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60. В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина, традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.
 

Рис. 2. Дендример

В настоящее время исследуется возможность фуллеренов быть «ловушкой» свободных радикалов и оценивается их противовирусная активность. Тот факт, что фуллерены обладают хорошей адсорбционной способностью, дает возможность создания сорбентов на их основе для лечения атеросклероза [5].

Особый интерес вызывают дендримеры, которые представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение (рис. 2). В последее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их наномедицинских применений, что связано с целым рядом особых свойств, которыми они обладают:

• предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;
• наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры.

В наших клинико-фармакологических стендовых исследованиях микрогирина, содержащего в своем составе нанокластеры Фланаганов, in vitro in vivo методом хемилюминесценции были установлены высокие антиоксидантные свойства препарата. Установлено достоверное повышение физической работоспособности бегунов в возрасте 18-29 лет (КМС и МС) на средние дистанции (бег на тредбане со ступенчато-повышающейся нагрузкой до отказа), ускорение восстановления, нормализация концентрации АТФ, лактата, глюкозы и мочевины (табл. 1).
 

Влияние микрогидрина на физическую работоспособность спортсменов (длительность бега на тредбане, с) (n=20 в каждой группе)

Группы	Исходное состояние	На10-й день	На21-й день	Через 5 дней после приема
Контроль	100,4±9,4%	99,1±5,2	108,1±4,9	93,6±8,3
placebo	12,55 с	12,39 с	13,51 с	11,7 с
Эксперимент*	100,9±7,2%	135,3±9,1*	144,4±13,5*	109,2±13,5
микрогидрин	12,61 с	16,9 с	18,05 с	13,65 с

В те же сроки исследования микрогидрина статистически достоверно ингибируется хемилюминесценция крови добровольцев, что свидетельствует об его антирадикальном и антиоксидантном действии. На 21-й день применения микрогидрина по сравнению с контрольной группой имело место снижение повышенной хемилюминесценции в результате интенсивной физической нагрузки (табл. 2).
 

Влияние микрогидрина на процесс хемилюминесценции крови спортсменов, %, к контролю (n=20 в каждой группе)

Группы	Исходное состояние	На10-й день	На21-й день	Через 5 дней после приема
Контрольplacebo	109,4±8,3	100,4±9,7	128,1±8,2*	100,1±7,2
Эксперимент* микрогидрин	99,2±10,5	54,3±6,8*	69,1±6,4*	99,3±9,2

Из данных табл. 1 и 2 видно, что микрогидрин повышает физическую работоспособность, когда физические нагрузки носили анаэробно-аэробный характер на 10-й и 21-й день его ежедневного применения. Физические нагрузки на 21-й день в контрольной группе вызывали повышение хемилюминесценции, что косвенно свидетельствует о нарастании концентрации свободных радикалов в крови. При этом введение микрогидрина на 10-й и 21-й день вызывает антиоксидантный эффект, что выражается в снижении хемилюминесценции крови. Наши данные свидетельствуют о том, что микрогидрин является универсальным антиоксидантом, который корригирует метаболизм митохондрий клетки с образованием АТФ, необходимой для физиологического сокращения мышц.

В настоящее время открыты, исследованы и применяются в экспериментальной и в клинической фармакологии ряд наноструктур, классификация которых может быть представлена следующим образом (табл. 3).
 

Классификация основных наноструктур и их фармакологические свойства

Название	Структура	Размер, нм	Фармакодинамика	Фармакокинетика
1. Фуллерен	Углеродные С27 - С90	1-5	Антиоксидант Антибластомное действие	Повышает проницаемость мембран клеток, проникает через гистогематические барьеры и клеточные мембраны
2. Дендример	Ветвистое строение	1-10	Антибластомное действие	Транспортеры лекарств
3. Нанотрубки	Карбоновые, фосфолипидные	5	Антиоксиданты Антибластомное действие	Замыкаются в липосомы при самосборке
4. Липосомы	Фосфолипиды	50-150	Антиагреганты, антиоксиданты	Повышают биодоступность, транспортируют лекарства
5. Нанокластеры	Кремнезем, сафлоровое масло	5	Структурируют воду, повышают синтез АТФ, антиоксиданты	Усиливают комплементарность к лекарствам, ускоряют биохимические процессы и метаболизм лекарств

Будущее развитие нанотехнологий в области фармацевтики, биотехнологии и медицины даст возможность: создания новых высокочувствительных и недорогих систем для ранней диагностики заболеваний; конструирования нанороботов [6], выполняющих функции диагностики, «охоты» за возбудителями инфекций и раковыми клетками; восстановления поврежденных и постаревших тканей и отдельных клеток; создания лекарств с «адресной» или целевой доставкой и многое другое.

Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Технология белковых микрочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов [3, 8]. В настоящее время биочипы активно применяются для диагностики лейкозов и других онкологических заболеваний, а также  в считанные часы позволяют обнаруживать устойчивые к лекарствам формы туберкулеза. В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс-выявления штамма возбудителя, где на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков.

Клиническая фармакология

Фармакогенетика. Предмет и методы фармако-генетических исследований можно представить как выяснение роли наследственных особенностей биохимических процессов, опосредующих фармакодинамику и фармакокинетику лекарственных препаратов в формировании их индивидуальных эффектов (С.Б. Середенин, 2004). Все ступени фармакокинетического процесса осуществляются с помощью специфических и неспецифических ферментов, которые, несомненно, контролируются генетически.

Фармакокинетика. Одной из серьезных проблем в современной медицине является доставка лекарств в определенное место организма в строго определенных дозах. Ученые-нанотехнологи ведут поиски материалов, которые помогли бы решить эту задачу. Одним из таких материалов могут стать производные фуллеренов. Они нетоксичны, прочны, внутри имеют полость, в которую можно помещать лекарства, радиоактивные частицы (для непосредственного облучения больных клеток), крошечные сенсоры и т.д. В настоящее время опубликованы результаты работ по использованию наночастиц эмульсии и мицелл для доставки лекарств в организм. Молекулы лекарства могут быть помещены внутрь или на поверхность мицелл, образованных молекулами ПАВ, и таким образом доставляются в нужное место организма. Вещество, из которого состоит мицелла, контролирует скорость доставки и высвобождение лекарства в месте назначения.

В лаборатории структуры и регуляции ферментов Института молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина разработаны универсальные нанокапсулы из фосфатидилинозита и созданы трансдермальные формы, включающие это новое средство доставки лекарственных веществ. Действие препарата, заключенного в нанокапсулу, продолжительнее и нацелено исключительно на определенный орган или ткань. При этом существенно улучшается биодоступность препарата, что обусловливает его высокую терапевтическую эффективность при меньших дозировках.

В настоящее время существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам [10]. Фосфолипидные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины - в эндокринологии, пульмонологии, кардиологии, онкологии и т.д. Разработка технологии и создание лекарственных препаратов на основе фосфолипидных наночастиц позволит организовать выпуск отечественных препаратов нового поколения, снабженных средствами неселективного транспорта (доксорубицин, метотрексат, рибавирин и др.) или направленного рецепторно-опосредованного транспорта (РЖД-блео-мицин), действие которого основано на селективном сродстве к рецепторам метастазирующих клеток. Их эффективность более чем в 2 раза превышает таковую для обычных форм.

Микродатчики, соединенные с наноустройствами доставки, обеспечивают поступление точно заданных количеств препаратов с учетом их функциональной токсичности. Дальнейшее уменьшение размеров частиц-носителей и разработка способов присоединения к таким частицам лигандов направленного действия поможет доставлять лекарственные препараты к определенным тканям. Эти частицы могут быть использованы в исследованиях фундаментальных биологических процессов на клеточном уровне.

Биочипы позволяют значительно ускорить испытание лекарственных препаратов. Созданная компанией MOTOROLA биоэлектронная микросхема eSensor позволяет сократить время, проходящее между разработкой лекарственного препарата и его внедрением в широкую медицинскую практику. Данная разработка делает возможным быстрое определение генетической предрасположенности пациента к излечению исследуемым препаратом. Таким образом, из исследования исключаются люди, чьи гены неадекватно реагируют на новое лекарственное средство, тем самым включая в дальнейшее, более дорогостоящее исследование тех, кто гарантированно излечится.

Бельгийские ученые из Университета Гента и Католического университета Лувьена создали «самовзрывающиеся» микрокапсулы, которые помогут точно доставлять лекарства в теле человека. При этом высвобождение лекарств может происходить через недели, и даже месяцы после инъекции. Созданные микрокапсулы отличаются от других, которые освобождают лекарство под действием ультразвуковых волн или каких-либо других внешних воздействий. Каждая из микрочастиц имеет разрушающееся в биологической среде ядро, окруженное липидной мембраной. По мере модификации геля давление на мембрану возрастает. В конечном итоге микрокапсула разрывается, и лекарственный препарат выходит наружу.

Современная наука трансформировала имевшиеся подходы к индивидуальной оценке эффектов лекарств, рассматривая каждого человека как биохимическую индивидуальность.

Фармакодинамика. В связи с тем, что предполагается использование очень малого количества лекарственного вещества с помощью «адресной» доставки, эти вопросы требуют глубокого изучения. Кроме того, открытым остается вопрос о токсичности новых лекарственных средств, созданных с использованием нанотехнологий.

Японская компания Matsushita Electric разработала принципиально новую технологию испытаний лекарств без апробирования на человеке или животных. Средой для тестирования новых лекарственных препаратов послужит кремниевая подложка с 5-микронными ячейками, в которые помещаются исследуемые клетки. Действие препаратов будет определяться по электрическим сигналам, снимаемым с этих клеток. С помощью новой технологии, названной Drugmining, можно будет производить до 100 тыс. проб в день.

Роберт Фрейтас опубликовал доклад об исследованиях биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью использования их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием.

В будущем планируется создать молекулярных роботов-врачей, которые будут находиться внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая возникновение таковых, включая повреждения генетические.

Таким образом, перспектива нанотехнологий в спортивной фармакологии предвещает решение главных задач - повышение спортивной работоспособности и ускорение восстановления, а также успешное лечение больных спортсменов микродозами лекарств.

Литература

1. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Биомедицинские технологии: Обзор состояния и направления работы // Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ, 2002. - C. 244-247
2. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. На-нотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МИЭМ, 2002. - С. 248-253.
3. Кабаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: Бином, 2005. - C. 134.
4. Рудин В.Н., Мелихов И.В., Егоров А.М., Северин А.В. Морфологическое разнообразие нанодисперсных форм гидроксиапатита // Биотехнология и медицина: Материалы конференции. - М., 2006. - С. 23.
5. Сейфулла Р.Д., Орджоникидзе З.Г., Рожкова Е.А. Проблемы использования нанотехнологии в фармакологии // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2008. - № 1. - С. 61-70.
6. Friedrich M.J. Nanoscale biosensors show promise // JAMA 2005; 293 (16): р. 1965 - 1971.
7. Feynman R.P. There's Plenty of Room at the Bottom // Engineering and Science (California Institute of Technology), February 1960, pp. 22-36. Русский перевод: «Химия и жизнь». - 2002. - № 12. - С. 21-26.
8. Masmoudi Y. et al. Solvent diffusion during the supercritical CO2 drying of silica aerogels / Proceedings of the llth Polish Drying Symposium XI PSS. - Poznan, Poland. - 2005. - P. 54-67.
9. MacKinnon. «Quantum gears: a simple mechanical system in the quantum regime». Nanotechnology 13 (October, 2002), 678-681. Текст доступен в Интернете на странице http://arxiv.org/abs/cond-mat/0205647.
10. Malcolm B., Barnes Jr., Sawatari C., Kondo T. Polymer Manipulation and Nanofabrication in Real Time Using Transmission Electron Microscopy // Biomacro-molecules; 2007; 8 (1), pp. 70-76.
11. Pakowski Z. Producing nanoparticles by spray drying / Proceedings of the llth Polish Drying Symposium XI PSS / Z. Pakowski, M. Czapnik, M. Piatkowski, I. Zbiciriski - Poland, Poznan. - 2005. - P. 75-83.
12. Rogacki G. The effect of supercritical CO2 drying on parenchyma / Proceedings of the 11th Polish Drying Symposium XI PSS / G. Rogacki, A. Zawadzka. - Poland, Poznan. - 2005. - P. 98-112.
13. Leuenberger H., Plitzko M., Puchkov M. Modelling of the spray-freeze drying process // International Meeting on Pharmaceutics, Biopharmaceutics and Pharmaceutical Technology: Proc. of meeting. - 2004. - P. 871.
14. Okuyama K, Lenggoro I.W. Preparation of nanopar-ticles via spray route // Chemical Engineering Science. -2003. -58. - P. 537-547.
15. Howe C.D. Nanotechnology: Slow Revolution. Forrester Research Corporation. Cambridge, Maryland, USA, August 2002. - P. 21.