Нанотехнологии в адресной доставке лекарств
Нанотехнологии в биомедицине (лекция)
Обзор изучаемых тем:
Общие понятия о нанотехнологиях. Применение нанотехнологий в биомедицине
Общие понятия о нанотехнологиях. Определение понятия «нанотехнологии» Исторические сведения о развитии нанотехнологий. Применение нанотехнологий в биомедицине (адресная доставка лекарств, диагностика, тканевая инженерия). Обзор литературы, а также российских и зарубежных сайтов по нанотехнологиям в биологии и медицине.
Нанотехнологии в адресной доставке лекарств
Преимущества систем адресной доставки лекарственных препаратов посредством наноносителей. Коньюгаты наноносителей с лигандами. Наноносители в биомедицине. Липосомы и липидные наночастицы. Дендримеры. Углеродные нанотрубки (УНТ) и фуллерены в качестве носителей лекарственных препаратов. Применение вирусных векторов и вирусоподобных частиц в качестве носителей лекарственных препаратов. Применение нановолокон для адресной доставки лекарств. Способы получения нановолокон. Электроспиннинг.
Активация и доставка лекарств под действием физико-химических факторов. Наноструктуры в качестве молекулярных наномоторов. Нанороботы. Наноструктуры в лечении рака.
Нанотехнологии в биомедицинской диагностике
Использование наноструктур для ранней диагностики различных заболеваний. Квантовые точки. Наноконтейнеры, наночастицы золота, парамагнитные наночастицы в диагностике и лечении заболеваний. Применение наночастиц соединений железа в диагностике и лечении болезней. Микро- и нано-сенсоры в биомедицине. Наноструктуры в ранней диагностике рака.
|
|
|
Нанотехнологии в тканевой инженерии и регенеративной медицине
Нанотехнологии в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Основные этапы тканевой инженерии. Внеклеточный матрикс (ВКМ). Создание матриц как искусственного аналога ВКМ в тканевой инженерии. Функции наноструктуированных матриц в тканевой инженерии (регенерация костной и хрящевой ткани, регенерация сосудистой и нервной ткани, регенерация ткани сердечной мышцы). 3-D нанопринтеры в тканевой инженерии (биопринтинг).
Аппаратные методы нанотехнологий
Некоторые аппаратные методы, используемые в биомедицинских нанотехнологиях. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).
Применение оптических пинцетов для удержания и перемещения микро- и наноразмерных объектов в биомедицине. Применение различных видов литографии для создания наноструктур.
Краткое содержание тем:
Общие понятия о нанотехнологиях. Применение нанотехнологий в биомедицине
Общепринятого в мире понятия нанотехнологии в настоящее время нет, однако широко используется (и в России) такое определение:
|
|
|
нанотехнологии - совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
(для справки: 1нм = 10-9 м)
Следует акцентировать внимание на том, что в результате применения нанотехнологий качественно изменяются свойства макрообъектов, при получении которых были применены нанотехнологические методы (например, резко, в разы, увеличилась жесткость материала, или его проводимость и т.д.).
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: « Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».
Первое же упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места», сделанным им в 1959 году, в котором он обосновал основные принципы нанотехнологий.
|
|
|
В биомедицине обычно выделяют три основные направления использования нанотехнологических методов:
1. Для адресной доставки лекарств;
2. В диагностике;
3. В тканевой инженерии.
Так же к основным направлениям использования нанотехнологий в биомедицине часто относят и четвертое направление:
4. Аппаратные методы для изучения нано- и микро- биообъектов и манипулирования с ними.
Нанотехнологии в адресной доставке лекарств
В настоящее время ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель (клетки-мишени), не повреждая других органов.
Обусловлено это тем, что, несмотря на широкий арсенал лекарств, применяемых в медицине, проблемой остается их адресная доставка с целью повышения эффективности лечения. Обычно, лекарственная субстанция после адсорбции распределяется по тканям организма относительно равномерно. В частности противоопухолевые препараты не только подавляют деление трансформированных клеток, но и активно делящихся нетрансформированных (здоровых) клеток. С этим связаны побочные эффекты многих цитостатиков.
|
|
|
Сильные побочные эффекты противоопухолевых лекарственных средств делают терапию малоэффективной. При этом качество жизни пациента не только не улучшается, но в некоторых случаях снижается. С внедрением новых подходов для решения проблемы адресной доставки лекарств позволит значительно улучшить не только качество жизни пациентов за счет снижения побочных эффектов, но повысить избирательность, следовательно, и эффективность лечения. Используют различные способы загрузки лекарственных молекул для адресной доставки, например, капсулирование и конъюгирование. Адресная доставка лекарств, например, при противоопухолевой терапии позволит разрешить несколько проблем:
- защитить лекарства от деградации и нежелательных взаимодействий с
биологическими молекулами;
- увеличить селективную абсорбцию лекарств опухолевыми клетками;
- обеспечить контроль за фармакокинетикой;
- увеличить биодоступность лекарств внутрь опухолевых клеток.
В общем случае механизм адресной доставки лекарственных препаратов в клетки-мишени заключается в следующем:
К наноносителям прикрепляют каким либо образом наночастицы (молекулы), несущие определенные свойства, например, несущие
-терапевтический материал,
- диагностическую метку,
- отвечающие за адресную доставку,
- отвечающие за гидрофильность (водорастворимость)
- и т.д.
Эти наночастицы (молекулы), несущие определенные свойства и прикрепляющиеся к другим частицам часто в нанобиомедицине называют лигандами (от латинского ligo –связываю), а искусственно синтезированные гибридные наночастицы (молекулы), в которых соединены частицы (молекулы) с разными свойствами, называют коньюгатами.
В качестве наноносителей в биомедицине в настоящее время используются (наряду с другими носителями):
- липосомы;
- дендримеры;
- углеродные нанотрубки (УНТ);
- фуллерены;
- модернизированные вирусы и вирусоподобные частицы (ВЧ);
- нановолокна
Краткая информация об этих носителях:
Липосомы
Липосомы – сферические полые частицы, стенки которых построены из двойного фосфолипидного слоя (бислоя), одного или нескольких (рис. 1)
(фосфолипиды состоят их полярной "головки" и двух неполярных "хвостов", головка у них гидрофильна, а хвосты гидрофобны)
Рис. 1 Двойной фосфолипидный слой и однослойная липосома
Активное вещество (например, терапевтический материал) может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества), либо между стенками (у многослойных липосом). Размеры липосом могут быть очень вариабельными, от 20 нм до 10-50 мкм (у многослойных липосом, состоящих из десятков и сотен бислоев).
Обычно липосомы классифицируют на три группы: однослойные малые, однослойные большие и многослойные. Кроме того, в зависимости от состава и пути попадания в клетку липосомы могут быть разделены на пять классов: 1) стандартные липосомы, 2) липосомы, чувствительные к рН, 3) катионные липосомы, 4) липосомы с иммунными свойствами, 5) длительно циркулирующие липосомы.
Способ получения липосом – самосборка в смеси фосфолипидов с водой.
Дендримеры
Дендримеры (от греч. «dendron» - дерево) - трёхмерные сверхразветлённые глобулярные макромолекулы, обладающие регулярной структурой (рис. 2):
Рис. 2 Строение дендримера (верхний рисунок) и его структура (нижний рисунок)
В структуре дендримера можно выделить ядро, ветви и концевые группы. Последние во многом определяют растворимость и химические свойства дендримеров. Структуру дендритных молекул можно условно разделить на сферические слои, проходящие через равноудалённые от центра точки ветвления дендримера.
Центр или ядро дендримера имеет нулевую точку ветвления и обозначается G0 (нулевое поколение). Внешний слой заканчивается поверхностными, или терминальными, функциональными группами. Число терминальных групп возрастает в геометрической прогрессии при увеличении генерации, и ограничено, в свою очередь, площадью поверхности дендримера, которая имеет квадратичную зависимость от радиуса.
Большинство дендримеров являются аморфными веществами и обладают эластичностью, способностью набухать, изменять свои размеры в зависимости от значения pH раствора и природы растворителя. Химические и физические свойства дендримеров определяются их структурой и концевыми группами, они же
Дендримеры содержат в своем составе многочисленные полости, которые
могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов.
Определенная последовательность химических реакций в ходе синтеза дендримеров (из органических и неорганических полимеров) обеспечивает формирование макромолекулярного комплекса с заданными свойствами. Такие уникальные свойства дендримеров, как высокая степень ветвления, глобулярная форма и легкость функционализации поверхности, делают эти соединения перспективными носителями лекарственных препаратов.
Простейшим способом получения коньюгатов лекарств (и других лигандов) с дендримерами является их присоединение к поверхности дендримера.
Установлено, что дендримеры могут служить носителями как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных молекул, причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым.
Типичные размеры дендримеров: 1-100 нм.
Синтез дендримеров осуществляют двумя основными методами:
1. Дивергентный метод (дерево "произрастает" от центрального ядра);
2. Конвергентный метод синтеза представляет собой синтез отдельных фрагментов дендримера (дендронов) на основе дивергентного метода в обратном порядке с последующим присоединением их к центру или другому дендримеру.
Углеродные нанотрубки (УНТ)
Трубки, диаметр которых составляет от нескольких нанометров до сотен нанометров часто называют нанотрубками.
Углеродные нанотрубки(УНТ)-протяжённые цилиндрические структуры диаметром от 1- 100 нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или
нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей
(рис.3,4):
Рис 3. Одностенная углеродная нанотрубка
Рис. 4 Многостенная углеродная нанотрубка
Для синтеза УНТ чаще всего используют три метода:
- химическое парофазное осаждение;
- электрическаю дугу;
- лазерную абляцию
Синтезированные УНТ имеют значительное количество примесей (частиц металлического катализатора и аморфного углерода), поэтому они нуждаются перед использованием в очистке.
Лазерная абляция (кусок графита вместе металлическим катализатором подвергают выпариванию под действием лазерного излучения в инертной атмосфере газообразного гелия или аргона) является способом получения наиболее чистых углеродных нанотрубок.
УНТ обладают уникальными электрическими, механическими, термическими и оптическими свойствами. Они нашли применение во множестве областей: материаловедении, электронике, энергетике, медицине и др..
В биомедицине, при использовании углеродных нанотрубок в качестве наноносителей при адресной доставке лекарств лиганды, обладающие терапевтическими свойствами (а также лиганды, отвечающие за адресную доставку или несущие диагностические метки) присоединяются к поверхности УНТ, к ее концам, помещаются внутрь УНТ или же между стенками (при использовании многостенных УНТ).
Важно: неочищенные УНТ токсичны!
УНТ гидрофобны (не растворимы в воде), поэтому, при применении их в биомедицине, предварительно модифицируют, присоединяя к ним гидрофильные лиганды.
Фуллерены
Фуллере́ны — молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые
многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов
углерода (рис. 5):
Рис. 5 Фуллерен С60 (наиболее распространненый)
По форме фуллерены напоминают футбольный мяч, диаметром в несколько нанометров.
Фуллерены, как и УНТ, обладают уникальными физико-химическими свойствами и так же, как и УНТ, нашли широкое применение во многих областях.
В биомедицине они писпользуются как для терапевтических целей (это сильные антиоксиданты), так и в качестве наноносителей для адресной доставки лекарств.
Фуллерены гидрофобны, поэтому требуется их модификация путем присоединения к ним гидрофобных лигандов.
Терапевтические агенты могут при адресной доставке могут присоединятся к поверхности фуллерена, а также помещаться внутрь его.
Уважаемые студенты заочники!
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 121; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!