Наноматериалы стали новым инструментом в борьбе со сложными заболеваниями

Практически нет такой области биомедицины, в которой бы не применялись нанотехнологии. Их активное внедрение сформировало новую область научно-практических исследований, которая получила название наномедицина. Это пока еще достаточно молодое направление, и в настоящее время оно находится на этапе становления.

Уникальность наномедицины в том, что она оперирует в наноскопическом масштабе, который является естественным для всех фундаментальных процессов жизни.

Наномедицина развивается по нескольким направлениям. Первое — это разработка наночастиц-агентов, способных оказывать воздействие непосредственно на патогены либо усиливать действие лекарственных препаратов и преодолевать защитные механизмы бактерий и раковых клеток.

Второе — это создание макроматериалов и имплантатов из наночастиц, которые обладают особыми свойствами, и третье — разработка наноприборов и нанодатчиков для диагностики здоровья и проведения более тонких операций в организме человека.

Возможность работы с наномасштабными материалами позволила сформировать особые подходы и стратегии борьбы как с онкологическими, так и с инфекционными заболеваниями. Также есть прогресс в решении проблем, связанных с хроническими заболеваниями органов и опорно-двигательного аппарата.

Наночастицы могут быть средством доставки лекарств

Способы борьбы с онкологическими заболеваниями составляют одно из основных направлений развития наномедицины. При проведении химиотерапии эффективность лечения во многом зависит от концентрации препаратов, которую удается создать в области развития злокачественных опухолей.

Дозой принимаемых лекарств эту проблему решить нельзя, так как они в обычном виде токсичны для всего организма. Выходом может служить так называемая система адресной доставки препаратов.

В этом подходе молекулы лекарства связываются со специальными наночастицами. Генеральным свойством этого комплексного препарата является то, что он начинает работать только в окрестностях раковых клеток. Т.е. наночастица высвобождает лекарство только в условиях, которые сформированы раковыми клетками.

Этот способ позволяет существенно снизить дозу принимаемых лекарств. Он уже хорошо себя зарекомендовал при лечении рака кишечника у лабораторных животных.

Активировать лекарства можно также внешним воздействием, например ультразвуком. Этот метод относится к так называемым средствам фокальной терапии.

Для его реализации разрабатываются специальные нанокапсулы, в которые можно помещать лекарственные препараты.

Капсулы также обладают магнитными свойствами. Введенное в организм лекарство с помощью внешнего магнитного поля по кровеносным сосудам направляется в орган, пораженный раковыми клетками. Далее, при воздействии ультразвуком, нанокапсулы разрушаются, высвобождая противоопухолевые препараты.

Эта технология также успешно опробована в лабораторных условиях при лечении рака печени у животных.

Отдельной трудностью является лечение рака головного мозга. Трудность связана, помимо прочего, с наличием так называемого гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Это фильтрующий механизм в капиллярах головного мозга. Он блокирует проникновение посторонних веществ. Его наличие не позволяет также и лекарствам свободно проникать в область головного мозга.

Проблему преодоления ГЭБ ученые решили с помощью нанороботов, поверхность которых обработана фрагментами материала бактерии E. Coli. Эта обработка является сигналом для нейтрофилов — защитных клеток организма, которые поглощают роботов, воспринимая их как бактерии кишечной палочки.

Предварительная обработка нейтрофилов наночастицами специального магнитного геля делает их управляемыми магнитным полем. В экспериментах при введении в кровоток нейтрофилы с заключенными в них нанороботами-лекарствами направлялись по сосудам в мозг. Иммунная система при этом воспринимает их как нейтрофилы и не реагирует. Оказавшись в области головного мозга, роботы высвобождают лекарства.

По словам специалистов, задействование таких нейтроботов — комбинированных частиц — является большим прорывом в лечении заболеваний головного мозга.

Наночастицы могут быть и лекарствами

В основе других способов борьбы с онкологией лежит использование естественной «прожорливости» раковых клеток. Потребность в белковых питательных веществах делает их уязвимыми для комплексной терапии, содержащей в одном целом альбумин — наиболее распространенный белок крови и наночастицы, уничтожающие раковые клетки. Поглощая этот комплексный агент под видом белка, клетки одновременно поглощают частицы, которые, высвобождаясь, их уничтожают. Этот способ успешно используется при лечении рака легких и поджелудочной железы на поздней стадии.

Однако он не на всех пациентов действует одинаково. Выходом из этой ситуации стала возможность манипулирования сигнальными путями, которые регулируют питание раковых клеток. Применение совместно с лекарственными препаратами ингибитора рецептора инсулиноподобного фактора роста 1 позволило увеличить накопление наночастиц в раковых клетках.

Наночастица в роли троянского коня

Возможность преодоления защитных механизмов клетки организма от проникновения больших молекул позволяет расширить диапазон лекарственных средств. Дело в том, что в составе клеток находятся эндосомы, которые идентифицируют чужеродные молекулы, захватывают их и перерабатывают. На небольшие молекулы эндосомы не реагируют. А вот крупные их привлекают.

Поэтому высокомолекулярные лекарственные препараты неэффективны для лечения внутриклеточных инфекций — одного из опасных видов заболеваний.

Чтобы преодолеть эту проблему, расширив при этом диапазон лекарственных средств, исследователи научились защищать большие молекулы ДНК-подобными нанотрубками. Эндосомы поглощают этот комплекс и, не сумев переварить, разрушаются, высвобождая лекарства внутри клетки.

Наночастицы — антибиотики

Трудность лечения антибиотиками внутриклеточных бактерий также стимулировала разработку комплексных наночастиц с антибактериальными и противовоспалительными свойствами. Ученые взяли наночастицы оксида церия и объединили их биоактивным керамическим материалом, известным как биостекло.

В экспериментах было доказано, что эти наночастицы проникали через мембрану зараженных клеток и уничтожали бактерии. Однако механизм действия этих частиц ученым пока до конца не ясен.

Помимо борьбы с внутриклеточными инфекциями существенную обеспокоенность медицинского сообщества вызывает все возрастающая устойчивость бактерий к применяемым в настоящее время антибиотикам. Эта проблема также стимулирует внедрение иных средств борьбы с различными заболеваниями.

Одним из перспективных направлений является применение наночастиц, которые вырабатывают активные формы кислорода (АФК), разрушающе действующие на клетки. Единственная задача — это разработать наноматериалы, которые селективно действуют в отношении клеток животных и бактерий. Здесь при разработке нанопрепаратов учитываются отличия в строении этих клеток.

Нанороботы — химические агенты

Есть виды заболеваний, которые, как считается, возникают от избытка АФК. К ним относятся, например, ревматоидный артрит. Нейтрализовать кислород ученые предложили с помощью специальных наночастиц, содержащих магний.

При взаимодействии атомов магния с суставной жидкостью выделяется водород, который нейтрализует атомы кислорода. А для того чтобы частицы распределялись по всему объему между суставами, они выполнены в виде наномоторов.

Магний заключен в оболочку из непроницаемого наноматериала с небольшим отверстием, через которое он взаимодействует с жидкостью. Выделение пузырьков водорода придает частице движение, что и приводит к заполнению всего объема межсуставного пространства водородом.

Этот метод также опробован в лабораторных условиях и показал свою эффективность при решении достаточно трудной медицинской задачи.

Из всего вышесказанного видно, что проникновение в сферу наномира и приобретение возможности оперировать в нем дало в руки исследователям совершенно новые инструменты для лечения заболеваний.

Успешное развитие как теоретических, так и практических знаний привело к созданию методик и инструментальной базы, которые позволяют проводить исследования в области наномедицины большому количеству лабораторий и институтов по всему миру. А высокий технический уровень позволяет существенно сократить время, требуемое на разработку и внедрение новых методов.

Лидирующие позиции в развитии нанотехнологий принадлежат Китаю, США, Японии и странам ЕС. Китай в последнее время вышел на первое место по количеству патентов, выданных на разработки в области нанотехнологий. Россия в этом рейтинге не попадает даже в десятку ведущих стран.

С завершением в 2015 году Программы развития наноиндустрии в Российской Федерации мода на нанотехнологии в нашей стране постепенно сошла на нет. Компания «Роснано», призванная быть локомотивом развития нанотехнологий, за 14 лет ничем существенным не выделилась.

По состоянию на 2019 год, по данным Росстата, количество предприятий и организаций России, выпускавших продукцию, связанную с нанотехнологиями, составило 524 единицы, причем 441 из них — не связанные с «Роснано» независимые производители. Полноценную научно-исследовательскую работу в области наномира в нашей стране ведут чуть больше десятка институтов и лабораторий, и большая часть из них сформирована на базе уже имевшихся в наличии научных учреждений. Для справки можно сказать, что в Великобритании в рамках национальной программы, запущенной в 2002 году, было учреждено 23 центра развития нанотехнологий.