DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.328.336

Нанотехнология (НТ) и другие прорывные технологии (био-, инфо-, когно-), образуя объединенный НБИК научно-технологический кластер, является локомотивом развития Шестого технологического уклада первой половины 21 века. Современная медицина, как и многие другие важные области жизни человека, испытывает мощное влияние НБИК-технологий и нанотехнологий, в первую очередь. Это влияние проявляется как в новых методах диагностики, так и во всех видах терапии.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2023
Г.Е.Кричевский
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНЕ
Просмотры: 1342
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.328.336

Нанотехнология (НТ) и другие прорывные технологии (био-, инфо-, когно-), образуя объединенный НБИК научно-технологический кластер, является локомотивом развития Шестого технологического уклада первой половины 21 века. Современная медицина, как и многие другие важные области жизни человека, испытывает мощное влияние НБИК-технологий и нанотехнологий, в первую очередь. Это влияние проявляется как в новых методах диагностики, так и во всех видах терапии.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНЕ

Г.Е.Кричевский1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0001-9777-9257 / gek20003@gmail.com

Аннотация. Нанотехнология (НТ) и другие прорывные технологии (био-, инфо-, когно-), образуя объединенный НБИК научно-технологический кластер, является локомотивом развития Шестого технологического уклада первой половины 21 века. Современная медицина, как и многие другие важные области жизни человека, испытывает мощное влияние НБИК-технологий и нанотехнологий, в первую очередь. Это влияние проявляется как в новых методах диагностики, так и во всех видах терапии.

Ключевые слова: нанотехнологии, наночастицы, наномедицина
Для цитирования: Г.Е. Кричевский. Нанотехнологии в современной медицине. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 6. С. 328–336. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.328.336

Received: 18.08.2023 | Accepted: 14.09.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.328.336

ВВЕДЕНИЕ
Нанотехнологии (НТ), нанопродукты (НП) и наночастицы (НЧ) за последние 10–15 лет прочно вошли в практическую медицину и фармацевтику и привносят существенный вклад в повышение здоровья людей. На рис.1 показаны четыре уровня использования нанотехнологий в медицине.

Использование НТ, НП и НЧ проходит в направлении производства лекарств нового поколения (более эффективных с минимальными побочными эффектами), в новых методах лечения (в том числе, онкологических заболеваний), в аппаратной диагностике (в том числе, на ранних стадиях заболевания). Все эти успехи основаны на серьезных системных исследованиях в области нанотехнологий в сочетании с достижениями био- и информационных технологий, генной и клеточной терапии.

Современная медицина и ее достижения – это пример и результаты конвергенции фундаментальных и прикладных наук, их междисциплинарности.
В области диагностики используются достижения НТ: обнаружение и топология патологий тканей с помощью НЧ, в терапии это нанотранспортеры (НТр) различной природы (липосомы, дендримеры, гидрогели и др.) и наночастицы металлов (НЧМ), в фармацевтике – создание лекарств адресного (таргетного) действия на основе изучения механизмов патологии на клеточном и молекулярном уровне.

В данной статье основное внимание сосредоточено на рассмотрении различных видов нанотранспортеров, на основных методах доставки и контролируемом высвобождении лекарств в патогенные органы и ткани, на местной направленной доставке лекарств с помощью гидрогелей полимеров, на синтезе и использовании наночастиц металлов в комбинации с биополимерной матрицей, на результатах использования в различных областях медицины гибридных (биополимер-НЧМ) лечебных материалов, полученных по "зеленым технологиям".

Нанотранспортеры (НТр)
Современные методы доставки лекарств в патологические ткани и органы невозможны без средств доставки, в качестве которых исполь­зуются наноразмерные частицы, обладающие необходимыми для этой цели свойствами: биосовместимость, способность преодолевать биологические барьеры, способность вмещать в себе и нести лекарство к очагу поражения.
Среди нанотранспортеров, отвечающих этим требованиям, следует выделить главные – липосомы, мицеллы, дендримеры, полимерные матрицы – платформы (чаще всего в виде гидрогелей), углеродные нанотрубки.

Большинство НТр можно отнести к коллоид­ным системам, частицы которых наполнены лекарствами. Это, как правило, частицы субмикроскопического размера (обычно менее 500 нм). Эти системы интенсивно изу­чаются в последнее десятилетие, поскольку являются исключительно потенциально и реально эффективными в доставке и высвобождении лекарств; обладая высоким отношением величины внешней поверхности S к объе­му S/V, они способны повышать биологическую и лечебную эффективность лекарств, улучшая фармакинетику, распределение, снижая токсичность, повышая растворимость и стабильность лекарств, повышая контроль за высвобождение лекарств и их адресную доставку.

Все эти свойства существенно зависит от вида и природы НТр и его характеристик (органические, неорганические, гибридные; размеры и форма частиц, их заряд, функциональные группы и др.). Основное требование к НТр – это повышение эффективности лечебного действия при снижении токсичности лекарств. При лечении онкологических заболеваний методами химиотерапии тради­ционными лекарствами – цитостатиками (сильные яды) возникают следующие основные проблемы: низкая специфичность (сорбционная) по отношению к злокачественным опухолям, высокая токсичность (следствие первого), привыкание (резистентность) к этим лекарствам. Нанотранспортеры, в которые помещены даже традиционные цитостатики, позволяют в немалой степени решить эти проблемы и добиваться большего терапевтического эффекта.

Вводя в НТр специальные функциональные группы – лиганды, имеющие сродство к рецепторам на поверхности раковых клеток, можно существенно повысить специфичность к онкоопу­холи НТр, содержащих лекарства.
Много препаратов подобного типа уже находят применение в клиниках, а еще больше разрабатываются фармацевтами и проходят испытания в клиниках.

ОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОТРАНСПОРТеРЫ
Твердые жирные (гидрофобные) нанотранспортеры
Наноразмерные твердые гидрофобные НТр размером 1–50 нм производят диспергированием расплавленного твердого липида в воде в присутствии эмульгатора – стабилизатора дисперсии. При введении в композицию лекарства образуется высоко лиофильный липидный матрикс, в котором растворено или диспергировано лекарство.
В качестве липидов используются моно-, ди- и триглицериды, свободные жирные кислоты, свободные жирные спирты, воски и стероиды. Вид липида требует специфических условий приготовления эмульсии или дисперсии. В каждом конкретном случае использования в комплексе различных лекарств возникает необходимость проверять условия приготовления, лечебный эффект, токсичность и другие свойства.

На рис.2 в виде схемы представлена структура твердой липидной наночастицы, наполненной лекарствами.

Липосомы – это специфические везикулоподобные структуры (везикулы – это маленькие внутриклеточные мешочки, защищенные мембраной, с запасом питательных веществ, переносят питательные вещества в организме животных), имеющие один или несколько липидных слоев. Образуются самопроизвольно при смешении фосфолипидов с водой. Примерно по такой схеме они формируются в организмах животных.

Внутри липосомы содержится вода или другой растворитель, с которым смешивают фосфолипид. Внутрь липосомы помещают лекарство. Диаметр липосом от 20 до 50 мкм. За последние несколько десятков лет интерес к липосомам как НТр в медицине очень возрос, поскольку их использование в комбинации с лекарствами дает большой эффект в биомедицине, особенно в создании современных систем адресной доставки и высвобождения лекарств. Эти системы имеют большие преимущества перед традиционными лекарствами, особенно цитостатиками: меньше токсичность, контролируемая доставка и высвобождение, изменение фармакинетики. Для улучшения лечебных свойств липосомы могут быть покрыты полимерной пленкой, что повышает пролонгированное лечебное действие лекарств.

На рис.3 схематически показана структура липосомы, содержащей два вида лекарств (липофильных и гидрофобных). Как и в случае твердых липидных НТр, свойства липидов и, соответственно, их терапевтическая активность зависит от множества факторов при использовании одних и тех же лекарств: природы липида, структуры липосомы (однослойная, многослойная), вида жидкого растворителя (вода, органические растворители), размера, формы, заряда поверхности, метода приготовления. Липосомы используют в качестве НТр для различных биоактивных веществ и лекарств, вакцин, косметических средств, нейроцептиков.

Преимуществом липосом является их способность к биосовместимости (аналоги живых везикул-переносчиков), биодеструктивность, способность включать в свою структуру лекарства гидрофильной и гидрофобной природы. Для повышения устойчивости липосом используют различные полимеры в качестве коллоидных стабилизаторов.
Дендримеры – древообразные полимеры, молекулы которых имеют большое число разветвлений. Получены сотни различных видов дендримеров. Они удобны для использования в качестве НТр для различных веществ, в том числе лекарств и косметики.

Дендримеры используются для направленной доставки и высвобождения генов, витаминов, ДНК и РНК. Все эти и другие вещества располагаются в НТр, заполняя его полости. Схематично структура типичного дендримера, заполненного лекарством, показана на рис.4.

У дендримеров имеется центральное ядро, многочисленные ответвления и "ветки", концевые группы. Синтезируют дендримеры на основе синтетических и природных (сахара, нуклеотиды, аминокислоты) соединений.

Современные методы синтеза дендримеров позволяют получать воспроизводимые по химическому строению разветвленные полимеры-дендримеры, что очень важно для их транспортных и других свойств, необходимых для их использования в фармацевтике и медицине. Частицы дендримеров имеют размеры 1,5–15 нм.

Удобство дендримеров для транспортировки лекарств заключается в возможности регулирования молекулярной массы, состава, функциональных концевых групп. Химия, архитектура макромолекул дендримеров (размер, форма, природа концевых групп) влияет на их транспортные свойства. Лекарства, помещенные в структуру дендримеров, могут быть связаны со структурой водородными, гидрофобными или химическими связями.
Включенные в состав макромолекулы дендримера группы лигандов, имеющих сродство к рецепторам раковых клеток, позволяют на их основе конструировать лечебные средства адресного характера. Основное направление в исследованиях по использованию дендримеров в медицине – это создание конъюгатов (комплексов) дендример-лиганд-лекарство.

В качестве биологически активных веществ в структуру дендримера помещают гены, препараты, поддерживающие иммунную систему, магнитно-резонансные контрастирующие вещества (диагностика), вакцины, антивирусные средства, биоциды и цитостатики.
На рис.4 показана структура дендримера, включающая в себя ядро, незамкнутые слои и внешние концевые группы.

Наночастицы полимеров
В последние несколько десятилетий проявилось большое внимание к наночастицам полимеров (НЧП), как нанотранспортерам лекарств при создании новых форм препаратов с контролируемым высвобождением.

Наночастицы полимеров – это твердые коллоид­ные частицы (с размерами от 1 до 10 нм) биодеградируемых полимеров, НЧП по структуре имеют сферическую форму нанокапсул (рис.5).

В последнем случае лекарство растворено или диспергировано в ядре (вода или масло).
Полимер образует мембраны вокруг жидкого ядра, с которым может быть связан химически второй тип лекарства. В зависимости от вида полимера используют две схемы производства НЧП: диспергирование полимера или управляемая полимеризация полимера с образованием наночастиц полимера непосредственно в процессе эмульсионного синтеза.
В качестве биодеградируемых используются природные полимеры, которые способны полностью выводиться из организма в результате обмена веществ (метаболизм).
Из синтетических полимеров – это полилактиды, гликолевые кислоты, полиэтиленгликоль, поликапролактам, сополимеры полиакриламида и другие, из природных полимеров – это альгинаты, хитозан, коллаген, декстрин желатина, гепарин и др.

Лечебные свойства НТр и лекарств этого типа, как и в случае других НТр, зависят от природы полимера, размера и формы образуемых наночастиц, от их заряда и способа производства. Это относится к использованию НЧП при лечении в онкологии.
Интересным направлением в создании эффективных лекарственных средств, особенно в онкологии, является конструирование наночастиц на основе нового поколения полимеров, свойства которых (структура, объем) меняются в зависимости от внешних факторов (pH, температура, давление, свет и др.). Такая зависимость позволяет создавать НТр с контролируемым и управ­ляемым высвобождением лекарств за счет изменения внешних условий. Это полимеры с изменением фазового состояния и памятью формы.

Полимерные мицеллы (ПМц)
Представляют собой коллоидные частицы размером 10–100 нм, образующиеся самопроизвольно. Самосборка происходит по принципу "снизу – вверх" из биополимеров в водной среде. По природе амфифильны, содержат гидрофильные и гидрофобные сегменты наподобие ПАВ. При определенной критической концентрации эти амфифильные биополимеры в воде начинают определенным образом собираться в структуру мицелл, в которой в ядре располагаются гидрофобные сегменты, а гидрофильные сегменты образуют внешнюю сферу (рис.6).

Такие структуры позволяют поместить в гидрофобное ядро гидрофобные лекарства. Такое лечебное средство способно транспортировать и высвобождать лекарство. Внешняя гидрофильная оболочка обеспечивает растворимость гидрофобных нерастворимых лекарств. На рис.6 схематично показана структура ПМц.

Вирусоподобные наночастицы (НЧВ)
Образуются путем самосборки клеточных белков, имеют однотипную форму (< 100 нм) с постоянным размером и геометрией (рис.7).
НЧВ используются в медицине как НТр с включенными в их структуру лекарствами, в том числе цитостатиками. Для этой цели используют вирусы разной природы (растительного и животного происхождения).

НЧВ в качестве НТР имеют ряд достоинств: однотипные структуры, размеры и формы, биосовместимость, легкость поверхностной функцио­нализации, возможность химической и генетической модификации для придания поверхности НЧВ определенных свойств, в том числе сродство к рецепторам поверхности раковых клеток. Для конструирования на основе НЧВ лекарства связывают с поверхностью наночастиц химическим или физическим способом. Модификация поверхности НЧВ с помощью ПЭГ придает НТр повышенную способность проникать в ткани и органы. Таргетность НЧВ обеспечивается или природой самого вируса, имеющего сродство к рецепторам поверхности онкоклеток, или с помощью специальных функциональных прикрепленных к поверхности НЧВ.

Неорганические нанотранспортеры
К ним относятся углеродные нанотрубки (CNTs) и мезопористые кремниевые структуры (MsNs).

Углеродные нанотрубки (CNTs)
Это наночастицы углерода, имеющие форму трубки со стенкой и каналом. Углерод в этой трубке связан в многоатомную ассамблею. CNTs являются аллотропной формой углерода и относятся к углеродным материалам под названием фуллерены, которые свертываются в структуру графена, имеющего форму одностенной или мультистенной трубочки (рис.8).
Углеродные нанотрубки имеют наноразмерные (0,4–2 нм) каналы, а длина может в тысячи раз превышать диаметр.

Для получения углеродных нанотрубок используются высокоэнергетические физические методы воздействия на углерод (разряд, лазер, термическая и плазменная возгонка и др.). Углеродные нанотрубки обладают определенными физическими, физико-химическими и биологическими свойствами, делающими их удобными в качестве контейнеров НТр для включения в них лекарств. CNTs – прочные, легкие структуры, легко проникают в ткани, органы и клетки организма. Главные проблемы при использовании CNTs в медицине – их плохая растворимость и токсичность. Однако с помощью химической модификации поверхности CNTs можно придать им растворимость и снизить токсичность. В этом случае модифицированные CNTs становятся превосходными НТр для таргетных форм лечения рака. В полости CNTs могут быть помещены лекарства (цитостатики) различного вида. Как и в случае других НТр, им могут быть приданы таргетные свойства химическим связыванием (прикреплением) к поверхности специальных функцио­нальных групп (вектора), имеющих сродство к рецепторам на поверхности онкоклетки.

Мезопористые НТр на основе кремния
Материалы на основе окиси кремния (SiO2) находят широкое применение в различных областях медицины.
Среди материалов на основе кремния мезопористые нанотранспортеры (MsNs) занимают весомое место как НТр для доставки и высвобождения лекарств. Благодаря высокой пористости MsNs в эти материалы можно загрузить, доставить и высвободить в патологической зоне организма в большом количестве разнообразные лекарства (рис.9).
MsNs имеют ряд ценных для медицины свойств: биосовместимость, высокую сорб­ционность благодаря высокой пористости и большой внутренней поверхности, контролируемой пористости (2–50 нм), узким распределением пор по размерам (монопористость), термостойкость, хемостойкость, возможность размещать в MsNs лекарства гидрофильного и гидрофобного характера.

Функционализация внешней поверхности позволяет создавать на основе MsNs лечебные депо – препараты таргетного характера с низкой токсичностью, особенно при химиотерапии онкологических больных. Многие современные цитостатики в комбинации с MsNs дают эффективные противораковые препараты.

Гибридные органика / неорганика НТр
Этот вид гибридных НТр сочетает в себе преимущества органических и неорганических материалов: функциональность "органики" и высокую развитость поверхности "неорганики", что позволяет получать нанотранспортеры с высокой эффективностью: у них хорошая направленность и возможность загружать большое количество лекарств в НТр, что важно для таргетных лечебных материалов. Примером гибридного типа НТр являются MsNs, покрытые полиэтиленимином или MsNs, покрытые двойным слоем липидов. В таком гибридном таргетном препарате можно расположить как гидрофильные (в MsNs), так и гидрофобные (в липидных слоях) лекарства.

Гидрогелевые матриксы как нанотранспортеры
Гидрогелевые матриксы (ГМ) на основе синтетических и природных полимеров находят широчайшее использование в различных областях медицины. Особое место занимают гидрогели биополимеров как биосовместимые, биодеградируемые материалы.
ГМ на основе биополимеров, наполненные лекарствами различного вида или биологически активными веществами (клетки, ДНК, РНК, ферменты и др.), находят применение в различных выпускаемых формах (инъекционные раневые покрытия, таблетки, капсулы, волокна и др.). В зависимости от выпускаемой формы (дик­туется видом заболевания и терапии) используют гидрогели разной степени структурирования и, как следствие, различной вязкости и деформационными свойствами.

В качестве биополимеров для получения гидрогелей могут быть использованы все полисахариды и белки, но наиболее часто в медицине применяют полисахариды (альгинаты, хитозан) и белки (коллаген, фиброин и серицин).
Гидрогели на основе биополимеров являются универсальными матриксами, контейнерами и нанотранспортерами для лекарств гидрофобной и гидрофильной органической и неорганической (например, НЧМ) природы.

Композитные депо-материалы на основе гидрогеля биополимеров, наполненные лекарствами и биологически активными материалами, используются практически во всех областях медицины (общие и специальные виды хирургии, онкология, проктология, гинекология, стоматология и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В последние 15–20 лет нанотехнологии (НТ) нашли широкое применение в медицине (химиотерапия, нанодиагностика) и в фармации (онкопрепараты адресного типа). Сформировалось новое направление – наномедицина.
Одним из необходимых элементов использования НТ в медицине являются нанотранспортеры (НТр) – носители лекарственных препаратов. В качестве НТр используются липосомы, дендримеры, полимерные матрицы и мицеллы, углеродные нанотрубки, гидрогели.

В качестве эффективных лечебных препаратов в различных областях медицины (онкология, лечение ран и ожогов, дерматология и др.) используются наночастицы благородных и тяжелых металлов (НЧМ), синтезируемые с помощью растений, экстрактов растений и бактериологически.

Эффективность лечебного действия НЧМ зависит от размера и формы частиц, поверхностных свойств (заряд, потенциал), способа получения и среды, в которой распределены наночастицы.

ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кричевский Г.Е. Основы Нанотехнологии. В 2-х т. М.: Изд-во Грин Принт, 2021. С. 567–726.
Gungor S. Rezigue Nanocars mediated topical drug delivery for psoriasis treatment/Curr Drug Metab. 2017. Vol. 18(5). PP. 454–468.
Кричевский Г.Е. НБИКС-НТ технологии для мира и войны. М.: Изд-во МГУ, 2017. С. 112–118.
Кричевский Г.Е. "Зеленые" и природоподобные технологии – основа устойчивого развития для будущих поколений. В 3-х т. М.: Грин Принт. Т. 1.
Anand S.C. et al. Medical Textile and Biomaterials for Healthcare. CRC Press, 2006.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art