X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ РАКОВЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Наночастицы — это частицы с размером между 1 и 100 нанометров. В нанотехнологии частицы определяются как небольшие объекты, которые ведут себя как единое целое, с учетом их транспортабельности и свойств.
Типы наночастиц, применяющиеся в медицине и ветеринарии.
В настоящее время практическое применение находят разнообразные типы НЧ, обладающие различными физическими и биохимическими свойствами. Ниже будут рассмотрены те из них, которые нашли наиболее широкое применение.
Липосомы. Это наиболее простой тип НЧ, представляющий собой концентрические пузырьки, стенки которых образованы двуслойной липидной мембраной, состоящей преимущественно из фосфолипидов и холестерина. Размер их составляет от 20–30 нм до нескольких микрон. Липосомы подразделяются на униламеллярные, состоящие из одного липидного бислоя, и мультиламеллярные, состоящие из нескольких концентрических липидных бислоев. Липосомы могут служить в качестве носителей как для гидрофильных веществ, которые в данном случае включаются во внутреннюю водную фазу, так и для гидрофобных веществ, которые включаются в состав липидного бислоя. Липосомы используются в практике в качестве носителей для противораковых препаратов. Недостатками липосом как носителей являются их низкая стабильность, низкая эффективность инкапсуляции искомого лекарственного вещества и высокая себестоимость.
Мицеллы. Данный тип НЧ представляет собой амфифильные коллоидные структуры, образующиеся в водных растворах спонтанно из мономеров и заданных молекул лекарственного соединения при достижении определенной концентрации мономеров (критическая концентрация мицеллообразования) и определенной температуре раствора (критическая температура мицеллообразования). В качестве “мономерных” блоков для формирования мицелл возможно использование полимеров (полимерные мицеллы). Гидрофобные компоненты амфифильных молекул формируют центральную часть мицеллы, в то время как гидрофильные – ее поверхность. Размер мицелл составляет 5–100 нм. В настоящее время мицеллы используются в качестве носителей для доставки лекарственных препаратов, в частности для доставки слаборастворимых в обычных условиях липофильных соединений, а также для доставки контрастирующих агентов для диагностики и визуализации.
Микросферы. К данному типу относятся НЧ, имеющие форму шарика и диаметр не более 1 мкм и сформированные обычно из биоразлагаемых полимеров. Могут быть монолитного типа, т.е. представлять собой сплошную сферу с вкраплениями лекарственного средства, либо резервуарного типа (микрокапсулы), когда лекарственный препарат находится внутри полости, образованной полимерной стенкой. Находятся на разной стадии разработки препараты на основе микросфер для терапии различных видов рака, в том числе содержащие искусственный радиоактивный изотоп иттрия 90Y или природный 89Y в качестве нерадиоактивного предшественника для местной радиотерапии. Недостатками микросфер в качестве носителей является их относительная нестабильность (разлагаются в течение нескольких недель) и сложность массового производства.
Собственно “наночастицами”. Представляют собой твердые коллоидные частицы диаметром менее 1 мкм. Они могут представлять собой либо сплошную сферу из определенного материала – наносферы, либо капсулу с внутренней полостью – нанокапсулы. Молекулы вещества, доставляемого НЧ, могут быть в первом случае диспергированы во всем ее объеме как в матриксе или, во втором случае, заключены в водной или липидной среде во внутренней полости частицы. Наночастицы этого типа могут быть образованы полимерами, липидами, белками, желатином или другими веществами, включая неорганические соединения.
В качестве исходных полимерных веществ для получения НЧ могут использоваться как природные, так и синтетические полимеры, такие как поли-D,L-молочная кислота, полигликолевая кислота, сополимер молочной и гликолевой кислот, поли-ε-капролактон, полиметилметакрилат и различные другие полимеры на основе эфиров акриловых кислот. Недостатками полимерных НЧ являются их цитотоксичность, дорогостоящее производство, небольшой выход готовых частиц (не более 2%), деградация полимерного вещества с течением времени.
Дендримеры. Дендримеры представляют собой полимеры, обладающие четко упорядоченной симметричной деревообразной структурой, представляющей собой регулярные ветвления, выходящие из центрального ядра. Существуют дендримеры первого, второго, третьего и т.д. поколений, при этом дендримеры первого поколения имеют одну точку ветвления в каждой ветви, второго поколения – две точки ветвления и т.д. Особенностью дендримеров является однородность и воспроизводимость с большой точностью размеров, формы и топологии частиц, контролируемость процесса их получения, присутствие определенных химических групп на внутренней и внешней поверхностях частиц, а также возможность образовывать стабильные комплексы с различными молекулами, в том числе с терапевтическими препаратами. Размер частиц составляет менее 100 нм. Дендримеры применяются для разработки средств направленной доставки лекарственных препаратов и визуализирующих агентов, в том числе для непосредственного мониторинга действия лекарственного соединения в раковые клетки.
Кроме того, на основе дендримеров могут быть синтезированытектодендримеры – мультикомпонентные структуры, презназначенные для направления в опухолевые клетки средств визуализации и терапии. (9 слайд)
НЧ на основе неорганических веществ. Данные НЧ в основном используются в качестве платформ для визуализации и маркирования патологических участков в организме. Одни из наиболее широко используемых НЧ – наночастицы на основе оксидов железа, обладающие суперпарамагнитными свойствами и применяющиеся в комплексе с магнитно-резонансными исследованиями для лучшего разрешения при детекции патологических очагов, например, метастазов в лимфоузлах при раке простаты, атеросклеротических бляшек, артритов, воспалений (10 слайд)
Ранняя диагностика онкологических заболеваний обеспечивает успешное лечение. Показатель пятилетней выживаемости больных раком легких, у которых заболевание было диагностировано на ранней стадии и выполнено хирургическое вмешательство, составляет от 60 до 80 %. У больных с диагностикой на поздней стадии такой показатель не превышает 10 % (Weir, 2003). Современные методы раннего детектирования, которые основываются на методах рентгеновской компьютерной томографии и магнитнорезонансной томографии, определяют опухоль, когда она становится достаточно большой размером с кусочек сахара рафинада и содержит более 10 миллиардов клеток (Li, 2006).
Магнитнорезонансная томография (ЯМРтомография) признана одним из наиболее известных неинвазивных методов получения изображения внутренних органов. В его основе лежит взаимодействие радиочастотного поля с магнитными ядрами, находящимися во внешнем магнитном поле. В случае биологических объектов такими магнитными ядрами служат протоны, которые входят в состав молекул воды.
К сожалению, ЯМРтомография обладает достаточно низкой чувствительностью, невысоким разрешением и требует достаточно длительного времени для получения изображения одного среза.
Несколько повысить чувствительность ЯМРтомографии, а также улучшить пространственное разрешение метода можно с помощью контрастирующих веществ. (11 слайд)
Применение ионов гадолиния в качестве контрастирующих веществ связано с их большим магнитным моментом и наличием неспаренных электронов.
Использование наночастиц в качестве контрастирующих веществ позволяет получить значительное усиление ЯМРсигналов. Так как ионы гадолиния нельзя получить в виде наночастиц, в качестве контрастирующих веществ предлагается использовать наночастицы оксида гадолиния Gd2O3. Водная суспензия наночастиц оксида гадолиния, введенная в кровь, достаточно долго в ней задерживается, что дает возможность для получения магнитнорезонансных изображений кровеносных сосудов. Без контрастирующих веществ кровеносные сосуды на магнитно резонансной томографии различить нельзя.
Еще один способ получения наночастиц, содержащих ионы гадолиния, заключается в создании многослойных наночастиц. В качестве основы используется наночастица золота в 2 нм, на поверхности которой находятся около 150 атомов гадолиния. Такие наночастицы, применяемые в качестве контрастного вещества для магнитнорезонансной томографии, способны более чем в 200 раз увеличить ЯМР сигнал, по сравнению с обычными комплексами гадолиния.
Другим классом контрастных веществ для магнитнорезонансной терапии являются наночастицы окиси железа. Использование наночастиц окиси железа размером около 50 нм позволяет различать в томографическом изображении опухоли, отеки и лимфатические узлы. ЯМР томография с использованием контрастных веществ на основе наночастиц окиси железа позволяет различать доброкачественные и злокачественные опухоли с достоверностью 88,89 %.
В последнее время в поле зрения исследователей попали полупроводниковые и углеродные наночастицы.
Впервые молекулы фуллерена были синтезированы в 1985 г. Фуллерены представляют собой молекулы сферической формы, со стоящие из 60ти, 70ти или большего числа атомов углерода (С60 или С70 и т.д.) с большой внутренней полостью. Размер отдельной молекулы фуллерена С60 составляет около 0,7 нм. Так как молекулы фуллерена являются гидрофобными веществами, плохо растворимыми в воде, это существенно ограничивает их возможность применения в медицине.
Способность фуллерена С60 генерировать синглетный кислород была открыта канадскими учеными еще в 1992 г. Однако длительное время считалось, что фуллерены токсичны, и их способность генерировать кислород не была востребована в медицине.
В настоящее время фотосенсибилизаторы на основе углеродных наноструктур не прошли клинических испытаний и пока не разрешены к практическому применению. Тем не менее, для различных типов рака показано, что инкубация опухолевых клеток с фуллеренами с последующим облучением белым светом вызывает апоптоз клеток через 46 часов после облучения.
Второе направление в терапии онкологических заболеваний, основанное на использовании наночастиц, связано с нагревом металлических наночастиц излучением ИКлазера. В качестве наночастиц, как правило, используются наночастицы золота или серебра.