Наночастицы в биомедицинских исследованиях и медицинской практике

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный медицинский университет

Министерства здравоохранения Российской Федерации»

(ГБОУ ВПО НГМУ Минздрава  России)

 

 

 

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ХИМИИ

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: Наночастицы в биомедицинских исследованиях и медицинской практике

 

 

 

Выполнила:

Студентка 1-го курса группы №7

лечебного факультета

Бобкова Н. А.

Проверила: Зубова А. В.

Оценка:___________

Подпись:__________

Новосибирск

2014г.

Оглавление

1. Введение…………………………………………………..2
2. Аргинин…………………………………………………...3
3. Лизин……………………………………………………....4
4. Глутамин…………………………………………………..5
5. Список литературы……………………………………….6
6. Приложение……………………………………………….7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Наночастица (англ. nanoparticle) — изолированный твёрдофазный объект, имеющий отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм[1].

  Принципиально возможно деление наночастиц на органические (например, фуллерены, дендримеры) и неорганические (металлические и кварцевые наночастицы). Физико-химические свойства наночастиц предопределяют их назначение в наномедицине . Например, четко зависящая от размера квантовой точки флуоресцентная эмиссия делает эти наночастицы незаменимыми для молекулярной визуализации, а разветвленная структура дендримеров дает широкие возможности для их функционализации и, следовательно, превращает их в перспективные средства для доставки лекарственных препаратов. Ниже дается краткая характеристика основных классов наночастиц и приводятся примеры их использования в биологии и медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация наночастиц и их применение в медицине

 

Фуллерены

Фуллерены представляют собой относительно недавно описанную аллотропную модификацию углерода в виде полых сферических образований. Водорастворимые производные фуллерена С60 находят широкое применение в терапии многих заболеваний. Так, в частности, производные фуллерена С60 используются как противовирусные  и антибактериальные агенты. В ряде исследований показана эффективность фуллеренов в качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний . Антиоксидантные и антиапоптотические эффекты фуллеренов могут использоваться в терапии бокового амиотрофического склероза и болезни

Дендримеры

Дендримеры являются трехмерными разветвленными монодисперсными макромолекулами. После достижения пяти порядков ветвления, дендримеры начинают содержать в своем составе многочисленные полости, которые могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов.

Установлено, что дендримеры могут служить носителями как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных молекул, причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым. Наноразмерность дендримеров (1-100 нм) снижает вероятность их захвата и инактивации элементами ретикуло-эндотелиальной системы.

В настоящее время имеется достаточно много данных об использовании полиамидоаминовых дендримеров в качестве носителей лекарственных и диагностических препаратов. Так, в частности, изучались перспективы использования полиамидоаминовых дендримеров в качестве носителей химиотерапевтических препаратов , ДНК и контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии  (MPT).

Единственной известной на сегодняшний день лекарственной формой с противовирусной активностью на основе полилизинового дендримера является вагинальный гель, предотвращающий передачу вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и вируса герпеса. Было показано, что полианионная внешняя поверхность дендримера, входящего в состав геля, обладает способностью связывать белок ВИЧ gpl20, таким образом предотвращая взаимодействие ВИЧ с CD4-позитивными клетками.

Липосомы представляют собой наночастицы  шаровидной формы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества). Несмотря на то, что размеры липосом могут быть очень вариабельными, большинство липосом имеют диаметр менее 400 нм.

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.

Хотя липосомы были описаны более 40 лет назад, способы транспортировки и доставки лекарственных препаратов на основе липосом не получили широкого распространения на фармацевтическом рынке. Основными проблемами, сдерживающими более широкое применение липосом, являются их относительная нестабильность, невозможность обеспечить стандартное действие в различных партиях препаратов, трудности стерилизации и недостаточная загрузка препаратом. Тем не менее, существуют примеры успешного применения основанных на липосомах препаратов в клинической практике. К ним относится препарат доксил, содержащий доксорубицин в липосомах, модифицированных полиэтиленгликолем. Данный препарат особенно эффективен для лечения саркомы Капоши у пациентов, инфицированных ВИЧ.

Полимерные мицеллы

Мицеллы представляют собой наноразмерные коллоидные частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть (ядро) и гидрофильную поверхность (оболочку). Лекарственные препараты и контрастные агенты могут либо помещаться в липидное ядро мицеллы, либо ковалентно связываться с ее поверхностью. Мицеллы имеют несколько меньшие размеры (около 50 нм), чем липосомы .

Полимерные мицеллы представляют интерес в первую очередь как переносчики гидрофобных лекарственных препаратов. В частности, мицеллы могут использоваться для парентерального введения таких препаратов, как амфотерицин В, пропофол и паклитаксел. Подобно липосомам, мицеллы могут применяться для направленной доставки  лекарственных препаратов к клеткам-мишеням. Это достигается присоединением к поверхности мицелл чувствительных к рН элементов. Описаны бифункциональные полимерные мицеллы для одновременной доставки лекарственных препаратов и визуализации поврежденных тканей.

Наночастицы металлов

Среди металлических наночастиц наиболее известны наночастицы  таких благородных металлов, как золото и серебро. Наночастицы золота, обладающие целым рядом уникальных характеристик (оптические свойства, прочность, высокая площадь поверхности), в основном используются в диагностических целях. Наночастицы золота могут служить для усиления сигнала при проведении иммуноферментного анализа за счет их связывания с антителами. Применяли наночастицы золота для повышения чувствительности иммунохроматографических диагностических полосок. Электрохимический подход, основанный на частичном замещении электродов наночастицами золота, недавно был использован для безметочной детекции раково-эмбрионального антигена. Полученные иммуноаналитические наборы показали прекрасную воспроизводимость данных. Примечательно, что наночастицы серебра в последние годы с успехом использовались для усиления флуоресценции в иммунодиагностике.

В ближайшем будущем ожидается дальнейшее усовершенствование диагностических подходов, основанных на использовании наночастиц золота. В частности, большой потенциал имеют разработки методов функционализации поверхности этих наночастиц с помощью углеводов и повышения чувствительности наносенсоров на основе золотых наночастиц с «профилизацией» их диагностических возможностей.

Полимерные (биодеградируемые) наночастицы

Цельные наночастицы представлены сферическими наноразмерными объектами из биодеградируемого материала, например, белка (альбумин, коллаген), жиров или синтетических полимеров. Размер цельных наночастиц колеблется от 10 до 1000 нм. Это дает возможность использовать их для одновременной визуализации поврежденных тканей и направленной доставки  лекарственных препаратов. Цельные наночастицы в настоящее время лидируют среди нанообъектов, используемых в терапевтических целях.

Исторически, первым препаратом, доставка которого опосредована наночастицами , стал одобренный для клинического использования в США в 2000 году рапамун (сиролимус) — иммунодепрессант, применяемый для профилактики отторжения транплантанта. Наночастицы рапамуна варьируют в диаметре от 80 до 400 нм и создаются путем измельчения лекарственного препарата с водой и со стабилизатором.

Особое внимание исследователей привлекают цельные липидные наночастицы. Их преимущества включают высокую стабильность, защиту инкорпорированных препаратов от деградации, контролируемое высвобождение препаратов и превосходную переносимость. Эти наночастицы в качестве транспортеров препаратов могут вводиться в организм самыми разными путями, включая энтеральный, трансдермальный, парентеральный, ректальный и внутриглазной. Предполагается, что липидные наночастицы могут лучше преодолевать гематоэнцефалический барьер, в связи с чем предпринимались попытки их изучения в качестве переносчиков в мозг таких препаратов, как доксорубицин, паклитаксел и капмтотецин. Положительные результаты были получены при исследовании терапевтической эффективности перорального приема липидных наночастиц, нагруженных тобрамицином, клозапином, капмтотецином, рифампицином и изониазидом.

Изучение судьбы данных частиц после их введения в организм показало, что они интернализируются в клетки путем эндоцитоза.

Квантовые точки

Флуоресцентные метки широко используются в биологии и медицине. Их недостатком является необходимость использования различных красителей для получения каждого цвета и подбора лазера соответствующей длины волны для индукции флуоресценции этих красителей. Кроме того, цвета флуоресцентных меток часто сливаются и быстро бледнеют. Полупроводниковые нанокристаллы, называемые квантовыми точками, лишены этих недостатков. Они представлены мельчайшими частицами, сопоставимыми по размеру с молекулами белков и нуклеиновых кислот. При возбуждении они дают практически непрерывную палитру четких цветов. Флуоресценция квантовых точек возбуждается белым светом, причем частицы нанокристаллов могут быть присоединены к биомолекулам и обеспечивать длительно существующий сигнал, многократно превосходящий по яркости используемые в настоящее время красители .

Применение квантовых точек может существенно расширить возможности диагностики многих заболеваний. В настоящее время квантовые точки активно используются для детекции опухолевых клеток, маркирования внутриклеточных органелл, визуализации микрососудов и многих других биомедицинских исследований.

Перфторуглеродные наночастицы

Перфторуглеродные наночастицы представлены ядром, состоящим из жидкого перфторуглерода, и фосфолипидной оболочкой. Размер этих частиц обычно лежит в пределах 200-250 нм. Жидкостные перфторуглеродные наночастицы нелетучи, биологически инертны, химически стабильны и не подвергаются распаду в организме. Наличие фосфолипидов позволяет присоединять к наружной поверхности перфторуглеродных наночастиц лекарственные препараты и антитела. Примечательно, что перфторуглеродные наночастицы обладают исключительно высокой способностью связывать атомы гадолиния (до 50-100 тыс. атомов на одну частицу). Это ставит перфторуглеродные наночастицы в ряд наиболее перспективных контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии . Направленная доставка перфторуглеродных наночастиц в клетки-мишени обычно достигается путем ковалентного связывания липидов поверхностной мембраны с антителами или пептидомиметиками. Большинство наноразмерных носителей лекарственных препаратов обеспечивают высвобождение последних только после интернализации в клетку или разрушения наночастиц . По сравнению с ними перфторуглеродные наночастицы обладают серьезным преимуществом, поскольку липофильные препараты, внедренные в наружную оболочку перфторуглеродных наночастиц, могут высвобождаться при простом контакте поверхности перфторуглеродных наночастиц с плазмалеммой клетки-мишени. Этот процесс получил название «контактного облегченного липидного обмена» (Winter et al., 2007). Усиление взаимодействия между наружной оболочкой перфторуглеродных наночастиц и клеточной мембраной с помощью облучения ультразвуком усиливает перенос вещества в клетку по меньшей мере в 10 раз (Crowder et al., 2005).

Перфторуглеродные наночастицы используются для молекулярной визуализации  вновь сформированных опухолевых сосудов за счет взаимодействия с интегрином avβ3. Такого рода специфическое взаимодействие перфторуглеродных наночастиц обеспечивается за счет их соединения с пептидомиметиком, распознающим интегрин avβ3. Поскольку интегрин avβ3 усиленно экспрессируется не только в опухолевых сосудах, но и в прогрессирующей атеросклеротической бляшке, перфторуглеродные наночастицы успешно применялись для визуализации атеросклеротического повреждения аорты у кроликов (Winter et al., 2003). Кроме того, связывание перфторуглеродных наночастиц с антителами против тканевого фактора и фибрина позволяло визуализировать поврежденный эндотелий и тромбы в просвете сосудов, соответственно (Flacke et al., 2001). Перфторуглеродные наночастицы также представляют собой неоценимый инструмент для наблюдения судьбы клеток, вводимых в организм с терапевтической целью. Partlow et al. (2007) с помощью магнитно-резонансной томографии наблюдали продвижение и аккумуляцию в подколенных лимфоузлах прогениторных клеток, меченых перфторуглеродными наночастицами и введенных в пяточную область.

Суперпарамагнитные наночастицы

Парамагнитными материалами называют ионы металлов или органические радикалы, имеющие неспаренные электроны. В присутствии магнитного поля спины неспаренных электронов ориентируются в магнитном поле в невозбужденном состоянии, формируя материал с насыщенным магнитным моментом. Прекращение действия магнитного поля устраняет этот феномен. Группы соседних электронов, ориентированные в одинаковом направлении, получили название магнитных доменов. Уменьшение магнитных материалов до наноразмерных величин приводит к формированию высокого магнитного момента, известного под названиемсуперпарамагнетизма. Наиболее хорошо изучены суперпарамагнитные свойства частиц оксида железа. Для биомедицинских целей чаще всего используется магнетит (Fe3O4), который представляет собой смесь различных оксидов железа (Tartaj et al., 2003).

Подобно квантовым точкам , суперпарамагнитные наночастицы обладают довольно высокой токсичностью. Поэтому в процессе их синтеза необходимо повышение их биосовместимости. Это может достигаться различными путями, например, помещением суперпарамагнитных наночастиц в биологически инертные футляры из декстрана, полисахаридов и полиэтиленгликоля. Покрытые золотом суперпарамагнитные наночастицы могут использоваться в качестве контрастных агентов при проведении магнитно-резонансной томографии , что позволяет существенно увеличить разрешающую способность данного метода (Ji et al., 2007). С другой стороны, известно, что помещение суперпарамагнитных наночастиц в циклическое магнитное поле приводит к их выраженному разогреву за счет электрического сопротивления металлического компонента (Laurent et al., 2008). Этот факт обосновывает применение суперпарамагнитных наночастиц для таргетной термической деструкции патологических тканевых образований (в первую очередь, опухолей).