Нанотехнології в неврології

Досягнення науки створили передумови для появи нового перспективного напряму, що визначається терміном «нанотехнології». Цей термін означає цілеспрямоване маніпулювання об`єктами, розміри яких порівнянні з атомарними. Йдеться про створення та використання принципово нових структурованих матеріалів, пристроїв і систем на основі частинок нанодіапазоні. Такі системи набувають унікальні механічні, електромагнітні, оптичні, хімічні властивості (значна енергонасиченість і висока реакційна здатність, квантові ефекти, відсутність дефектів в обсязі, що відкривають можливість абсолютно нових маніпуляцій з ними.

Таким чином, перехід від "мікро" до "нано" - це не просто кількісне зміна, але якісний стрибок, що дозволяє, стосовно до медицини, значно вдосконалити діагностику та лікування багатьох хвороб, створити нові препарати спрямованої дії і впровадити їх в клінічну практику. За визначенням Національного інституту здоров`я США, використання нанотехнологій для лікування, діагностики, моніторингу та контролю біологічних систем називається наномедицини. Нанотехнології в неврології також можуть радикально змінити наші уявлення про традиційну консультації і прийомі невролога.

Найбільш перспективні медичні напрямки нанотехнологій в неврології, які націлені на впровадження в клінічну практику:

Новий клас люмінесцентних та радіоактивних біологічних зондів (діагностика, сканування органів і тканин).
Нові, більш точні методи МР-діагностики захворювань людини.
Нові лікарські форми, системи доставки ліків, носії генів, олігонуклеотидів, РНК і вірусів.
Нанометоди біодетекціі інфекційних агентів.
Детекція білків, в тому числі аномальних.
ДНК-зонди з прямою ідентифікацією мутацій і їх локалізації.
Клітинна і тканинна інженерія - конструювання і відтворення клітин, органів і їх функціональних частин.
Методи розділення і очищення білків, нуклеїнових кислот, клітин, субклітинних структур.
Внутрішньомозкові чіпи, штучна сітківка ока, провідні елементи головного і спинного мозку, нові матеріали для опорних тканин.

Нейрохірург, тканинна інженерія та штучні ендокринні залози

У 2003 р в американському журналі "Neurosurgery" була опублікована стаття, в якій обговорювалося можливе застосування останніх досягнень нанотехнологій для лікування нейроонкологічних захворювань і висловлювалася думка, що нейрохірургія стоїть на порозі "ери нанонейрохірургіі". У 2006 р в трьох номерах того ж журналу був надрукований великий огляд, автори якого вже не тільки виділяють нанонейрохірургію як нове інтенсивно развівающеееся напрямок, але і розглядають можливий набір інструментів, яким можуть користуватися нанонейрохірургі: нанотранспортние системи для векторної доставки діагностикумів і ліків, фентосекундние лазерні системи, нанороботи, наночіпи, наноголки, нанопинцет, наношпріци.

Діагностика на основі нанотехнологій в неврології

За допомогою нанотехнологій вдосконалюється широко застосовуваний в неврології метод магнітно-резонансної томографії (МРТ). Наприклад, було встановлено, що наночастинки заліза, введені щурам з експериментальним аутоімунним енцефаломієліт, активно поглинаються фагоцитами, які накопичувались в зонах ураження. Це явище використовували для отримання контрастних МРТ-зображень вогнищ запалення в нервовій системі, що значно розширює можливості діагностики нервових хвороб.

Нанотехнології знаходять все більш активне застосування в неврології для виявлення дефектних генів і білків. Так, у спільній розробці Інституту молекулярної генетики РАН, Наукового центру неврології РАМН і біотехнологічної лабораторії Тартуського університету була використана оригінальна АРЕХ-технологія (різновид технології ДНК-биочипов) для дослідження генетичного ризику розвитку хвороби Паркінсона. На одному розробленому чипі були одночасно тіпірованних 50 однонуклеотидних поліморфізмів 19 генів нейротрансмітерів і їх рецепторів (холецистокініну, серотоніну, дофаміну, опіоїдних пептидів). Автори встановили достовірні відмінності в частотах алелей і генотипів між контрольною групою і пацієнтами з хворобою Паркінсона по ряду поліморфних варіантів генів серотонінових рецепторів, проопиомеланокортина (РОМС), гена Вольфрам-синдрому, при цьому були виявлені певні кореляції з клінічним перебігом хвороби Паркінсона, зокрема, - з виразністю когнітивних порушень. Результати цієї роботи демонструють високий потенціал чіпових мікро- і нанотехнологій для швидкого і ефективного визначення профілю індивідуальної схильності до мультифакторна захворювань.

Генна інженерія та генна терапія в неврології

Перспективним напрямком використання нанотехнологій в неврології, є генна інженерія та генна терапія. Може йтися, в першу чергу, про створення нових лікарських засобів, для яких молекулярними мішенями будуть служити білки або гени. Завдання знаходження нових "мішеней" вирішується за допомогою біоінформатики, де об`єктом аналізу є геном. Молекулярна генетична "мішень" для лікарських речовин визначається за рівнем експресії ключових генів, відповідальних за синтез певних білків. Дія ліків на геном пов`язано з особливостями їх фізико-хімічних властивостей (електронної структури, стереохімії, розчинності та інших), які визначають взаємодію з біологічними мембранами клітин і субклітинних структур, транспорт через них, взаємодія з ядерними білками і нуклеїновими кислотами. Нанотехнологія дозволяє створити препарати, здатні вибірково зв`язуватися з певними локусами геному.

Сучасний розвиток нанотехнологій допускає можливість заміни мутантного гена в ураженій клітині на нормальний. Для перенесення генів і олігонуклеотидів в мозок експериментальних тварин використовують наночастинки. Досліджують також можливість використання наночасток в якості переносників генів для генотерапії при міодистрофії Дюшенна. Виявилося, що олігонуклеотиди, що впливають на експресію дистрофина, в 5-6 разів краще проникають в ядра м`язових клітин, якщо вони прикріплені до наночасток.

Ще одним додатком нанотехнологій стосовно генної терапії є конструювання рекомбінантних вірусних наночастинок, які можуть служити в якості "транспортних засобів" (векторів) для доставки необхідного гена або його частини безпосередньо в нейрони-мішені. Як приклад можна згадати пріоритетні дослідження, виконані Науковим центром неврології РАМН спільно з Інститутом молекулярної генетики РАН і пов`язані з розробкою протоколу генної терапії такого фатального нейродегенератівного захворювання, як бічний аміотрофічний склероз. У процесі цієї роботи були створені рекомбінантні наночастинки аденовірусу, що містять в своєму геномі два найважливіших пептидних ангіогенних фактора, що забезпечують виживання мотонейронів в умовах гіпоксії. При внутрішньом`язовому введенні такої конструкції вона потрапляє в мотонейрони відповідного сегмента спинного мозку шляхом ретроградного аксонального транспорту, що супроводжується експресією вводяться генів в мотонейронах і збільшенням виживання паціентов- ці роботи будуть продовжені з використанням і інших чинників зростання і вірусних наночастинок в якості векторів.

Векторна доставка ліків в певне місце в певних дозах є однією з найважливіших проблем клінічної фармакології. Великий практичний інтерес представляє векторна доставка ліків, минаючи гисто-гематічеськие бар`єри і клітинні мембрани. Використання наноносітелей для векторної доставки ліків - розвивається напрямок, що має конкретні практичні результати і перспективи промислової реалізації. Зменшення розмірів частинок-носіїв, постачання їх наносенсорів і приєднання до них лігандів спрямованої дії, як видається, може забезпечити концентрацію лікарських препаратів в певних клітинах органів-мішеней. Для цілеспрямованої доставки в органи і тканини до поверхні наночастинок приєднують, наприклад, органо тропів пептиди. Молекули ліки поміщаються всередину або на поверхні міцел - нанокапсул, утворених молекулами поверхнево активних речовин і доставляються в потрібне місце організму.

Нанотехнології дозволяють скористатися наявними можливостями багатьох біологічно активних сполук, які раніше не могли бути застосовані через їх погану розчинність або нестабільності. Наприклад, низькомолекулярний гепарин, раніше вводиться в організм пацієнта тільки парентерально, може прийматися орально при упаковці його в нанокапсули, які захищають його від руйнування ферментами в шлунково-кишковому тракті, полегшують проникнення в кров і пролонгують антикоагулянтний ефект до 8 годин. Включення інсуліну в Мукоза-адгезивні мікрокапсули, виготовлені з альгінату і хітозану, також дозволило вводити його в організм тварин з експериментальним діабетом орально. Експериментально встановлено можливість введення наночастинок в мозок шляхом інгаляцій через ніс. Показано, що мічені наночастинки з носа можуть переміщатися в мозок по нюхової нерву.

При лікуванні нанопрепарат передбачається введення малої кількості ліків за допомогою "адресної" доставки, тому перед клінічної фармакокінетикою виникають нові завдання, що вимагають найсучасніших підходів для свого рішення. Актуальною стає задача мікроколічественного аналізу ліків. Наприклад, нові допінги, створені із застосуванням нанотехнологій, можна визначити тільки найбільш чутливими методами мікроколічественного аналізу, зокрема, хроматомасс-спектрометрією. У міру розвитку нанотехнологій для мікроаналізу все ширше будуть використовуватися наносенсори.

Для візуального спостереження зв`язування нанопрепаратів з органами-мішенями їх мітять металевими наночастинками (наприклад, парамагнітним залізними або золотими), що дозволяють з високою роздільною здатністю бачити накопичення препарату в органах методами КТ, МРТ, ультразвукового сканування.

Актуальним є питання про токсичність і побічні ефекти лікарських наноформ. Через поки що обмеженого клінічного застосування нанопрепаратів повідомлень про можливі побічні ефекти явно недостатньо, що має бути причиною особливої уваги до цієї проблеми. Токсичність нанопрепаратів активно вивчається в експериментах на тваринах і на клітинних культурах, формується новий розділ науки - нанотоксикології.

Перспективи використання лікарських наноформ в неврології

В даний час в різних країнах проводяться доклінічні та клінічні дослідження різних наночастинок і нанокапсул як переносники, які допомагають проникнути через гематоенцефалічний бар`єр ліків, що використовуються для лікування різних захворювань нервової системи. Найбільш активно в цьому плані вивчаються епілепсія, хвороба Альцгеймера, гліоми, больові синдроми.

Постійно ведуться пошуки нових матеріалів, До таких матеріалів відносяться вуглецеві фулерени, металеві та полімерні наночастинки, фосфоліпідні і глікосфінголіпідние нанокапсули.

Фулерени. Фуллерен є сполучною ланкою між органічної та неорганічної матерією. Однак під час синтезу в порожнину фуллереновой наносфери можна ввести той чи інший препарат: атом металу в якості безпечного рентгеноконтрастного кошти, радіоактивний препарат. Металізовані наночастинки можна ввести в пухлину, а потім за допомогою електромагнітних хвиль розігріти їх для термічної деструкції пухлинних тканин.

За відсутності світла фулерени мають високу антиоксидантну активність, представляючи собою своєрідні самовідтворюваними "пастки" для вільних радикалів. Це властивість підштовхнуло дослідників до вивчення можливості їх відповідного терапевтичного використання. В експериментах на культурі кортикальних нейронів методом електронної парамагнітної спектроскопії було показано, що похідні фулерену зменшують кількість вільних радикалів в клітинах і захищають нейрони від загибелі, викликаної впливом М-метил-Б-аспартату, каїнової кислоти та інших агентів. При цьому фулерени і його оксиди - фуллереноли, запобігають підвищення внутрішньоклітинної концентрації кальцію, опосередковане через рецептори глутамату, і мають антіапоптіческім дією.

В даний час ведуться роботи по отриманню та вивчення властивостей комплексів фулеренів з пептидами, нуклеїновими кислотами та іншими біологічними молекулами. Аналогічні розробки ведуться в Інституті експериментальної медицини в Санкт-Петербурзі.

Фулерени можна отримувати не тільки в формі наносфер, але і в формі нанотрубок. Нанотрубки, заповнені молекулами лікарської речовини, припускають використовувати в якості молекулярних "шприців" - дозаторів. Фахівцями ведеться робота зі створення з нанотрубок имплантируемого "нанонасоса", що забезпечує дозування ліків за допомогою електроосмосу. На відміну від вже існуючих, цей апарат програмується на подачу ліки в заданий час.

У дослідах на клітинних культурах нормальної мікроглії і гліоми було показано, що нанотрубки, додані в середу інкубації, що не мають токсичного впливу, проте активно поглинаються нормальними і пухлинними клітинами. На думку авторів, такі нанотранс- кравці системи можна ефективно використовувати для доставки протипухлинних препаратів в клітини гліоми. Існує технологія включення в порожнині нанотрубок протипухлинного ліки і приєднання до їх внутрішньої поверхні феромагнітних наночастинок. Це дозволяє створювати високу концентрацію ліків в пухлини за допомогою розташованого над нею магніту, що притягує феромагнітні наночастинки після їх введення в судини.

Полімерні наночастинки. Для транспортування ліків застосовуються також полімерні наночастинки, наприклад, виготовлені з полібутілціаноакрілата. Провідний російський дослідник у цій галузі професор Р. Н. Аляутдінов з співробітниками в експериментах на тваринах продемонстрував можливість транспорту ліків, стимулюючих зростання нейронів, через гематоенцефалічний бар`єр за допомогою наночастинок. Для цього на мишах створювали експериментальні моделі хвороб Паркінсона й Альцгеймера, а їх лікування здійснювали препаратами, приєднаними до наночасток полібутілціаноакрілата, які зовні були покриті полісорбат 80, що робить їх схожими на ендогенні частки. Клітини судин мозку приймають їх за "свої" і захоплюють разом з інкапсульованими в них ліками. Було встановлено, що фактор росту нервів, що міститься в наночастицах, сприяє відновленню пам`яті і ініціює процеси регенерації речовини мозку. Показано також, що наночастинки проникають в мозок через гематоенцефалічний бар`єр шляхом транспорту, опосередкованого аполіпопротеїн. Ці теоретичні і експериментальні розробки повинні допомогти пошуку нових ефективних способів лікування хвороб Паркінсона й Альцгеймера.

Казахстанські вчені, досліджуючи можливості наночастинок полібутілціаноакрілата, модифікованих полісорбат 80, показали, що вони збільшують проникнення ліки доксорубіцин в мозок в 60 разів. На основі наночастинок полібутілціаноакрілата, що несуть на собі антагоністи глутаматного рецептора ММБА, розробляються нові лікарські форми антиконвульсантів.

Мишам з туберкульозним менінгітом орально вводили наночастинки, приготовані з полімеру полілактид-ко-глікозиду і начинені протитуберкульозними препаратами. Фармакокінетичні дослідження показали, що після одноразового введення препарати циркулювали в крові протягом 5-8 днів, а в мозку визначалися протягом 9 днів. Після проведеного курсу лікування мікобактерії в оболонках мозку повністю були відсутні. Автори відзначали значний потенціал наночастинок в якості транспортерів протитуберкульозних ліків в мозок.

Наночастки, поверхня яких покрита поліетиленгліколем, самі по собі не токсичні і Біоінертні. При цьому вони істотно збільшують біодоступність різних інкапсульованих в них ліків і в кілька разів подовжують час їх напіввиведення. Такі наночастинки допомагають подолати гематоенцефалічний бар`єр цілої низки ліків, наприклад, аналогу метенкефалін. Аналог вазопресину МС -1900, пов`язаний з наночастинками, покритими поліетиленгліколем, використовували для лікування дефіциту пам`яті, викликаного скополаміном у мишей. Час напіввиведення препарату з крові склало 78 годин, що в 4 рази перевищує час напіввиведення препарату, не пов`язаного з наночастинками.

Відео: Євгенія Коновалова. Нанотехнології в нейронауках

Показано, що ліпідні нанокапсули в 5-10 разів збільшують проникнення в мозок експериментальних тварин препарату 5-флюородеоксіурідіна, використовуваного при лікуванні ряду захворювань нервової системи.

Глікосфінголіпідние нанокапсули. Перспективними для векторної доставки ліків в мозок є, на наш погляд, нанокапсули, приготовані з гликосфинголипидов, які є основними (більше 50%) ліпідами мозку і шкіри. У НВО "Техкон" розроблена технологія отримання стабільних нанокапсул на основі глікосфінголіпідного комплексу CCS®, що містить 45-65% цереброзидів, 14-17% цереброзидів-сульфатів, 10-15% сфінгоміеліна і 10-15% тригліцеридів і фосфоліпідів. Нами було показано, що завдяки високій щільності негативного заряду полярних головок сфинголипидов комплекс CCS® має цілу низку корисних з точки зору фармакології властивостей:

- Збільшує агрегатівную стійкість (стабільність) ліпосомальних систем, приготованих з фосфоліпідів, до 1 року.

- Мимовільно утворює у воді дисперсних систем, що включає наноструктури у вигляді нанотрубок, після нагрівання якої нанотрубки перетворюються в наноліпосоми (нанокапсули) розміром 100-150 нм, що дає можливість інкапсуляції в них різних біологічно активних речовин.

Відео: Діенай // 15 жовтень 2013

- Збільшує проникність епідермісу для води і гідрофільних речовин.

- Істотно полегшує проникнення деяких вазоактивних препаратів (зокрема, нітрогліцерину) через шкіру і за рахунок цього більш ніж в 2 рази збільшує їх ефективність, що зареєстровано нами завдяки розробленим принципово новим методам і апаратурі.

- Ефективність нанокапсул як переносники досліджених вазоактивних препаратів значно перевищує ефективність нанотрубок.

У ряді робіт показано, що наночастинки, приготовані з гликосфинголипидов і містять протипухлинні препарати, мають високу стабільність, тому тривалий час циркулюють в крові експериментальних тварин, що збільшує протипухлинну активність препарату. Вони вибірково накопичуються в пухлині нервової системи (гліоми), де зв`язуються з глікопротеїном міжклітинної матриксу тенасціном, потім потрапляють всередину клітин шляхом ендоцитозу і цитотоксично дію.

Гликосфинголипидов мають виражену антиоксидантну та нейропротекторной активністю, тому їх введення в організм у формі наночастинок може виявитися корисним при лікуванні нейродегенеративних захворювань і епілепсії. Показано, наприклад, що введення в організм миші гликосфинголипидов запобігає конвульсії, викликані глутаровой ацидемією або пентілентетразолом, перешкоджає ингибированию натрій-калієвих АТФаз та накопиченню продуктів вільнорадикального окислення ліпідів.

В експериментах на мишах встановлено, що ліпосоми на основі гликосфинголипидов менш імуногенність у порівнянні з фосфоліпідними липосомами. Гликосфинголипидов володіють також антитромботичну активність, що значно знижує ризик тромбозу при їх внутрішньовенному введенні.

Таким чином, нанотехнології в неврології, будучи вельми перспективним напрямком в клінічній медицині взагалі, можуть з успіхом використовуватися в різних областях для:

відтворення втрачених або пошкоджених ділянок нервової тканини;
мікроколічественного аналізу біологічних проб за допомогою биочипов;
молекулярно-генетичних досліджень і типування генів, відповідальних за спадкові та мультифакторні захворювання нервової системи;
підвищення контрастності зображень, одержуваних за допомогою променевих методів діагностики;
імунної, термічної або променевої деструкції патологічних (пухлинних) вогнищ в мозку;
векторної доставки ліків і генів в потрібну ділянку (орган);
поліпшення фармакокінетичних показників ліків, підвищення їх розчинності і біодоступності, поліпшення проникнення через гістогематичні бар`єри в органи і тканини, а також через клітинні мембрани;
створення альтернативних лікарських форм, переходу від ін`єкційних форм до трансдермальним і назальний.

Багато розробок використання нанотехнологій в неврології поки ще далекі від практичного застосування. Однак ведуться в світі дослідження постійно рухають вперед область нанотехнологій в неврології.