Применение нанотехнологии в стимуляции регенерации повреждённых тканей

    Термин «нанотехнологии» предложен Норио Танигучи в 1974 году для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами [440].

    Название новой науки возникло в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано», означающей изменение масштаба в 10^-9 (миллиард) раз меньше метра, то есть 1 нанометр = 1 нм = 10^-9 м, что составляет одну миллионную часть миллиметра (1 нм = 10 -6 мм).

    Из характеристик дисперсных систем по размерам частиц дисперсной

    фазы к ультрадисперсным (нано-) системам относятся «системы, в которых размер морфологических элементов (частиц, зёрен, кристаллитов) менее 100 нм» [207]. Подобное определение приведено зарубежными авторами Ли и Чо: «наноматериалами называют такие, размер структурных единиц которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм».

    Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в больших интегральных схемах, применяемым широко в полупроводниковой и компьютерной технике. Установлено, что уменьшение размера частиц вещества приводит к заметным изменениям его свойств, что объясняется увеличением интенсивности частиц, их взаимодействием с окружающей средой в сравнении со свойствами тех же материалов в их обычном состоянии и форме. Итак, под наночастицами понимают частицы размером не более 100 нм, у которых могут проявляться специфические особенности наноразмерного состояния вещества – размерные эффекты, то есть изменение свойств с изменением размера частиц.

    В настоящее время нанотехнология активно внедрилась практически во все сферы деятельности человека, в том числе и в медицинскую практику [122].

    Наномедицина по определению National Institutes of Health (США) – это применение макромолекул и наночастиц для диагностики и лечения болезней, а также репарации повреждённых тканей. Нанотехнология – это отрасль молекулярной технологии, ориентированная на получение веществ с заранее заданной молекулярной структурой.

    Переход на наноразмерность в XXI веке в медицинской практике имеет логичное объяснение. Основной объект воздействия современной медицины – это клетка, а зачастую – макромолекулы (ДНК, белки, реже полисахариды). Но если размер клеток 7-20 мкм, а диаметр двойной спирали ДНК 2,4 нм, то и инструменты для манипуляций должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона.

    Современная наномедицина развивается параллельно в нескольких направлениях. Во-первых, это доставка лекарственных веществ и диагностических препаратов в наноконтейнерах (нанокапсулы, липосомы) в «нужное» место, применение наночастиц (в т.ч. фуллеренов и дендримеров) для адресной доставки лекарств, а также для диагностики онкологических заболеваний [34, 40, 109, 163, 177, 222, 239, 241, 285, 320, 364, 414]. Такая адресная доставка обеспечивает более эффективное воздействие лекарства на повреждённый орган или ткань и сохраняет окружающие (здоровые) ткани. Барьеры, которые встают на пути наночастиц, многообразны: стенки желудочно-кишечного тракта, стенки капилляров, гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), мембрана клетки и мембраны клеточных органелл. И они их успешно преодолевают. Например, через ГЭБ наночастицы проходят лучше, чем отдельные молекулы.

    Второе направление наномедицины – это создание вирусных векторов (нанороботов) и их применение в области генной терапии [191, 197, 240, 254, 435, 460]. В этом плане особый интерес представляют вирусы, так как из всех известных агентов лишь они способны более или менее успешно интегрировать генетический материал в геном клеток человека. Поэтому все усилия специалистов генной терапии на настоящий момент сконцентрированы в области генной инженерии вирусов, применяемых в качестве векторов, доставляющих терапевтические гены в клетки организма больного. В этом отношении были испытаны различные вирусы на их способность инфицировать некоторые клеточные популяции. В частности, ретровирусы (RSV, MMS и т.д.), вирус герпеса человека, адено-ассоциированные вирусы и аденовирусы. Данная технология позволяет купировать симптомы, приостановить развитие необратимых изменений в организме или совсем ликвидировать проявления генетически обусловленных заболеваний, ранее не поддающихся стандартным общепринятым терапевтическим приемам.

    В-третьих, это создание на основе нанотехнологий биоинертных искусственных материалов (наноструктурированные материалы, мембраны с отверстиями, поверхности с нанорельефом) для их введения в человеческих организм с целью замещения его утраченной части (ткани, органа), имплантации каркаса, скрепляющих элементов тканей [30, 61, 84, 93, 150, 189, 225, 266, 277, 278, 343, 411]. Применение нанотехнологии позволяет сохранить прочность материала, несмотря на уменьшение его массы (наноструктурный титан для изготовления протезов в травматологии, ортопедии и стоматологии; износостойкая керамика в стоматологии ), уменьшить интенсивность и ускорить более раннюю регрессию воспалительной тканевой реакции в зоне имплантации, стимулировать в ней более ранее формирование и созревание соединительной ткани [265].

    В-четвёртых, это создание наноструктурированных порошков с заданными свойствами [56, 78, 85, 242], носителей биологически активных веществ [420, 441]. Так, в частности, наночастицы серебра используются для получения различных материалов с бактерицидными свойствами [34, 68]. В свете появления всё большего числа штаммов бактерий, резистентных к антибиотикам, существует потребность в разработке лекарственных препаратов (антисептиков) нового типа, для которых бы была низкая вероятность появления нечувствительных к ним микроорганизмов. В поисках таких лекарственных средств большую надежду возлагают на металлы, среди которых выделяется серебро как издавна известный бактерицидный агент, а также наночастицы меди и оксидов металлов: MgO, ZnO, Al2O3, TiO2 [195, 388]. Так, антимикробное действие, наночастиц серебра в частности, объясняется: 1) адсорбцией на поверхности бактериальной клетки или вирусной частицы, 2) структурные и морфологические изменения клеток, возникающие вследствие абсобции, 3) проникновение наночастиц внутрь клетки, 4) угнетение жизнедеятельности микробной клетки (питания, дыхания, деления), приводящее к её гибели [69]. Кроме того, исследована цитотоксичность для наночастиц серебра размером 7-20 нм для фибробластов и размером не более 50 нм для мезенхимальных стволовых клеток [298, 422], при этом требуется значительно более высокая концентрация наночастиц, чем требуемая для заметного антимикробного эффекта. Это указывает на возможность безопасно применять наночастицы серебра в качестве антибактериального средства. В свою очередь наночастицы золота могут применяться для ранней диагностики злокачественных новообразований, а также в целях повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов в радиотермальной терапии опухолей [82, 341, 392]. Уникальные свойства наночастиц золота, открывающие широкий спектр применений в биомедицине, послужило основанием для утверждения о наступлении «золотого века» биомедицинских нанотехнологий [447].

    К данному направлению можно отнести также специальную обработку исходного лекарственного вещества до получения его наноразмерной структуры без изменения химических свойств, например глюконата кальция, синтез новых, модификация и повышение терапевтических свойств известных лекарственных препаратов [80, 83, 127, 128, 149, 231, 292, 396]. При сохранности химизма исходного вещества лекарственный препарат становится биологически более доступным за счёт увеличения гидрофильности и проникающей в организм способности, что значительно повышает его эффективность при равнозначной дозе вводимого вещества и даёт возможность минимизировать дозы препарата, не снижая его эффективность.

    В-пятых, это применение сканирующих зондовых микроскопов для изучения наноразмерности структуры вещества, в частности биологических объектов, а также для оценки результатов их взаимодействия с тканями реципиента в зонах введения [100, 185, 186, 363, 390]. Шестое направление развития нанотехнологии в медицине – это использование нанотехнологических сенсоров и анализаторов [16, 24, 36, 252, 350], в частности использование олигонуклеотидов, применяемых как высокоэффективные методы синтеза ДНК и РНК. Одним из основополагающих свойств олигонуклеотидов является их способность распознавать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот. Более универсального инструментария – молекулярных зондов – для идентификации биологических объектов не существует, что сейчас активно применяется в ПЦР-диагностике различных заболеваний.

    Кроме того, в данной отрасли медицины активно применяются наночастицы различных веществ для приготовления биопрепаратов [166, 246] и стимуляции репаративной регенерации зоны повреждения, в частности, при ожогах кожи различной этиологии, такие как: повязки с антисептическим и ранозаживляющим эффектом (с добавлением нанодисперсного серебра, цинка, железа) [17, 85, 148, 192], косметические средства и лечебные пудры, содержащие наноразмерные механокомпозиты [56], а также для диагностики и лечения онкологических заболеваний [204, 276, 326].

    В последнее время в практической медицине активно применяется наноструктурированный титан, так как известно, что организм человека хорошо переносит конструкции из титанового сплава. Они устойчивы к коррозии в агрессивных средах человеческого тела. На их поверхности образуется оксидная плёнка, которая препятствует выходу ионов имплантата в организм. Ткани вокруг таких имплантатов не изменяются. Титановые сплавы очень прочные, способны выдерживать большую нагрузку. Они прочнее, чем хром, никель, нержавеющие стали. Кроме того, титановые сплавы не вызывают аллергии. Поэтому на сегодняшний момент титановые имплантаты официально разрешены в медицине, а наноструктурированный титан является одним из металлов официально разрешённым на применение в медицинской практике. Известно применение титановых протезов различных суставов человека в ортопедии и травматологии [29, 321, 349], зубных имплантатов [93, 94, 248], а также различных титановых конструкций с наноструктурным биопокрытием в челюстно-лицевой хирургии [188].

    Однако известно, что при измельчении вещества, в частности металлов, до наноразмерной величины повышается его токсичность, связанная с размером, формой, свойствами поверхности наночастицы [221, 335]. Так, в работе проф., д.б.н. Глущенко Н.Н. с сотрудниками (2006) была изучена специфика биологического действия наночастиц металлов по сравнению с их солями в ультрадисперсном состоянии, проведена также оценка их токсичности в сравнительном плане [54]. При этом однократное подкожное введение наночастиц металлов и их солей показало существенное различие в их токсикологических характеристиках. Наиболее токсикологическим действием по показателю ЛД50 (летальная доза 50 – это доза, введение которой вызывает гибель 50 % животных) из изученных металлов обладает медь, далее хром, цинк, железо и алюминий. Сравнение токсикологических характеристик наночастиц металлов и их солей показало более высокую токсичность солей. Так, например, по показателю ЛД50 сульфат меди в 7,5 раз токсичнее порошка меди, сульфат цинка в 28 раз токсичнее порошка цинка, сульфат железа в 36 раз, а нитрат железа в 73 раза токсичнее порошка железа соответвенно [53, 54, 55]. Другими словами наночастицы металлов в 7,5-73 раз менее токсичны, чем те же металлы в ионной форме.

    Известно также [148], что наночастицы оказывают пролонгированное воздействие на биологические объекты, благодаря своей способности депонироваться в организме, при этом они обладают многофункциональным действием, способны воздействовать на уровне ферментов, регуляторных биосистем, клеток, органов и организма в целом. Поэтому применение наночастиц требует использование чистого вещества, без примеси солей, с предварительным их помещение в жидкую среду (воду, физиологический раствор или другие основы-носители), а также предварительных углубленных исследований на их токсичность с определением доз и объёмов вводимого в организм нанодисперсного вещества [148].

    Таким образом, применение нанотехнологий в медицинской отрасли и, в частности, в репаративной медицине доказывает свою эффективность, перспективность и, несомненно, найдёт отражение в последующих научно-практических разработках.