В этой статье мы продолжаем краткий обзор современных нанотехнологий в сфере биомедицины. Предметом для анализа станут темы работ, номинированных на соискание международной премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2016. Напомним, что по условиям конкурса претендовать на премию могут лишь разработки, имеющие значительный объем коммерциализации. Это означает, что герои нашего рассмотрения не имеют отношения к научной фантастике – это технологии, которые принципиально доступны уже сегодня, и в ближайшие годы могут быть существенно усовершенствованы.

Одно самых практичных направлений в создании современных биомедицинских технологий связано с адресной доставкой лекарственных препаратов. Дело в том, что многие препараты имеют побочные действия. Особенно это справедливо для препаратов, призванных убивать клетки, в частности, клетки опухолей. По сути, все такие лекарства – это сильные яды и вся надежда традиционной терапии на то, что клетки опухоли погибнут раньше, чем здоровые клетки в критичных для жизни органах. Поэтому ученые не перестают искать все новые способы, как повысить избирательность – чтобы яд действовал только на «плохие» клетки.

Коробочка с секретом.

Простой и понятный способ адресной доставки предложили для лечения опухолей в головном мозге. При приеме обычным способом в мозг проходят далеко не все вещества, а которые все-таки проходят, попадают туда в низких, по сравнению с другими органами, дозах. Способ заключается в том, что в мозг хирургическим способом закладывается небольшой кусочек наноструктурированного материала, в котором содержится высокая концентрация действующего лекарственного вещества. Свойства материала таковы, что лекарство выходит из него очень медленно, постепенно. В результате именно в мозге создается и поддерживается достаточно высокая терапевтическая концентрация лекарственного препарата. А когда этот препарат доходит до всех других тканей и органов, он разбавляется до почти следовых количеств и уже не представляет такой опасности для нормальной работы организма и не влияет на самочувствие.

Понятно, что для этого, а также двух описанных ниже подходов к доставке сильнодействующих потенциально опасных веществ, принципиальным оказывается умение точно измерять количество и динамику высвобождение лекарства из связанных форм. Этому посвящена одна из представленных на конкурс разработок. Метод основан на использовании стабильных радиоактивных изотопов.

Наноэмульсии – просто и эффективно.

Еще один оригинальный метод прицельной доставки основывается на том, что сосуды в опухоли не такие плотные, как в нормальных тканях. В опухолях стенки сосудов свободно пропускают наноразмерные частицы, в результате чего такие частицы могут слегка накапливаться в ткани опухоли. В организм вводится лекарственный препарат не в свободном виде, а в виде наноразмерных двухслойных капель – наноэмульсии. Спрятанное в капле лекарство не представляет опасности ни для нормальных, ни для раковых клеток, но, из-за особенностей сосудистых стенок, капель вокруг раковых клеток оказывается значительно больше, чем в других тканях. А затем в районе опухоли (если она уже обнаруживается и врач знает, где она локализована) фокусируется локальное ультразвуковое воздействие. Ультразвук разрушает капли эмульсии и лекарство полностью попадает в межтканевую жидкость. В зоне ультразвуковой обработки концентрация лекарства получается высокой, а в окружающих тканях и органах – допустимой. Опухоль рассасывается, человек выздоравливает.

Полимерные мицеллы – высокоточное наведение.

Другой способ прицельно загрузить пораженные ткани лекарством основывается на свойствах полимерных наночастиц – мицелл. Комбинируя полимерные материалы с различными свойствами, можно в широком диапазоне задавать такие свойства наночастиц, как гидрофобность/гидрофильность, размеры, способность связывать и высвобождать низкомолекулярные соединения, к которым относятся наиболее распространенные противоопухолевые яды. Если разработан способ прицельного накапливания таких мицелл в опухоли, то дизайн составной полимерной наночастицы обеспечивает постоянное и длительное присутствие действующего компонента в непосредственной близости от клеток-мишеней.

Кроме уже описанного выше накопления наночастиц, связанного с более высокой проницаемостью сосудов в раковых новообразованиях, для прицельной доставки и удержания нагруженных наночастиц можно использовать специфичные для опухолей антитела, которые свяжут мицеллу-контейнер с поверхностью клетки-мишени. Таким образом, ядовитый контейнер будет находиться в опухоли до момента гибели связанной с ним клетки, а после этого найдет себе новую мишень. Такой способ «таргетинга», т.е. «наведения на цель» позволяет не только лечить уже оформленные опухоли, но также находить и ликвидировать метастазы – стволовые клетки с раковым перерождением, которые путешествую по всему организму и могут дать начало новой опухоли в любом органе.

Вакцина против ВИЧ – шахматная партия со смертельной частицей.

Поистине головоломную задачу приходится решать ученым, которые конструируют вакцину против вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Для чего нужна вакцина? Чтобы заранее подготовить к встрече с вирусом организм тех людей, для которых вероятность такой встречи высока, прежде всего, в так называемых группах риска. В идеальном случае иммунизированный человек в случае заражения не заболевает, поскольку вирус быстро нейтрализуется уже настроенными на него и наработанными в достаточном количестве инструментами защиты – специфическими антителами против самих вирусных частиц и клетками-убийцами, которые убивают зараженные клетки.

Однако ВИЧ намного изощреннее многих других вирусов, он отлично маскируется, как за счет высокой изменчивости, так и за счет распределения в организме. Изменчивость затрудняет выработку эффективных антител, а зараженные клетки скрываются от «убийц» в защищенных «резервуарах» - тканях, куда обычно «убийцы» заглядывают редко.

В одной из работ, поданных на соискание премии ,представлена разработка вакцины против ВИЧ, которая в клинических испытаниях I и II фазы доказала свою безопасность и предварительную эффективность.

Среди множества хитрых уловок, которые разработчикам пришлось заложить в конструкцию для достижения требуемой эффективности, главными можно назвать два больших блока – решения для наработки эффективных антител и решения для стимулирования клеточного ответа.

Чтобы «поймать» вирус несмотря на его изменчивость, ученые детально исследовали структуру основных поверхностных белков вирусной частицы и выбрали те зоны, которые меняются реже других. Все-таки совсем все вирус в себе менять не может – иначе белковые машины перестанут работать. Вот именно такие консервативные участки и были выбраны в качестве будущих мишеней для связывания антител. Кроме этого, для повышения специфичности, иммунизирующие частицы были строго оптимизированы по длине, чтобы всю мощь растворимого иммунного ответа направить на самые чувствительные для вируса зоны.

Для того, чтобы повысить эффективность клеточного звена, клеток-убийц специально подготавливают с помощью ДНК-вакцины. Это так называемая векторная конструкция, которая встраивается в геном иммунных клеток и как бы заставляет их кричать при первом же контакте с вирусом: «Вот он враг, скорее, убейте, убейте!»

Такой комплексный подход существенно повышает суммарную эффективность введенной в организм вакцины. Предварительные данные позволяют надеяться, что полученной эффективности вакцинации хватит, чтобы остановить распространение вируса в тех группах населения, которые чаще всего не обращаются за квалифицированной медицинской помощью и не имеют средств самостоятельно приобретать лекарства для лечения ВИЧ-инфекции. Т.е. удастся перекрыть главный канал, питающий эпидемический процесс в целом, а значит, для каждого из нас существенно снизится опасность заболеть этим опасным недугом.