Нанотехнологии в неврологии

Достижения науки создали предпосылки для появления нового перспективного направления, определя­емого термином «нанотехнологии». Этот термин обозначает целенаправленное манипулирование объектами, размеры которых сопоставимы с атомарными. Речь идет о создании и использова­нии принципиально новых структурированных материа­лов, устройств и систем на основе частиц нанодиапазона. Такие системы приобретают уникальные механические, электромагнитные, оптические, химические свойства (зна­чительная энергонасыщенность и высокая реакционная способность, квантовые эффекты, отсутствие дефектов в объеме, открывающие возможность совершенно новых манипуляций с ними.

Таким образом, переход от «микро» к «нано» — это не про­сто количественное изменение, но качественный скачок, позволяющий, применительно к медицине, значительно усовершенствовать диагностику и лечение многих болез­ней, создать новые препараты направленного действия и внедрить их в клиническую практику. По опреде­лению Национального института здоровья США, исполь­зование нанотехнологий для лечения, диагностики, мони­торинга и контроля биологических систем называется наномедициной. Нанотехнологии в неврологии также могут радикально изменить наши представления о традиционной консультации и приеме невролога.

Наиболее перспективные медицинские направления нанотехнологий в неврологии, которые нацелены на внедрение в клиническую практику:

• Новый класс люминесцентных и радиоактивных биоло­гических зондов (диагностика, сканирование органов и тканей).
• Новые, более точные методы МР-диагностики заболе­ваний человека.
• Новые лекарственные формы, системы доставки лекарств, носители генов, олигонуклеотидов, РНК и вирусов.
• Нанометоды биодетекции инфекционных агентов.
• Детекция белков, в том числе аномальных.
• ДНК-зонды с прямой идентификацией мутаций и их локализации.
• Клеточная и тканевая инженерия — конструирование и воссоздание клеток, органов и их функциональных частей.
• Методы разделения и очистки белков, нуклеиновых кислот, клеток, субклеточных структур.
• Внутримозговые чипы, искусственная сетчатка глаза, проводящие элементы головного и спинного мозга, новые материалы для опорных тканей.

Нейрохирургия, тканевая инженерия и искусственные эндокринные железы

В 2003 г. в американском журнале «Neurosurgery» была опу­бликована статья, в которой обсуждалось возможное применение достижений нанотехнологий для лечения нейроонкологических заболеваний и высказывалось мнение, что нейрохирургия стоит на пороге «эры нанонейрохирур­гии». В 2006 г. в трех номерах того же журнала был напеча­тан большой обзор, авторы которого уже не только выделя­ют нанонейрохирургию как новое интенсивно развивающеееся направление, но и рассматривают возможный набор инструментов, которым могут пользоваться нано­нейрохирурги: нанотранспортные системы для векторной доставки диагностикумов и лекарств, фентосекундные лазерные системы, нанороботы, наночипы, наноиглы, нанопинцеты, наношприцы.

Диагностика на основе нанотехнологий в неврологии

С помощью нанотехнологий совершенствуется широко применяемый в неврологии метод магнитно-резонансной томографии (МРТ). Например, было установлено, что наночастицы железа, введенные крысам с эксперимен­тальным аутоиммунным энцефаломиелитом, активно поглощаются фагоцитами, накапливающимися в зонах поражения. Это явление использовали для получения кон­трастных МРТ-изображений очагов воспаления в нервной системе, что значительно расширяет возможности диагно­стики нервных болезней.

Нанотехнологии находят все более активное применение в неврологии для выявления дефектных генов и белков. Так, в совместной разработке Института молекулярной генети­ки РАН, Научного центра неврологии РАМН и биотехно­логической лаборатории Тартуского университета была использована оригинальная АРЕХ-технология (разновид­ность технологии ДНК-биочипов) для исследования гене­тического риска развития болезни Паркинсона. На одном разработанном чипе были одновременно типированы 50 однонуклеотидных полиморфизмов 19 генов нейро­трансмиттеров и их рецепторов (холецистокинина, серото­нина, дофамина, опиоидных пептидов). Авторы уста­новили достоверные различия в частотах аллелей и геноти­пов между контрольной группой и пациентами с болезнью Паркинсона по ряду полиморфных вариантов генов серотониновых рецепторов, проопиомеланокортина (РОМС), гена Вольфрам-синдрома, при этом были выявлены определенные корреляции с кли­ническим течением болезни Паркинсона, в частности, — с выраженностью когнитивных нарушений. Результаты этой работы демонстрируют высокий потенциал чиповых микро- и нанотехнологий для быстрого и эффективного определения профиля индивидуальной предрасположен­ности к мультифакторным заболеваниям.

Генная инженерия и генная терапия в неврологии

Перспективным направлением использования нанотехно­логий в неврологии, является ген­ная инженерия и генная терапия. Речь может идти, в пер­вую очередь, о создании новых лекарственных средств, для которых молекулярными мишенями будут служить белки или гены. Задача нахождения новых «мишеней» решается с помо­щью биоинформатики, где объектом анализа является геном. Молекулярная генетическая «мишень» для лекар­ственных веществ определяется по уровню экспрессии ключевых генов, ответственных за синтез определенных белков. Действие лекарств на геном связано с особенностя­ми их физико-химических свойств (электронной структу­ры, стереохимии, растворимости и других), которые опре­деляют взаимодействие с биологическими мембранами клеток и субклеточных структур, транспорт через них, взаимодействие с ядерными белками и нуклеиновыми кислотами. Нанотехнология позволяет создать препараты, способные избирательно связываться с опреде­ленными локусами генома.

Современное развитие нанотехнологий допускает возмож­ность замены мутантного гена в пораженной клетке на нормальный. Для переноса генов и олигонуклеотидов в мозг экспериментальных животных используют наноча­стицы. Исследуют также возможность использования наночастиц в качестве переносчиков генов для генотерапии при миодистрофии Дюшенна. Оказалось, что олигонуклеотиды, влияющие на экспрессию дистрофина, в 5-6 раз лучше проникают в ядра мышечных кле­ток, если они прикреплены к наночастицам.

Еще одним приложением нанотехнологий применительно к генной терапии является конструирование рекомбинант­ных вирусных наночастиц, которые могут служить в каче­стве «транспортных средств» (векторов) для доставки необходимого гена или его части непосредственно в нейро­ны-мишени. В качестве примера можно упомянуть прио­ритетные исследования, выполненные Научным центром неврологии РАМН совместно с Институтом молекулярной генетики РАН и свя­занные с разработкой протокола генной терапии такого фатального нейродегенеративного заболевания, как боко­вой амиотрофический склероз. В процессе этой работы были созданы рекомбинантные наночастицы аденовируса, содержащие в своем геноме два важнейших пептидных ангиогенных фактора, обеспечивающие выживаемость мотонейронов в условиях гипоксии. При внутримышечном введении такой кон­струкции она попадает в мотонейроны соответствующего сегмента спинного мозга путем ретроградного аксонально­го транспорта, что сопровождается экспрессией вводимых генов в мотонейронах и увеличением выживаемости паци­ентов; эти работы будут продолжены с использованием и других факторов роста и вирусных наночастиц в качестве векторов.

Векторная доставка лекарств в определенное место в определенных дозах является одной из важ­нейших проблем клинической фармакологии. Большой практический интерес представляет векторная доставка лекарств, минуя гисто-гематические барьеры и клеточные мембраны. Использование наноносителей для векторной доставки лекарств — развивающееся направление, имеющее конкретные практические результаты и перспек­тивы промышленной реализации. Уменьшение разме­ров частиц-носителей, снабжение их наносенсорами и при­соединение к ним лигандов направленного действия, как представляется, может обеспечить концентрацию лекар­ственных препаратов в определенных клетках органов-ми­шеней. Для целенаправленной доставки в органы и ткани к поверхности наночастиц присоединяют, например, органо- тропные пептиды. Молекулы лекарства помещают­ся внутрь или на поверхности мицелл — нанокапсул, обра­зованных молекулами поверхностно активных веществ и доставляются в нужное место организма.

Нанотехнологии позволяют использовать возможности многих биологически активных соединений, которые раньше не могли быть применены из-за их плохой раствори­мости или нестабильности. Например, низкомолеку­лярный гепарин, ранее вводимый в организм пациента только парентерально, может приниматься орально при упаковке его в нанокапсулы, которые защищают его от раз­рушения ферментами в желудочно-кишечном тракте, облегчают проникновение в кровь и пролонгируют антикоагулянтный эффект до 8 часов. Включение инсули­на в мукозо-адгезивные микрокапсулы, изготовленные из альгината и хитозана, также позволило вводить его в орга­низм животных с экспериментальным диабетом орально. Экспериментально установлена возможность введе­ния наночастиц в мозг путем ингаляций через нос. Показа­но, что меченые наночастицы из носа могут перемещаться в мозг по обонятельному нерву.

При лечении нанопрепаратами предполагается введение малого количества лекарств с помо­щью «адресной» доставки, поэтому перед клинической фармакокинетикой возникают новые задачи, требующие самых современных подходов для своего решения. Акту­альной становится задача микроколичественного анализа лекарств. Например, новые допинги, созданные с приме­нением нанотехнологий, можно определить только самы­ми чувствительными методами микроколичественного анализа, в частности, хроматомасс-спектрометрией. По мере развития нанотехнологий для микроанализа все шире будут использоваться наносенсоры.

Для визуального наблюдения связывания нанопрепаратов с органами-мишенями их метят металлическими наноча­стицами (например, парамагнитными железными или золотыми), позволяющими с высоким разре­шением видеть накопление препарата в органах методами КТ, МРТ, ультразвукового сканирования.

Актуален вопрос о токсичности и побочных эффектах лекарственных наноформ. Из-за пока еще ограниченного клинического применения нанопрепаратов сообщений о возможных побочных эффектах явно недостаточно, что должно являться причиной особого внимания к этой про­блеме. Токсичность нанопрепаратов активно изучается в экспериментах на животных и на клеточных куль­турах, формируется новый раздел науки — нанотоксиколо­гия.

Перспективы использования лекарственных наноформ в неврологии

В настоящее время в разных странах проводятся доклини­ческие и клинические исследования различных наноча­стиц и нанокапсул в качестве переносчиков, помогающих проникнуть через гематоэнцефалический барьер лекар­ствам, используемым для лечения различных заболеваний нервной системы. Наиболее активно в этом плане изучаются эпилепсия, болезнь Альцгеймера, глиомы, болевые синдромы.

Постоянно ведутся поиски новых материалов, К таким материалам относятся угле­родные фуллерены, металлические и полимерные наноча­стицы, фосфолипидные и гликосфинголипидные нано­капсулы.

Фуллерены. Фуллерен представляет собой свя­зующее звено между органической и неорганической мате­рией. Однако во время синтеза в полость фуллереновой наносферы можно ввести тот или иной препарат: атом металла в качестве безопасно­го рентгеноконтрастного средства, радиоактивный препа­рат. Металлизированные наночастицы можно ввести в опухоль, а затем при помощи электромагнитных волн разогреть их для термической деструкции опухолевых тка­ней.

В отсутствие света фуллерены обладают высокой антиоксидантной активностью, представляя собой своеоб­разные самовосстанавливающиеся «ловушки» для сво­бодных радикалов. Это свойство подтолкнуло исследователей к изучению возможности их соответ­ствующего терапевтического использования. В экспе­риментах на культуре кортикальных нейронов методом электронной парамагнитной спектроскопии было пока­зано, что производные фуллерена уменьшают количество свободных ради­калов в клетках и защищают нейроны от гибели, вызванной воздействием М-метил-Б-аспартата, каиновой кислоты и других агентов. При этом фуллерены и его оксиды — фуллеренолы, предот­вращают повышение внутриклеточной концентрации кальция, опосредованное через рецепторы глутамата, и обладают антиапоптическим действием.

В настоящее время ведутся работы по получению и изуче­нию свойств комплексов фуллеренов с пептидами, нуклеи­новыми кислотами и другими биологическими молекула­ми. Аналогичные раз­работки ведутся в Институте экспериментальной медици­ны в Санкт-Петербурге.

Фуллерены можно получать не только в форме наносфер, но и в форме нанотрубок. Нанотрубки, заполнен­ные молекулами лекарственного вещества, предполагают использовать в качестве молекулярных «шприцев»- доза­торов. Специалистами ведется работа по созданию из нанотрубок имплантируемого «нанонасоса», обеспечиваю­щего дозирование лекарства посредством электроосмоса. В отличие от уже существующих, этот аппарат программиру­ется на подачу лекарства в заданное время.

В опытах на клеточных культурах нормальной микроглии и глиомы было показано, что нанотрубки, добавленные в среду инкубации, не оказывают токсического влияния, однако активно поглощаются нормальными и опухолевы­ми клетками. По мнению авторов, такие нанотранс- портные системы можно эффективно использовать для доставки противоопухолевых препаратов в клетки глиомы. Существует технология включения в полости нанотрубок противоопухолевого лекарства и присоединения к их вну­тренней поверхности ферромагнитных наночастиц. Это позволяет создавать высокую концентрацию лекарства в опухоли при помощи расположенного над ней магнита, притягивающего ферромагнитные наночастицы после их введения в сосуды.

Полимерные наночастицы. Для транспортировки лекарств применяются также полимерные наночастицы, например, изготовленные из полибутилцианоакрилата. Ведущий рос­сийский исследователь в данной области профессор Р. Н. Аляутдин с сотрудниками в экспериментах на живот­ных продемонстрировал возможность транспорта лекарств, стимулирующих рост нейронов, через гематоэнцефалический барьер с помощью наночастиц. Для этого на мышах создавали экспериментальные модели болезней Паркинсона и Альцгеймера, а их лечение осуществляли препаратами, присоединенными к наноча­стицам полибутилцианоакрилата, которые снаружи были покрыты полисорбатом 80, делающим их похожими на эндогенные частицы. Клетки сосудов мозга принимают их за «свои» и захватывают вместе с инкапсулированными в них лекарствами. Было установлено, что фактор роста нер­вов, содержащийся в наночастицах, способствует восста­новлению памяти и инициирует процессы регенерации вещества мозга. Показано также, что наночастицы прони­кают в мозг через гематоэнцефалический барьер путем транспорта, опосредованного аполипопротеином. Эти теоретические и экспериментальные разработки должны помочь поиску новых эффективных способов лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера.

Казахстанские ученые, исследуя возможности наноча­стиц полибутилцианоакрилата, модифицированных полисорбатом 80, показали, что они увеличивают проникнове­ние лекарства доксорубицин в мозг в 60 раз. На основе наночастиц полибутилцианоакрилата, несущих на себе антагонисты глутаматного рецептора ММБА, разрабатыва­ются новые лекарственные формы антиконвульсантов.

Мышам с туберкулезным менингитом орально вводили наночастицы, приготовленные из полимера полилактид-ко-гликозида и начиненные противотуберкулезными пре­паратами. Фармакокинетические исследования показали, что после однократного введения препараты циркулирова­ли в крови в течение 5-8 дней, а в мозге определялись в течение 9 дней. После проведенного курса лечения мико­бактерии в оболочках мозга полностью отсутствовали. Авторы отмечали значительный потенциал наночастиц в качестве транспортеров противотуберкулезных лекарств в мозг.

Наночастицы, поверхность которых покрыта полиэтиленгликолем, сами по себе не токсичны и биоинертны. При этом они существенно увеличивают биодоступность раз­личных инкапсулированных в них лекарств и в несколько раз удлиняют время их полувыведения. Такие наноча­стицы помогают преодолеть гематоэнцефалический барьер целому ряду лекарств, например, аналогу метэнкефалина. Аналог вазопрессина МС-1900, связанный с наноча­стицами, покрытыми полиэтиленгликолем, использовали для лечения дефицита памяти, вызванного скополамином у мышей. Время полувыведения препарата из крови составило 78 часов, что в 4 раза превышает время полувыведения препарата, не связанного с наночастицами.

Показано, что липидные нанокапсулы в 5-10 раз увеличи­вают проникновение в мозг экспериментальных животных препарата 5-флюородеоксиуридина, используемого при лечении ряда заболеваний нервной системы.

Гликосфинголипидные нанокапсулы. Перспективными для векторной доставки лекарств в мозг являются, на наш взгляд, нанокапсулы, приготовленные из гликосфинголипидов, которые являются основными (более 50%) липида­ми мозга и кожи. В НПО «Техкон» разработана технология получения стабиль­ных нанокапсул на основе гликосфинголипидного ком­плекса CCS®, содержащего 45-65% цереброзидов, 14-17% цереброзид-сульфатов, 10-15% сфингомиелина и 10-15% триглицеридов и фосфолипидов. Нами было пока­зано, что благодаря высокой плотности отрица­тельного заряда полярных головок сфинголипидов ком­плекс CCS® обладает целым рядом полезных с точки зре­ния фармакологии свойств:

—     Увеличивает агрегативную устойчивость (стабиль­ность) липосомальных систем, приготовленных из фосфолипидов, до 1 года.

—     Самопроизвольно образует в воде дисперсную систему, включающую наноструктуры в виде нано­трубок, после нагревания которой нанотрубки пре­образуются в нанолипосомы (нанокапсулы) разме­ром 100-150 нм, что дает возможность инкапсуля­ции в них различных биологически активных веществ.

—     Увеличивает проницаемость эпидермиса для воды и гидрофильных веществ.

—     Существенно облегчает проникновение некото­рых вазоактивных препаратов (в частности, нитро­глицерина) через кожу и за счет этого более чем в 2 раза увеличивает их эффективность, что зарегистрировано нами благодаря разработанным принципиально новым методам и аппаратуре.

—     Эффективность нанокапсул в качестве перенос­чиков исследованных вазоактивных препаратов значительно превышает эффективность нанотру­бок.

В ряде работ показано, что наночастицы, приготовленные из гликосфинголипидов и содержащие противоопухолевые препараты, обладают высокой ста­бильностью, поэтому длительно циркулируют в крови экс­периментальных животных, что увеличивает противоопу­холевую активность препарата. Они избирательно нака­пливаются в опухоли нервной системы (глиоме), где свя­зываются с гликопротеином межклеточного матрикса тенасцином, затем попадают внутрь клеток путем эндоцитоза и оказывают цитотоксическое действие.

Гликосфинголипиды обладают выраженной антиоксидантной и нейропротекторной активностью, поэтому их введение в организм в форме наночастиц может оказаться полезным при лечении нейродегенеративных заболеваний и эпилепсии. Показано, например, что введение в орга­низм мыши гликосфинголипидов предотвращает конвуль­сии, вызванные глутаровой ацидемией или пентилентетразолом, препятствует ингибированию натрий-калиевых АТФаз и накоплению продуктов свободнорадикального окисления липидов.

В экспериментах на мышах установлено, что липосо­мы на основе гликосфинголипидов менее иммуногенны по сравнению с фосфолипидными липосомами. Гликосфин­голипиды обладают также антитромботической активно­стью, что значительно снижает риск тромбоза при их внутривенном введении.

Таким образом, нанотехнологии в неврологии, будучи весьма перспек­тивным направлением в клинической медицине вообще, могут с успехом использоваться в различных областях для:

•  воссоздания утраченных или поврежденных участков нервной ткани;
• микроколичественного анализа биологических проб с помощью биочипов;
• молекулярно-генетических исследований и типирования генов, ответственных за наследственные и мультифакторные заболевания нервной системы;
• повышения контрастности изображений, получа­емых с помощью лучевых методов диагностики;
• иммунной, термической или лучевой деструкции патологических (опухолевых) очагов в мозге;
• векторной доставки лекарств и генов в нужный участок (орган);
• улучшения фармакокинетических показателей лекарств, повышения их растворимости и биодо­ступности, улучшения проникновения через гистогематические барьеры в органы и ткани, а также через клеточные мембраны;
• создания альтернативных лекарственных форм, перехода от инъекционных форм к трансдермальным и назальным.

Многие разработки использования нанотехнологий в неврологии пока еще далеки от практического применения. Однако ведущиеся в мире исследования постоянно двигают вперед область нанотехнологий в неврологии.