Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение - Сергей Суматохин

Ученые установили, что в живом организме форма и размеры исходных белковых наноблоков более строго определяют форму и структуру надмолекулярных комплексов, чем в искусственных условиях. Это обстоятельство заинтересовало исследователей.

Используя отличия в поведении белковых молекул в искусственных условиях, ученые смогли получать разные белковые наноструктуры, даже такие, которые не образуются в живых организмах. Получаемые белковые наноструктуры выделяют из среды, очищают и кристаллизуют. Затем их изучают с использованием физических и химических методов. Результаты исследований белковых наноструктур используют при конструировании нанокомплексов в лабораторных и производственных условиях.

Рассмотрим первые достижения в этом направлении.

Российские ученые из Института биоорганической химии РАН первыми разработали технологию автоматической сборки наночастиц с помощью молекул некоторых белков, выделенных из палочкообразных бактерий. Эти белки стали использовать в качестве «роботов» на сборочной линии наночастиц.

Собранные таким способом наночастицы представляют интерес для медицины и биотехнологий. К этим наночастицам можно присоединять молекулы лекарств, радиоактивные частицы для диагностики и лечения раковых заболеваний. В наночастицу можно вмонтировать радиоактивный изотоп, флуоресцентную частицу, лекарства, токсины.

Использование белковых наночастиц с антимикробными свойствами

Ученые сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий сконструировали и применили наночастицы с антимикробными свойствами вместо антибиотиков, к которым у микроорганизмов выработалась устойчивость.

Для решения этой проблемы использовали катионные белки. На основе молекул этих белков были созданы самособирающиеся белковые наночастицы. Они обладают антимикробным действием и способны заменять традиционные антибиотики. При этом белковые наночастицы действуют на множество микроорганизмов и уничтожают даже те, у которых выработалась устойчивость против большинства современных антибиотиков.

Испытания созданных наночастиц на некоторых устойчивых к антибиотикам микроорганизмах (бактерий, грибов и дрожжей) показали высокую активность и не обнаружили вредных побочных эффектов. Руководитель этого исследования И-Ян Янг отметил, что сконструированные «наночастицы с лёгкостью «пробивают» мембраны бактерий, дрожжей и грибов, дестабилизируют и убивают клетки». Под электронным микроскопом в мембранах погибших бактерий хорошо видны многочисленные поры, образованные наночастицами.

Лечебное действие этих наночастиц проверили на лабораторных животных. Подопытным мышам вводили в мозг минимальную летальную дозу золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Этот возбудитель вызывает острое воспаление мозга (менингит) и при отсутствии лечения в течение 48 ч приводит к 100 %‑ной гибели. Одновременное и повторное через сутки введение наночастиц с антимикробными свойствами позволило сохранить жизнь многим животным.

Положительный лечебный эффект использования белковых наночастиц с антимикробными свойствами во многом объясняется тем, что они легко преодолевают гематоэнцефалический барьер и борются с инфекцией уже «на местах». Это невозможно для обычных антибиотиков. Полученные результаты подтвердились при проверке на препаратах мозговой ткани подопытных кроликов. Таким образом, сконструированные учеными из Сингапура наночастицы — перспективное средство лечения различных инфекционных заболеваний.

По сравнению с антибиотиками белковые наночастицы с антимикробными свойствами обладают двумя преимуществами: проникают через клеточные и тканевые барьеры, «сооружаемые» организмом вокруг органов, в том числе и больных органов; не приводят к нежелательным побочным эффектам.

Применение нанобиосенсоров в диагностике и лечении заболеваний

На основе механизмов функционирования белков–переносчиков и белков–рецепторов ученые разработали нанобиосенсоры. Нанобиосенсор — это искусственное наноустройство, создаваемое на основе углеродной нанотрубки, в котором чувствительный слой содержит рецепторы (антитела, ферменты) и реагирует на присутствие определяемого компонента в биологическом материале.

Нанобиосенсор генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Высокочувствительные нанобиосенсоры позволяют выявлять специфические белки, вирусы или ДНК в органах, тканях, клетках и биологических жидкостях.

Нанобиосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из биохимического и физического преобразователей, находящихся в тесном контакте друге другом.

Биохимический преобразователь представлен сенсорным белком (белком–рецептором). Анализируемое вещество (тестируемая субстанция) взаимодействует с белком–рецептором. В результате пространственная структура белка–рецептора изменяется, что, в свою очередь, приводит к изменению в физическом преобразователе, который включает флуоресцентный белок. По интенсивности флуоресценции определяются наличие и количество искомого вещества в анализируемом веществе.

Нанобиосенсоры могут быть запрограммированы на обнаружение в биологических жидкостях (слюна, кровь) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Ученые предполагают, что нанобиосенсоры способны внести революционные изменения в медицинскую диагностику заболеваний.

Для успешного лечения раковых заболеваний важно как можно раньше выявить первые появившиеся раковые клетки в органе. Обнаружить единичные злокачественные клетки можно с помощью нанобиосенсоров. Известно, что в ответ на появление в организме чужеродных веществ (антигенов) иммунная система вырабатывает антитела. Они представляют собой специфические глобулярные белки. Каждый вид антител избирательно взаимодействует с определенным антигеном (белковым рецептором).

Ученые стали использовать антитела, специфичные к рецепторам (антигенам) мембраны раковых клеток. Этими антителами начали покрывать углеродные нанотрубки. В результате получились нанобиосенсоры, способные обнаруживать злокачественные клетки в организме и определять вид опухоли. Кроме диагностики заболеваний нанобиосенсоры могут применяться в направленной доставке лекарств в заданную область организма, органа или клетки.

Направленная доставка лекарств

В классической фармакологии существует термин «лекарственная форма», описывающий способ введения лекарства в организм, например в виде таблеток, раствора для внутривенных инъекций, капель, мазей. Развитие биомедицинской науки привело к созданию новых средств упаковки и направленной доставки лекарств — нанокапсул, наноконтейнеров, многофункиональных магнитных терапевтических наночастиц, векторов.

Отличие новых типов лекарственных форм от стандартных состоит в возможности реализации на их основе технологий направленной доставки лекарств к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам.

Одним из средств направленной доставки лекарств является нанокапсула. Обычно нанокапсула представляет собой сферическую полую частицу, состоящую из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей ее внутреннюю полость или содержимое. Нанокапсупы должны быть химически стабильны, биосовместимы с организмом и защищать капсулированное вещество от нежелательного воздействия, например растворения в жидкостях.

Размеры нанокапсул обычно не превышают 100 нм. Нанокапсупы обладают высокой проникающей способностью и могут проходить даже в такие «закрытые» зоны организма, как головной мозг. Нанокапсупы применяют для контролируемого введения инкапсулированных лекарств, а также генетических конструкций, несущих гены ферментов, гормонов.

К наиболее удобным нанокапсулам относятся липосомы. Они представляют собой микроскопические пузырьки с жидким содержимым, окруженные одной или несколькими липидными бислойными мембранами.

Мембрану липосомы обычно формируют из тех же фосфолипидов, которые входят в состав биологических мембран. Это позволяет достичь полной биосовместимости липосом. Создают липосомы различными способами, например подвергая смесь фосфолипидов и воды воздействию ультразвуком, замораживанию и оттаиванию, пропусканию через фильтры с наноразмерными порами. С помощью этих методов можно получить многослойные липосомы, а также крупные и мелкие однослойные липосомы. В зависимости от метода изготовления размеры липосом могут составлять от нескольких микрон до десятков нанометров (наносомы).