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

Если при создании липосом используется водный раствор лекарства, то часть этого раствора оказывается замкнутой внутри липосомальной капсулы и в таком виде вводится в организм человека. Это важно, когда вводится токсическое вещество, например противораковый агент, или если лекарство необходимо защитить от разрушения до момента его доставки к цели.

Для направленной доставки содержимого липосом и других нанокапсул к их поверхности пришивают адресные молекулы, узнающие поверхность клетки–мишени. Универсальными молекулами, узнающими поверхность клетки–мишени, могут быть антитела. Необходимо лишь знать, против каких поверхностных антигенов клетки их нужно конструировать. Присутствие распознающих молекул на поверхности нанокапсупы позволяет ей сконцентрироваться в заданной области (опухоли, очаге воспаления, около зоны ишемии и т. д.) и доставить туда лекарство.

Липосомы доставляют лекарство в клетки разными способами, например путем слияния с их мембраной, или за счет эндоцитоза. В настоящее время липосомы как нанокапсулы для лекарств используются при лечении рака, а также в составе косметических кремов.

Благодаря широкому развитию фундаментальных биомедицинских исследований антигенные портреты клеток становятся все более подробными, что позволяет находить отличия одних клеток от других на основании характеристик их поверхности.

Дополнительно появляется возможность управлять высвобождением лекарства из средства его доставки. Так, при использовании в качестве нанокапсул специальных наночастиц с металлическим ядром и полимерной оболочкой, в которой содержатся лекарства, можно вызвать их высвобождение при ограниченном нагревании наночастиц. Это достигается наложением переменного магнитного поля или облучением светом лазера, который слабо поглощается биологическими тканями, но хорошо поглощается металлическими наночастицами.

Ученые продолжают разрабатывать новые подходы транспорта в специальных нанокапсулах, необходимых для избирательного разрушения клеток при электромагнитном разогреве, что важно для лечения ряда опухолей. Существенное отличие новых типов лекарств от обычных состоит в возможности реализации технологий их направленной доставки к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам. При этом лекарство, а чаще средство его доставки (нанокапсула, наноконтейнер) модифицируется молекулами, узнающими рецепторы на клетках–мишенях. Классический пример — молекулы фолиевой кислоты, которые активно захватываются клетками опухолей.

В отличие от обычного введения лекарства и его распространения по всему организму направленная доставка позволяет снизить дозу вводимого лекарства и минимизировать его побочное действие на другие клетки. При агрессивном лечении опухолей направленная доставка высокотоксичных онкологических препаратов при- | обретает особое значение. Использование) заключенных в наночастицы лекарств сво- дит к минимуму их разрушение и утрату | активности по пути к больному органу. При | этом предотвращаются нежелательные побочные явления и возрастает эффективность применения препарата.

Таким образом, наибольший интерес для медицины представляют два направления использования нанобиосенсоров в совокупности с нанокапсулами: обнаружение антител, специфичных к антигенам больных клеток, и избирательная доставка лекарств непосредственно к больным клеткам.

Бактерии — средство направленной доставки лекарств

Одна из серьезных проблем генотерапии — доставка терапевтической молекулы ДНК внутрь ядра больной клетки. Если это удается сделать, то ДНК производит белки, корректирующие генетическое заболевание.

Группа американских исследователей из Университета Пэрдью в качестве средства направленной доставки лекарств к больным клеткам предложила использовать безвредные штаммы бактерий. Они способны проникать в клетку и доставлять внутрь ядра полезный «груз» из наночастиц.

Сначала ученые присоединили ДНК к поверхности наночастиц. Затем прикрепили их к бактериям в качестве полезного «груза». После этого «нагруженная» бактерия проникала в клетку и доставляла ДНК в ядро, заставляя его синтезировать светящийся зеленым флуоресцентный белок.

Ученые предположили, что наночастицы могут нести на себе лекарства, гены, наносенсоры. Полезный «груз» можно выбирать так, чтобы при доставке в различные участки клетки он мог выполнять как диагностическую, так и лечебную функцию.

Участвовавший в исследовании Рашид Башир отметил, что «существует множество комбинаций бактерий и наночастиц, мы можем выбирать из них ту, которая больше всего подходит для данных клеток. Другими словами, мы можем лечить самые разные заболевания». При проведении экспериментов ученые использовали культуры раковых клеток развившихся в различных тканях, включая кишечные, печеночные, яичников, груди. В результате был предложен новый метод, позволяющий доставлять генетический материал в различные органы, включая печень и почки.

Преимущество нового метода доставки лекарств в клетки состоит в том, что бактерия может нести на себе сразу сотни нано частиц. Каждая из них, в свою очередь, — сотни молекул лекарств. Благодаря этому можно вводить в клетки и относительно крупные структуры, например наносенсоры, углеродные нанотрубки.

Наносенсоры могут применяться для j регистрации активности внутри клеток при ранней диагностике рака. Их можно использовать для наблюдения за развитием заболевания и успешностью лечения. Доставленные в клетки и подвергнутые действию света углеродные нанотрубки могут нагреваться и убивать только больные клетки.

Использование бактерий для получения наночастиц металлов

Группа немецких биологов из Научно–исследовательского центра в г. Дрезден — Россендорф в захоронениях урановой руды на отработанном руднике в Саксонии обнаружила бактерию Bacllus sphaercus JG-A12. Для защиты от действия урана эта бактерия образует очень прочную наружную белковую оболочку с множеством нанопор.

Немецкие ученые поместили бактерии в солевой раствор палладия и наблюдали за ними в инфракрасном спектре. В ходе наблюдений было обнаружено, что в нанопорах оболочки бактерии образуются нанокластеры палладия. Получаемые с помощью бактерий наночастицы окружены мембраной, поэтому их легко можно выделять из раствора.

В ходе дальнейших исследований ученые установили, что по сравнению с палладием, получаемым традиционным способом, палладий из оболочки бактерий проявляет большую каталитическую активность, например при очистке автомобильных выхлопных газов.

Бактерии с палладиевыми нанокристаллами ученые поместили в реактор для очистки сточных вод, где ядовитые соли хромовой кислоты превращаются в безвредные соединения хрома. «Естественный» катализатор в виде бактерий с палладиевыми нанокристаллами оказался чрезвычайно устойчивым. Он функционировал три месяца, тогда как стандартные промышленные устройства работают меньше недели. Исследователи предполагают, что такой способ очистки растворов и синтеза катализаторов может стать общепринятым для химических производств, но для этого понадобится примерно 10 лет.

Помимо палладия, бактерии оказались способными извлекать из растворов платину и другие металлы. Зная способ и место соединения металла и оболочки Bacllus sphaercus JG-A12, исследователи генетически настроили бактерии на получение наночастиц золота диаметром от 5 до 15 нм. Наночастицы золота применяют в медицине при терапии злокачественных опухолей и лечении токсоплазмоза. Ученые предполагают, что направленная доставка с помощью золотых наночастиц ДНК, антигенов и лекарств является одним из перспективных направлений в биомедицине.

С помощью бактерий исследователи научились получать наночастицы серебра и сплава золота с серебром. Это стало несомненным успехом, так как производить наночастицы в таком узком диапазоне размеров биологическими методами ранее никак не удавалось. Формируемые в бактериях наночастицы металлов представляют интерес для различных наноконструкций и технологических производств.

Получение магнитных наночастиц с помощью бактерий

Магнитными наночастицами называют наночастицы, имеющие постоянный или наведенный магнитный момент. Ученым долгое время не удавалось получать магнитные наночастицы одинакового размера и формы. В ходе исследований было обнаружено, что магниточувствительные бактерии (Magnetotactc bactera) при комнатной температуре синтезируют кристаллы магнетита одинаковой формы и близкие по размерам. Для этого у магниточувствительных бактерий есть специальные органеллы — магнетосомы. Обычно в клетке бактерии содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые помогают ей ориентироваться относительно геомагнитного поля.