Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" 3(18) 2009

Back to issue

Нанотехнологии в практике кардиолога Часть I Липосомы как идеальные средства доставки лекарственных препаратов

Authors: Третьякова О.С., Заднипряный И.В. Крымский государственный медицинский университет им. С.И. Георгиевского

Categories: Pediatrics/Neonatology

print version

...В ближайшее время практическое применение найдут не менее 15 новых курсов терапии, основанных на липосомной технологии, а продажа липосом на мировом рынке составит 20–25 % средств доставки лекарственных препаратов
Марк Дж. Остро, вице-президент Liposome Company, USA, 2007

Нанотехнологиям, в том числе наномедицине и нанофармакологии, принадлежит особое место среди современных направлений науки и практики. Появлению и в дальнейшем развитию новых технологий предшествовало судьбоносное выступление с докладом-лекцией американского ученого-физика Ричарда Фельдмана (в последующем лауреата Нобелевской премии) на заседании Американского физического общества в 1959 г. с интригующим названием «Внизу много места: приглашение войти в новый раздел физики» («внизу» — терминология физиков, что означает «на микро- и наноуровнях»).
Термин «нанотехнология» (греч.: nanos — гномик, карлик; techno — мастерство; logos — наука) был предложен в 1974 г. японским ученым Норио Танигути и применим по отношению к объектам размерами 10–9 метра (от 1 до 100 нм). И если в середине ХХ века это казалось в большей степени перспективой, взглядом в будущее, то сейчас это реалии жизни.
Широкий интерес к продуктам нанотехнологий в медицине обусловлен возможностью их использования для диагностики, лечения и профилактики различных заболеваний. В рамках этой публикации не представляется возможным осветить все аспекты применения нанотехнологий в медицине, поэтому считаем целесообразным и интересным для практической аудитории освещение вопроса применения нанопродуктов в кардиологии.
На протяжении многих десятилетий проводились (и не прекращаются до сих пор) поиски идеальных систем доставки лекарственных средств, что является вполне объяснимым и объективным фактором. Как известно, заболевания поражают прежде всего отдельные органы и ткани. Так, например, при инфаркте миокарда главные события происходят в мышце сердца, при воспалительном процессе — в конкретных органах-мишенях. Поэтому продолжительность лечения и его успешность напрямую зависят от реализации действия лекарственных препаратов непосредственно в очаге заболевания. Особенно это важно в тех случаях, когда в процессе лечения возникает необходимость применения весьма токсичных препаратов, эффективных в отношении самого заболевания, но при этом оказывающих токсическое действие на другие системы организма. Часто это заставляет отказываться от использования подобных веществ и прибегать к применению менее эффективных препаратов.
Создать нужную концентрацию лекарственных веществ в пораженных болезнью местах, не затрагивая остальные, — задача непростая. Ведь медикаменты, каким бы способом их ни вводили, распределяются по всему организму более или менее равномерно. А для того, чтобы они попали в патологический очаг, необходим носитель, который бы доставил препараты к месту назначения. В связи с этим поиски таких идеальных носителей продолжаются и по сей день.
При проведении фармакотерапии главной целью доставки лекарственных средств является сохранение высокого уровня лекарственного препарата в крови. До недавнего времени внутривенно вводили только истинные растворы. Дисперсные же вещества не использовались, так как присутствие частиц эмульсии или суспензий может привести к закупорке капилляров — эмболии. Поэтому исследователи давно пытались найти ответ на вопрос: какими же должны быть размеры частиц дисперсий, чтобы можно было избежать развития эмболии? Известно, что размеры эритроцитов (диаметр которых 7 мкм) позволяют им свободно проходить через просвет любых сосудов. Учитывая способность этих клеток изменять свою форму по мере продвижения в сосудистом русле, принято считать, что безопасными могут быть дисперсии с размером частиц значительно меньшим, чем размеры эритроцитов, а именно с диаметром менее 1 мкм, то есть нанодиапазона.
Наночастицы в зависимости от агрегатного состояния и морфологических особенностей подразделяют на нанокристаллы, нанокапсулы, наносферы и полимерные мицеллы.
К группе наносфер относят липосомы (другие названия: липидные пузырьки, липидные везикулы, липидные сферулы, фосфолипидные наночастицы). Липосомы (от греч. lipos — жир и sоma — тело) — это микроскопические сферические частицы, заполненные жидкостью, оболочка которых состоит из молекул тех же природных фосфолипидов, что и клеточные мембраны. Пальма первенства в выявлении идентичности строения оболочки липосом и клеточных мембран принадлежит мало кому известному в 70-е годы ХХ столетия английскому врачу-патологу Алеку Бэнгхему и соавт. Именно они в 1965 г. заметили, что фосфолипидные сферулы, или липосомы, устроены «по образу и подобию» мембраны человеческих клеток.
Уже тогда было известно, что клеточные оболочки выполняют много функций, поэтому липосомы вначале использовались как модельная система при изучении биологических мембран, а c 1971 г. эти чудо-пузырьки стали использоваться в медицинских целях как средство доставки лекарственных препаратов. Липосомы помогают дольше сохранять высокий уровень концентрации лекарственных препаратов в крови и в клетках, а также способствуют лучшему проникновению препаратов в те области, куда без липосом они попасть не могут. В настоящее время это, пожалуй, наиболее активно развивающееся направление практического использования этих наночастиц.

Строение липосом
Липосомы образованы одним или несколькими концентрическими замкнутыми липидными бислoями. Внутренний водный объем липосом изолирован от внешней среды (рис. 1).
Напомним, что оболочка липосом состоит из 2 слоев природных фосфолипидов, идентичных фосфолипидам клеточных мембран. Липосомы в зависимости от размера частиц и числа образующих их липидных слоев (рис. 2) разделяют:
1)на малые моноламеллярные, образованные одиночным липидным бислоем (диаметр 20–50 нм);
2) крупные моноламеллярные, образованные также одиночным бислоем (диаметр 50–200 нм и выше);
3) многослойные (мультиламеллярные), насчитывающие до нескольких десятков и даже сотен липидных бислоев (диаметр до 5000–10 000 нм).
Размеры и форма липосом зависят от кислотности среды, присутствия солей и многих других факторов. Внешне липосомы не всегда выглядят как глобулярные частицы. Иногда они принимают уплощенную дискообразную форму (так называемые дискомы) или имеют вид очень длинных и тонких трубок, которые называют тубулярными липосомами.
В ходе изучения липосом выявлено, что пустующее пространство внутри липосомы может быть заполнено любыми веществами. Именно эта способность липосом включать в себя самые разные вещества практически без каких-либо ограничений в отношении их химической природы, свойств и размера молекул дала уникальную возможность для решения многих медицинских проблем. Круг веществ, включаемых в липосомы, необычайно широк — от неорганических ионов и низкомолекулярных органических соединений, крупных белков и нуклеиновых кислот до широкого круга фармакологически активных веществ.
Липосомы могут быть заполнены антибиотиками, гормонами, ферментами, иммуномодуляторами, цитостатиками, противовирусными и противогрибковыми препаратами, витаминами, вакцинами, веществами метаболического действия и даже генетическим материалом.

Свойства липосом
Липосомы обладают огромным количеством преимуществ по сравнению с другими лекарственными формами. Наиболее значимые из них:
1. Уникальная способность доставки лекарственных препаратов внутрь клеток. На рис. 3 представлены возможные варианты взаимодействия липосом с клетками. Формы взаимодействия могут быть самыми разными, наиболее простая: липосомы адсорбируются (прикрепляются) на поверхности клетки. Процесс на этом может закончиться, а может пойти дальше: при определенных условиях клетка может поглотить липосому (этот процесс «заглатывания» называется эндоцитоз), и тогда вместе с ней внутрь клетки попадают вещества, находящиеся внутри липосомы (внутриклеточная доставка). Наконец, они могут слиться с мембранами клеток и стать их частью. При этом свойства клеточных мембран могут изменяться: например, их вязкость и проницаемость, величина электрического заряда. Может также увеличиваться или уменьшаться количество каналов, проходящих через мембраны. Таким образом, благодаря липосомам появился новый способ направленного воздействия на клетку, который называется мембранной инженерией.
2. Биосовместимость: сродство с мембранами клеток по химическому составу. С точки зрения биологической со­-
вместимости липосомы идеальны как переносчики лекарственных препаратов, так как их мембрана состоит из природных фосфолипидов, составлящих от 20 до 80 % их массы.
3. Отсутствие аллергических реакций: липосомы, лишенные свойств антигена, надежно укрывают свой «груз» от контакта с иммунной системой и, соответственно, не вызывают антигенной стимуляции.
4. Защита лекарственного препарата от деградации в организме. Как уже отмечалось, липосомы выступают в качестве своеобразного контейнера, надежно защищая свое содержимое от повреждающего воздействия внешних факторов, в частности от разрушения в желудочно-кишечном тракте, что обеспечивает доставку препарата к месту назначения и продление времени его действия.
Как оказалось, эти чудо-пузырьки обладают уникальной способностью изменять свою форму и размер в зависимости от окружающей среды. Пластичные мембранные сферы, имеющие микроскопические размеры, легко проникают в межклеточные промежутки и успешно минуют толщу эпидермиса. Свойства липосом и их поведение определяются, прежде всего, наличием у них замкнутой мембранной оболочки. Несмотря на молекулярную толщину (около 4 нм), липидный бислой отличается исключительной механической прочностью и гибкостью. В жидкокристаллическом состоянии бислоя его компоненты обладают высокой молекулярной подвижностью, так что в целом мембрана ведет себя как достаточно жидкая, текучая фаза, в которой происходит броуновское движение молекул липидов. Благодаря этому липосомы сохраняют целостность при различных повреждающих воздействиях, а их мембрана обладает способностью к самозалечиванию возникающих в ней структурных дефектов. Вместе с тем гибкость бислоя и его текучесть придают липосомам высокую пластичность. Так, липосомы меняют размеры и форму в ответ на изменение осмотической концентрации внешнего водного раствора. При сильном осмотическом стрессе целостность бислоя может нарушиться, и липосомы могут раздробиться на частицы меньшего размера.
5. Изменение фармакокинетики препаратов и повышение их терапевтической эффективности. Это свойство напрямую связано с предыдущим. Известно, что во многих случаях лекарственный препарат при введении в организм может быстро терять активность под действием инактивирующих агентов. Включение таких препаратов в липосомы значительно повышает их терапевтическую эффективность, поскольку, с одной стороны, препарат, находящийся в липосоме, защищен ее мембраной от воздействия неблагоприятных факторов, в том числе ферментов, что увеличивает эффективность препаратов, подверженных биодеструкции в биологических жидкостях, а с другой — та же мембрана не позволяет токсичному препарату превысить допустимую концентрацию в биологических жидкостях организма. Липосома в данном случае играет роль хранилища, из которого препарат высвобождается постепенно, в нужных дозах и в течение требуемого промежутка времени.
6. Снижение общетоксического действия на организм: защита клеток от токсического действия лекарств, заключенных в липосомы. Известно, что размер наночастиц больше диаметра пор капилляров и объем их распределения ограничивается областью введения. При внутривенном введении липосомы не выходят за пределы кровотока, т.е. плохо проникают в органы и ткани. Соответственно, резко снижается токсическое действие субстанции, ассоциированной с наночастицами. Помимо этого, не секрет, что многие лекарственные препараты имеют низкий терапевтический индекс. Это означает, что концентрация, в которой они оказывают лечебное действие, мало отличается от концентрации, при которой препарат становится токсичным. Тот факт, что липосомы не задерживаются такими органами, как сердце, почки, мозг, а также клетками нервной системы, позволяет за счет использования липосомных лекарственных форм значительно снизить кардиотоксичность, нефротоксичность и нейротоксичность ценных препаратов, применяемых для лечения заболеваний.
7. Универсальность: «адресная» доставка препарата к органу-мишени, что достигается путем прикрепления к поверхности липосом специфических молекул (например, Ig), обеспечивающих «узнавание» клетки (рис. 4).
7. Биодоступность. Этот эффект липосом обеспечивается за счет создания водорастворимых форм ряда лекарственных веществ.
9. Способность к биодеградации. Липосомы сравнительно легко разрушаются в организме, высвобождая доставленные вещества.
10. Эффект пассивного нацеливания: направленная доставка и накапливание медикаментозных препаратов в очагах воспаления, ишемии, опухолях и других патологически измененных областях. Этому способствует проникновение липосом через поры капилляров в пораженные области, так как сосуды микроциркуляторного русла в «горячих» точках перфорированы, что создает условия для выхода этих наночастиц за их пределы (рис. 5). В норме этого не происходит, так как размеры липосом больше, чем поры капилляров, за счет чего они удерживаются в полости сосудов и не выходят за их пределы.
Однако ситуация с терапевтическим применением липосом не так проста, как хотелось бы. Использование липосом для точной, целенаправленной доставки лекарственных веществ имеет определенные ограничения. Эффективность их использования как носителей лекарств во многом зависит еще и от того, сумеют ли они сохранить свою целостность после введения в организм. Оказалось, что липосомы недостаточно стабильны в крови. Время пребывания обычных липосом в кровотоке невелико (от нескольких минут до нескольких часов). Дело в том, что у них имеется весьма серьезный «враг» — сыворотка крови, и после попадания в организм большая часть липосом поглощается клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС), состоящей в основном из макрофагов, способных поглощать из крови посторонние частицы и уничтожать (переваривать) их, что необходимо для поддержания постоянства внутренней среды. Кратковременность пребывания липосом в кровотоке напрямую связана с взаимодействием липосом с белками плазмы — опсонинами (в основном компонентами комплемента). Опсонины как бы метят их и делают мишенями для клеток РЭС (рис. 6). Поэтому липосомы, попадая в кровоток, как правило, становятся добычей макрофагов и не доходят до цели. Наибольшее скопление макрофагов находится в печени, селезенке, костном мозге, лимфатических узлах и кровотоке. Поэтому липосомные носители обычно сложно направить именно в те органы и ткани, где разворачивается патологический процесс.


Однако нет ничего такого, что бы остановило ученых в поисках решения, казалось бы, нерешаемого вопроса. Уже сейчас найдены способы, позволяющие увеличить устойчивость липосом к действию липопротеинов. Например, повышению их устойчивости способствует введение в состав липосом холестерина. Есть и другие варианты изменения их состава, позволяющие успешно защищать липосомы от разрушения сывороткой крови. Как выяснилось, если эти везикулы соединены с антителами к белкам-адресатам, то большая часть липосом успевает прибыть к месту назначения раньше, чем произойдет их встреча с макрофагом. Еще более значимыми будут результаты в ситуации, когда вначале вводятся липосомы без «груза» (например, липин), а следом — липосомы с лекарством, тогда первые поглощаются макрофагами, а вторые без помех доходят до цели.
Для преодоления захвата липосом мононуклеарами РЭС были разработаны также липосомы-невидимки. Выяснилось, что клетки, вылавливающие липосомы из крови, можно обмануть, сделав поверхность липосом гидрофильной. С этой целью в липидный слой липосом встраивают полиэтиленгликоль (ПЭГ), что приводит к повышению осмотического давления вокруг них и препятствует сближению наночастиц с клеткой. Эти везикулы называются пегилированными липосомами, они невидимы для клеток РЭС и долгое время циркулируют в крови. Помимо этого, что еще более важно, такие липосомы постепенно накапливаются в тех местах, где кровеносные сосуды имеют дефекты, т.е. повреждены, обладают повышенной проницаемостью или вообще плохо развиты, что обычно характерно для опухолей и окружающих их тканей, а также инфекционных и воспалительных процессов. Необычные свойства полиэтиленгликольсодержащих липосом и их высокая терапевтическая эффективность так поразили исследователей, что эти липосомы получили образное название липосомы-невидимки (stealth liposomes) аналогично известному самолету-невидимке «стелс», который не удается обнаружить с помощью радарных устройств.

 


Bibliography

 


Back to issue