БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 5, с. 863-867
МОЛЕКУЛЯР НАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОФИЗИКА =
НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ И П Р ОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 577.3
НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ © 2011 г. В. А. Намиот
Институт ядеpной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Воробьевы горы, 1
E-mail: vnamiot@gmail.com Поступила в p едакцию 09.06.11 г.
Обcужден pяд cущеcтвующиx методов для боpьбы c онкологичеcкими заболеваниями, основанных на использовании нанотеxнологий. Pаccмотpена возможноcть пpинципиально новыx подxодов, пpи котоpыx устройства, встраиваемые внутpь клеток, могли бы упpавлять иx поведением. В принципе пpи этом можно заcтавить подобные «убавляемые» клетки боpотьcя c опуxолями.
Ключевые слова: наномедицина, нанодиагностика, ферромагнетизм, светоуправляемые реакции.
П pогp есс в микpоэлектpонике, о cобенно заметный в последние годы, уменьшение pазмеpов элементов, используемых в ней, от долей мик-pона до деcятков нанометpов, делает вполне pеальной задачу cоздания уcтpойcтв, сравнимых по cвоим pазмеpам c клетками о pганизма и даже c внутриклеточными оpганеллами. Иными cловами, pечь идет об уcтp ойcтваx молекуляр-нык pазмеpов. Cоздание подобные уcтpойcтв и иx взаимодейcтвие c биологичеcкими объектами, включая в том числе и человека, и от -cтавляет пpедмет нового научного напpавления, называемого наномедициной. В идеале, целью наномедицины являетcя создание миниатюp но-го pобота-лекаpя, котоpый должен выполнять cледующие функции: поиск клеток-мишеней, пpоникновение в ниx, доставка в ниx или в иx оpганеллы cубcтанций для лечения или обна-pужения, выгpузка этиx cубcтанций и уxод или pазбоp ка на безвpедные чаcти. (П p и этом раз-меp ы такого pобота вовcе не обязательно должны быть поp ядка нанометpов; они cкоpее могут быть поpядка деcятков микpон, только входящие в него детали будут иметь нанометpовые pазмеp ы.) В настоящее вpемя подобныx нано-pоботов еще не cущеcтвует, и даже если они когда-нибудь и появятся, цена иx может ока-затьcя непpиемлемо выcокой.
Тем не менее уже cейчаc cущеcтвуют системы, cпоcобные выполнять те или иные отдельные функции подобного pобота. В частности, для онкологии важно умение наxодить опуxолевые клетки и уничтожать иx. В принципе возможны тpи cпоcоба наведения на опу-xоли: паccивное нацеливание на зоны воспалений, наведение c помощью внешниx устройств
и активное нацеливание [1—3]. При этом все эти способы могут также сочетаться друг с другом.
Пассивное нацеливание является простейшим способом введения веществ в опухоль. Если, например, в зоне опухоли имеет место воспаление, то капилляры в этой зоне часто оказываются расширенными по сравнению с капиллярами в других зонах. В том случае, когда действующий агент заключен в липосо-мах определенного размера, которые могут про -никнуть в широкие капилляры, но не могут в узкие, липосомы будут накапливаться в опухоли в большей концентрации, чем вне ее. На таком принципе работают некоторые противоопухо-левые липосомные препараты. К сожалению, липосомы с таким препаратом могут попадать не только в опухоль, но и в другие участки с достаточно широкими капиллярами, а также поедаться макрофагами. В общем можно констатировать, что достичь достаточно высоких коэффициентов накопления на таком пути достаточно сложно в силу низкой селективности пассивного нацеливания.
Др угим способом концентрирования лекарственного вещества в опухоли является внешнее наведение. Для этой цели чаще всего используют ферромагнитные частицы, связанные с тем или иным активным веществом, направляемые в опухоль внешним магнитным полем достаточной силы, которое заставляет их перемещаться в тр ебуемом напр авлении. Однако далеко не при всех локализациях опухоли удается эффективно сконцентрировать в ней ферромагнитные частицы, часть этих частиц оказывается
вне зоны, занимаемой опуxолью. К тому же, если кроме пеpвичного очага имеютcя еще и метастазы, то «нацелить» на ниx частицы и не заxватить пpи этом пpоcтpанcтво между ними чаще вcего не удаетcя. Дело в том, что магнитное поле, в отличие от излучения, нельзя сфокусировать - хар актерные масштабы области, в которой оно может быть со ср едоточено, больше или, в лучшем случае, того же порядка, что и глубина залегания опухоли. Поэтому и такой путь наведения частиц на опухоль нельзя считать удовлетворительным.
Перейдем теперь к наиболее интересной возможности - активному нацеливанию. Чтобы осуществить такое нацеливание, наночастицу связывают с молекулами, которые специфически и достаточно эффективно связываются с клетками-мишенями. В качестве таких молекул обычно используют иммуноглобулины к поверхностным антигенам, находящимся на поверхностях клеток-мишеней. К подобным системам должен предъявляться целый ряд требо -ваний, в частности, очень важно избежать связывания (пусть даже не столь прочного) со здоровыми клетками, а также неспецифического поглощения частицы по пути к мишени. Как минимум, для этого необходимо, чтобы антигены на поверхности опухолевых клеток отличались бы от антигенов на поверхностях соответствующих однотипных клеток. Подобная ситуация встречается, но не столь часто. Многие опухоли не имеют таких антигенов, которые полностью отсутствуют (или отсутствовали ра -нее, например, в эмбриональном периоде) на нормальных клетках. К роме того, в силу гетерогенности раковых клеток не исключено, что в результате лечения будет отобран и размножится клеточный клон, не имеющий тех антигенов, на которые настроены наночастицы. Поэтому и такой способ нацеливания, несмотря на определенные достижения, все же не стал панацеей в лечении онкологических заболеваний.
Имеет смысл упомянуть еще о двух возможностях, связанных с использованием ферромагнитных наночастиц, к которым «пришиты» антитела к соответствующим поверхностным антигенам раковых клеток. Во-первых, подобные наночастицы могут быть использованы для точной локализации местоположения не только основной опухоли, но и метастазов, что очень важно при операциях, поскольку хир ур-гическое удаление, если только оно возможно и осуществляется в полном объеме, до сих пор является наилучшим способом борьбы с раком. Ферромагнитные наночастицы прекр асно регистрируются ЯМР-томографом, и если они селективно связались с клетками опухоли, то по
томограмме уже можно установить местоположение опухолевых участков. Во -вторых, можно использовать подобные наночастицы для очистки in vitro суспензии клеток костного мозга больных лейкозом от трансфор мированных клеток. П р и этом клетки, селективно связавшиеся с ферромагнитными наночастицами, отделяются от тех клеток, которые не содержат соответствующих антигенов и, следовательно, не связались с наночастицами в сепарирующих магнитных колонках.
Вместе с тем следует отметить, что хотя об использовании наночастиц в онкологии говорится достаточно давно, основные результаты получены в опытах на животных. Дело в том, что пока еще не доказано отсутствие токсического эффекта от наночастиц. Они не должны слипаться, забивать капилляры, должны разрушаться в лизосомах и выводиться из о рганизма. Опыты на животных внушают оптимизм, осо -бенно хорошие результаты получены в лечении меланомы у мышей, но не следует забывать, что на мышах сложно изучить отдаленные результаты лечения. К тому же, подавлять пер е-виваемые опухоли существенно проще, чем спонтанные и метастазирующие, и, соответственно, излечение мышей еще не гарантирует излечения людей. Тем не менее, по крайней мере в относительно простых вариантах, лечение людей с использованием ферромагнитных частиц уже проводилось, и результаты внушают определенный оптимизм.
Перейдем теперь к обсуждению новых подходов к проблемам наномедицины и, в частности, к пр облемам онкологии. Речь пойдет о так называемом «светоуправляемом иммунитете», впервые предложенном в наших работах [4]. Однако предварительно имеет смысл обсудить еще ряд моментов. Выше мы упоминали, что уже проводилось лечение людей с использованием ферромагнитных частиц. Эти частицы вводились непосредственно в опухоль. П ри этом первоначальная идея со стояла в том, чтобы не просто вводить в опухоль микрочастицы, но и воздействовать на них СВЧ-излучением, которое они хорошо поглощают, и при этом вызывать разогрев тканей. Предполагалось, что опухоль будет разрушаться в результате локальной гипертермии, и это и будет основным механизмом ее гибели. Тем не менее оказалось, что даже без воздействия СВЧ микрочастицы сами по себе разрушают опухоль, хотя, казалось бы, ни на их поверхностях, ни в них самих нет ничего такого, что эффективно взаимодействовало бы именно с опухолевыми клетками. Для объяснения такого явления были предло-жены разные гипотезы, причем одна из них
НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ
865
(на наш взгляд достаточно убедительная) со -стоит в том, что ферромагнитные микрочастицы поглощаются макрофагами и каким-то образом активир уют их, после чего уже эти макрофаги и атакуют опухоль.
Действительно, эти микр очастицы фагоци-тир уются клетками иммунной системы и попадают в фагосомы, представляющие собой пузырьки, отделенные одинарной мембраной от остальной цитоплазмы. (В дальнейшем, фаго-сомы связываются с лизосомами, содержащими ряд фер ментов, вызывающих деградацию и разрушение находящихся в них объектов, если, конечно, эти объекты в принципе могут быть переварены такими ферментами.) Но почему это пр иводит к активации? Если предположить, что активация имеет место непосредственно в процессе фагоцитоза, то в этом случае, после того, как микрочастицы будут поглощены, клетки вновь перейдут в неактивное состояние. И их противоопухолевая активность при этом должна будет существенно снизиться. Однако какие-либо данные, указывающие на подобное снижение активности, отсутствуют. Значит, нужно допустить наличие и других каких-то механизмов активации, которые поддерживают клетку в активном состоянии и после того, как акт фагоцитоза уже имел место. Отметим, что внутри фагосомы может происходить большое количество самых разных процессов и химических реакций, по большей части неспецифических, сопровождающих переваривание о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.