Форумы Специализированные » Компас Вселенной Нанотехнологии и их применение

Для лечения заболеваний необходимо доставлять в организм те или иные медикаменты. Было бы прекрасно, если бы все лекарства можно было принимать перорально – но, к сожалению, одни вещеcтва разлагаются в агрессивной среде желудочно-кишечного тракта, другие плохо проникают в кровь, третьи, даже попав в кровяное русло, отфильтровываются печенью, так и не достигнув мишени.

Другой прекрасный вариант – доставка медикаментов напрямую через кожу. Всем известны никотиновые и гормональные пластыри, применение которых эффективно и не связано с болевыми ощущениями. Однако такой способ хорош лишь для маленьких и липофильных молекул.

Вот почему огромное количество медикаментов вводится пациентам путем подкожных инъекций. При этом существует риск заражения ранки, необходимо пользоваться стерильным оборудованием и всегда иметь свежие препараты лекарств, а бедные пациенты (и без того больные!) страдают еще и от боли уколов. Кто-то мог бы отмахнуться от этих проблем как от несущественных, но только не ученые из Georgia Institute of Technology. Чтобы облегчить человеческие страдания, они придумали способ подкожного введения медикаментов с наименьшими повреждениями кожи.

Предложенный способ доставки веществ сквозь кожу совмещает эффективность инъекции и безболезненность пластыря. Сотни полимерных иголочек микрометровых размеров содержат в себе лекарство. После введения их в кожу они быстро растворяются, а медикамент диффундирует внутрь кожи.

Микроиголочки состоят из поливинилпирролидона (polyvinylpyrrolidone, PVP). Мономерный винилпирролидон является жидкостью (в условиях эксперимента), и к нему можно добавить интересующее лекарство. Затем такую смесь заливают в заранее изготовленную форму, и винилпирролидин полимеризуется под действием ультрафиолета (рисунок 1). PVP давно используется в клинической практике, в связи с чем его можно считать безопасным для здоровья. Кроме того, PVP отлично растворяется в воде – таким образом, будучи введенными в кожу, микроиголочки затем быстро исчезают. Полученные иголочки размерами 750 мкм в длину, 250 мкм в диаметре у основания и 5 мкм в радиусе у вершины (рисунок 2), содержащие в качестве модельного лекарства различные соединения, были протестированы на свиной коже in vitro.

Примерно через 1 минуту после введения в кожу свиньи массивы микроиголочек полностью растворялись. В одном из экспериментов в качестве модельного лекарства взяли флуоресцентно меченный бычий сывороточный альбумин (это белок), благодаря чему смогли проследить судьбу введенных вместе с микроиголочкой соединений. На рисунке 3 видно, что благодаря микроинъекции модельное лекарство проникло как в эпидермис, так и в более глубокие слои кожи – дерму. В другом случае в микроиголочки был заключен фермент (β-галактозидаза). Было показано, что фермент не только проник в кожу, но и сохранил при этом свою активность (рисунок 4).

Одним из желаемых свойств – способностью доставлять вещества сквозь кожу – массивы микроиголочек, несомненно, обладают. Неясна ситуация с безболезненностью: эксперименты, вроде бы, проводились исключительно на свиной коже и только in vitro, однако авторы уверенно говорят, что это не больно. Кто знает, возможно, они не удержались и испытали новинку на себе…;-)


Массив микроиголочек из PVP, содержащих в качестве модельного лекарства сульфородамин. a – вид сверху; b – вид сбоку.

Использование органических наночастиц объясняет способность плюща присоединяться практически к любой поверхности.

Чарльз Дарвин еще в 1876 г. описал выделение вещества слабо-желтого цвета корешками плюща при его росте и присоединении к разным поверхностям. Однако с тех пор о природе этого вещества никаких новых данных не появилось.

Профессор университета штата Теннеси (США) Цзянь Миньчжун (Mingjun Zhang) и его коллеги опубликовали в журнале Nano Letters статью, в которой описана первая попытка разобраться в уникальных способностях вьющихся растений, которые в своем стремлении вверх способны преодолевать самые разные препятствия и использовать для своего выживания любые поверхности.

Ученые попытались выяснить природу клейкого вещества плюща. Им удалось добиться роста на поверхности кремния и слюды. Затем с этих поверхностей были взяты пробы, которые были проанализированы с помощью атомного силового микроскопа, а также обычного оптического микроскопа. К удивлению исследователей, клейкое вещество состояло из почти одинаковых сферических частиц размером около 70 нм. Дальнейший анализ с помощью жидкостной хроматографии высокого разрешения установил, что частицы состоят только из органических веществ.

Состав этой смеси довольно сложен, и удалось установить формулы всего 19 отдельных компонентов. Их структура пока не установлена. Ясно лишь, что среди этих компонентов преобладают вещества гидрофильного типа, соответственно, у них есть полярные группы, а, значит, и способность к образованию водородной связи. Именно этот механизм исследователи считают наиболее вероятным вариантом, обеспечивающим высокую адгезию к поверхности.

Был исследован также и сам процесс прочного присоединения плюща к поверхности. Выделяемое его корешками желтоватое вещество имеет консистенцию геля и поначалу не слишком прочно присоединено к поверхности. Лишь затем вещество твердеет и уменьшается в объеме, скорее всего за счет потери воды. К этому моменту связь с поверхностью становится максимально прочной.

Динамическое светорассеяние (DLS) позволяет с высокой точностью определять размеры и распределение по размерам различных частиц – полимеров, наночастиц, белков. Особенно приятно, что при помощи этого метода можно определять присутствие в растворе даже весьма низких концентраций разнообразных золотых наночастиц (сферической формы, палочек и оболочек) размерами от нескольких десятков до сотен нанометров, благодаря сильному рассеянию света при длинах волн поверхностного плазмонного резонанса.

Группа ученых из University of Central Florida (США) предположила, что при помощи золотых наночастиц, конъюгированных с антителами, можно легко, в одну стадию, проводить быструю диагностику наличия маркеров тех или иных заболеваний с использованием DLS. В качестве примера они показали, как можно быстро количественно определить один из маркеров рака предстательной железы.

В организме здорового мужчины имеется простато-специфический антиген (prostate specific antigen, PSA) в концентрации нескольких нанограмм на миллилитр (считается, что в норме не более 4 нг/мл), из них несвязанного PSA – меньше нанограмма в миллилитре, то есть около 10% от общего количества PSA. В случае рака или доброкачественной гиперплазии простаты общее количество PSA возрастает, однако относительное количество свободного PSA в случае злокачественной опухоли ниже, чем в норме или при доброкачественном перерождении предстательной железы.