Применение нанотехнологий (1075549), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Очень интересны (и многообещающи) квантовые точки, которые позволяют эффективно получать многоцветные изображения биологических объектов. Они могут быть особенно полезны для флуоресцентной визуализации живых тканей, в которых полезные сигналы могут быть смазаны рассеянием и/или неразрешимы на фоне внутренних излучений организма. Будучи покрыты биосовместимыми слоями или протеинами, они могут быть не распознаны живыми клетками как токсические. Квантовые точки, возможно, могут быть использованы для восстановления нейронных каналов или доставки лекарств путем их активирования световым сигналом.
Молекулярная визуализация позволяет производить биораспределение молекулярных зондов как во времени, так и в пространстве, и, соответственно, обеспечить более содержательное неповреждающее исследование биологических процессов внутри всего живого организма. Например, при создании новых препаратов эта технология обещает исследователям важное преимущество – иметь возможность изучать и отслеживать локализацию и, возможно, действие потенциального препарата в организме подопытного животного до тех пор, пока не станут очевидными изменения фенотипа (благодаря возможности контролировать процессы во времени и в пространстве), и только после этого переходить к исследованиям на человеческом организме. Улучшение возможностей медицинской визуализации, вероятно, может ускорить предклинические испытания, предшествующие исследованиям на организме человека.
Временные рамки для разработки приложений
Молекулярная визуализация/биофотоника существенно изменят медицинский сектор, позволив уже в следующем десятилетии внедрить новые методы диагностики и лечения различных заболеваний. Наночастицы могут послужить модульной платформой для создания разнообразных высокочувствительных и специфических агентов «нацеливания», Эксперты считают, что направленная доставка и, следовательно, молекулярная визуализация и биофотоника будут достаточно исследованы к 2015 г. В частности, фотодинамическая терапия, которая сегодня находится в фазе прикладных исследований, к этому времени станет широкоиспользуемым приложением.
Ожидается, что к 2015 г. направленный транспорт через биологические барьеры выйдет на стадию первых приложений. Так как транспорт происходит более или менее пассивно, очевидно, что больше усилий необходимо приложить для разработки улучшенных активных и высоконаправленных процессов переноса.
Проблемы, барьеры и узкие места
Применение нанотехнологий к молекулярной визуализации – сравнительно новая область знаний, и в следующие 10 лет ей предстоит множество испытаний. Некоторые из них уже были перечислены в предыдущем параграфе, однако полный список гораздо длиннее.
Развитие неинвазивных технологий визуализации высокого разрешения in vivo сопряжено с рядом проблем. Дело в том, что примение нанотехнологий для молекулярной визуализации, в живом организме требует предварительного решения большего числа теоретических и практических проблем, чем диагностика in vitro или в клеточных культурах. В первую очередь, зонды должны быть биосовместимыми, однако для их правильной доставки необходимо преодолеть несколько дополнительных препятствий. Необходимо также разработать стратегии усиления сигнала in vivo, увеличить чувствительность измерений, с тем чтобы для эффективной визуализации были достаточны минимальные (в пико- и наномолекулярном масштабе) концентрации контрастных агентов, создать избирательно чувствительные зонды, препараты для их переноса и среды для усиления контраста.
И узким местом, и нерешенной проблемой, как указывают эксперты, являются возможные побочные эффекты применения доступных в настоящее время наночастиц (например, их общая токсичность) вкупе с отсутствием наночастиц, подходящих для решения проблем распределения в организме контрастных сред, и недостатком подходящих агентов визуализации.
Низкая доходность систем молекулярной визуализации и основанной на ней терапии из-за дорогостоящей и длительной фазы исследований также представляется экономической проблемой, которую необходимо решить наряду с задачами оптимизации процессов производства и упрощения процедур сертификации.
В самом деле, существующие правила требуют от производителей фактически заново получать разрешение на производство даже в том случае, если оно предполагает функционализацию известных и хорошо охарактеризованных основных компонентов (например, наночастиц, используемых в качестве контрастных агентов). Это означает, что весь процесс производства, включая каждую отдельную стадию, должен заново проходить длительные процедуры утверждения, даже если ничего в производстве не изменялось вплоть до стадии функционализации.
На протяжении последних пяти лет стремительное развитие в медицине получили технологии прижизненной визуализации с помощью молекулярных зондов (наночастиц), которые коснулись также исследований роли высокоспециализированных наносистем для молекулярного контрастирования как клеточных, так и генных мишеней. Развитие нанотехнологий привело к детальному изучению молекулярных звеньев патогенеза многих заболеваний человека и позволило, с молекулярно-клеточных позиций, дать современное толкование отдельных патологических процессов, в том числе воспаления, ангиогенеза, тромбообразования и апоптоза. С одной стороны, усовершенствование стратегий усиления индуцируемых диагностических сигналов в тканях формировалось за счет оптимизации таких визуализирующих модальностей, как ядерный, оптический, ультразвуковой, рентгеновский и магнитнорезонансный форматы томографического изображения. С другой – отмечено расширение поиска синтетических контрастных наночастиц, тропных к биомаркерным молекулам – мишеням, необходимым для проведения процедур прижизненной молекулярной визуализации в условиях клиники.
В данном аналитическом исследовании основное внимание сосредоточено на развитии соответствующих визуализирующих методик и новых наносистем с целью их последующего применения для прижизненного контрастирования внутриклеточных процессов на молекулярном уровне в условиях кардиологической клиники.
Нанотехнологии - это современные методы создания и использования специальных биологических материалов и их комбинированных аналогов в составе молекулярных ансамблей в масштабе отдельных клеток, клеточных органелл или транспортерных белоксодержащих комплексов с размерами 5-500 нм.
Специфическая организация подобных наноструктур предполагает наличие у них уникальных химических и биологических свойств на основе молекулярных взаимодействий, происходящих на их поверхности. При этом, синтетические наноструктуры могут создаваться с помощью методов как химического разделения, так и наращивания молекулярных конструкций.
Все молекулярные зонды разделены на несколько классов наночастиц. Липосомы - это одно- или многослойные микровезикулярные структуры диаметром от 50-700 нм, окруженные липидным биослоем, они хорошо известны как переносчики различных лекарственных препаратов. Применение липосом в качестве агентов для молекулярной визуализации позволило достигнуть существенного усиления томографического изображения в ультразвуковом и магнитнорезонансном форматах.
Эмульсии - химически отличные от липосом наноструктуры, которые содержат маслянистые везикулы в водной фазе со стабилизирующими молекулами-сурфактантами, для поддерживания их формы и размеров. Перфлюороуглеродсодержащие эмульсии (размеры наночастиц 200-400 нм) получили распространение при формировании молекулярного изображения в магнитнорезонансном, ультразвуковом, флуоресцентном, ядерном и рентгеновском томографических визуализирующих форматах. Например, инкорпорирование значительного количества парамагнитных комплексов гадолиния (более 50000) внутрь водоэмульсионных наночастиц обеспечивало надежное усиление магнитных сигналов при проведении магнитнорезонансной визуализации фибрина в строго очерченных участках предполагаемого разрыва фиброзной покрышки атеросклеротической бляшки венечного сосуда, благодаря использованию данного парамагнитного экстраклеточного контраста. Использование технологии укрупнения (“botton up”) рекомбинантных мицеллярных микрочастиц, в том числе липопротеинов низкой и высокой плотности, позволило осуществить процедуру молекулярной визуализации рецепторных реакций, участвующих в атерогенезе.
Полимеры (размеры наночастиц 40-200 нм) представляет собой достаточно “гибкие” конструктивные биологические элементы для молекулярной сборки диагностических зондов и лечебных транспортерных конструкций. Полимеры, синтезированные на основе полигидроксикислот (в том числе ”polylactic acid” и ”ро1у-D,L-lactide-coglycolide”), были исследованы в качестве лекарственных и генных транспортеров. Наряду с этим, дендримеры (или “каскадные” полимеры) с глобулярной структурой молекул, а также парамагнитные полиамидоаминовые и диаминобутановые дендримеры обладают хорошей магнетизацией при приведении магнитнорезонансной визуализации. Широкий спектр пространственной геометрии поверхности дендримерных наночастиц способствует формированию большого количества их функциональных участков для взаимодействия со многими лекарственными препаратами, визуализирующими соединениями, а также лигандными молекулами-мишенями.
Металлические микрочастицы, в частности суперпарамагнитные (на основе окиси железа) наноструктуры, с размерами от 15-60 нм при соединении с декстраном, фосфолипидами или другими соединениями, могут тормозить агрегацию тромбоцитов и восстанавливать процесс дестабилизации атеросклеротической бляшки, а также, связываясь с макрофагами атеросклеротически измененной стенкой сосуда, способны усиливать визуализацию участков локального воспаления при магнитнорезонансном сканировании. Обладая длительным периодом циркуляции (24 ч и более) эти наночастицы также могут быть использованы в качестве молекул для выявления уязвимых атеросклеротических бляшек. Другие металлсодержащие биоконструкции, к которым относятся наноструктуры, несущие на своей поверхности микрочастицы золота, имеющие размеры до 120 нм в диаметре, нашли применение в программах молекулярной визуализации и терапии.
Углеродсодержащие наноструктуры, такие как, сравнительно недавно открытые, нанотубы и фулерены (диаметр 4 нм) широко применяются для диагностики состояния поверхностных белков клеточных мембран, а также в качестве визуализирующих молекул на торцовой поверхности оптических биосенсоров при проведении диагностического флюоресцентного сканирования в ближней инфракрасной области спектра с целью молекулярной визуализации процесса фагоцитоза.
И наконец, наноструктуры с диаметром 2-8 нм, так называемые GD ("quantum dots") конструкции, включают полупроводниковые частицы, в том числе селенид цинка, и отличаются достаточно стабильными флуоресцентными характеристиками для использования различных световых потоков с целью возбуждения свечения накопивших их внутриклеточных структур клетки.
Возможности высокоселективной прижизненной визуализации молекулярных, клеточных и тканевых структур атеросклеротических бляшек
В основе разрушения бляшки лежит депозиция фибрина. Однако не только с депозицией фибрина связан запуск эрозивного процесса разрушения атеросклеротической поверхности. Этот процесс также связывают с внутрибляшечными геморрагиями и с растрескиванием покрышки уязвимой атеросклеротической бляшки. Диагностика разрушенной бляшки связана с процессом депозиции фибрина на ее поверхности или в области микротрещин ее покрышки, который часто сопровождается стенозом высоких градаций, определяемым на коронароангиограмме.
Возможности прижизненной визуализации фибрина на поверхности атеросклеротической бляшки методом формирования наночастицами усиленного ультразвукового и магнитнорезонансного изображения впервые были продемонстрированы Lanza и соавторами в 1996 г.. При этом использовались фрагменты антител с присоединенными к ним лигандными молекулами, обладающие специфичностью к полученному связыванию пептидными кольцевыми фрагментами молекул фибрина, которые в свою очередь комплексировались с частицами авидин-биотинового комплекса или присоединялись ковалентными связями к функционирующим наночастицам, выступающим в качестве тканевых мишеней. Последующую успешную ультразвуковую визуализацию локального микротромбирования удалось увести через 30 мин с применением ультразвукового (7,5 МГц) излучателя.
Сравнительно недавно получены новые данные визуализации количественных изменений уровней экспрессии тканевого фактора (протромботический трансмембранный гликопротеин) в пределах атеросклеротической бляшки, как результат послетравматического стент-ассоциированного процесса рестеноз-зависимого митогенеза, методами прижизненного ультразвукового и магнитнорезонансного сканирования.
Эхогенность липосом, инициирующих возникновение ультразвуковых сигналов наряду с контрастными наночастицами и эмульсиями, сравнивалось на поверхности жидкости и билипидного слоя. Так, Hamilton и соавторы применяли липосомы в качестве наночастиц-мишеней для диагностики процессов внутрисосудистого микротромбообразования, а также – воспаления при атерогенезе. Процесс связывания молекулярной метки с молекулами межклеточной адгезии-1 (IСАМ-1), сосудистой адгезии-1 (VСАМ-1), фибриногена и тканевого фактора зарегистрирован на пятой минуте после внутривенного введения липосом. Магнитнорезонансная визуализация (VСАМ-1) была успешно осуществлена также благодаря использованию процедуры мечения аполипопротеина Е в эндотелии аорты суперпарамагнитными наночастицами.
В процессе магнитнорезонансного исследования при использовании перфлюороуглеродных наночастиц, содержащих от 50-9000 атомов гадолиния в каждой частице, достигнуто существенное повышение сигналов магнетизации при 1,5 Т магнитнорезонансном сканировании, в условиях как in vivo, так in vitro. Кроме того, обнаружение участков повреждения атеросклеротических бляшек стало возможным благодаря прицельной фиксации наночастиц в зоне покрышки у больных с симптоматическими транзиторными ишемическими атаками, ишемическим инсультом и с “уязвимыми” бляшками венечных сосудов. Сравнительно недавно компания “Epix Pharmaceuticals” (США) синтезировала молекулы пептидного лиганда, высокоспецифического для фибрина (ЕР-2104 К), что позволило оптимизировать визуализацию и дать количественную оценку процессу локального микротромбирования на внутренней поверхности сосудов легкого, а также венечных артерий при проведении процедуры магнитнорезонансного сканирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
