Особенности наночастиц, используемых в онкологии

Введение
Наномедицина в настоящее время является перспективным направлением развития биомедицинских наук, которое дает возможности для разработки принципиально новых терапевтических и диагностических подходов. В особой степени развитие нанотехнологий актуально для онкологии, так как, несмотря на углубление представлений о патогенезе и этиологии злокачественных новообразований, онкологические заболевания остаются серьезнейшей проблемой для современной медицины. Это обусловлено как высокой частотой онкологических заболеваний, так и относительно низкой эффективностью традиционных подходов – хирургии, лучевой терапии и химиотерапии. Хорошо известно, что традиционные подходы к лечению раковых заболеваний связаны с тяжелыми побочными эффектами, кроме того, часто регистрируются случаи устойчивости опухоли к проводимой терапии, тогда как нанотехнологии способны решить указанные проблемы.
В настоящее время активно проводятся экспериментальные и клинические исследования, направленные на разработку методов терапии раковых опухолей, основанных на использовании наночастиц, которые могут быть использованы для доставки анти-опухолевых препаратов, а также факторов роста и других соединений, применяемых в тканевой инженерии, непосредственно к клеткам опухоли. С другой стороны, наночастицы могут использоваться как новые сенсорные и молекулярные инструменты для визуализации опухолевых клеток, то есть для диагностики опухолевого процесса, в том числе на его ранних стадиях.
Однако для эффективного использования наночастиц в клинической онкологии, последние должны соответствовать целому ряду критериев. В частности, терапевтические наночастицы не должны влиять на активность переносимых ими биологически активных веществ, а диагностические наночастицы должны иметь строго определенные электрохимические свойства, чтобы обеспечить точность измерений. При этом вне зависимости от основной функции наночастицы должны быть биосовместимыми и сохранять свои свойства в течение длительного времени. Таким образом, разработка инновационных методов диагностики и лечения онкологических заболеваний с помощью наночастиц требует дальнейших активных исследований.
В настоящей работе будут кратко освещены основные успехи, которых удалось добиться исследователям в области разработки инновационных подходов диагностики и терапии раковых опухолей, основанных на использовании наночастиц.
Общая характеристика наночастиц
Термин «наночастицы» используется для обозначения частиц, размер которых находится в диапазоне 1–100 нм. Наночастицы, используемые в биомедицинских исследованиях, могут быть получены из разнообразных материалов. Поверхность наночастиц, как правило, модифицируют, чтобы улучшить их связи с молекулами терапевтических агентов, а также повысить эффективность их доставки с током крови к областям-мишеням.
Как правило, в структуре наночастиц можно выделить три слоя:
- поверхностный слой, который состоит из небольших молекул различной природы, а также может быть дополнен поверхностно-активными веществами, ионами металлов и полимерами;
- оболочка наночастицы, состав которой определяется составом центральной части наночастицы;
- центральная часть наночастицы (так называемое ядро), состав которого определяет основные функциональные возможности наночастицы.
Разнообразные методы, используемые для получения наночастиц, можно разделить на два больших класса:
- подход «снизу вверх», который основан на использовании для получения наночастиц небольших «строительных блоков», в том числе атомов и молекул небольшой молекулярной массы;
- подход «сверху вниз», который основан на использовании крупных молекул с высокой молекулярной массой, которые первоначально разрушаются на более мелкие «строительные блоки», а затем трансформируются в наночастицы.
Традиционные химические и физические методы мало пригодны для получения медицинских наночастиц, так как они основаны на использовании токсичных восстанавливающих и стабилизирующих агентов. В качестве альтернативы применяются методы так называемой «зеленой химии», основанные на использовании биологических объектов (например, бактерий и грибов), которые трансформируют токсичные материалы.
Форма наночастиц влияет на их динамику в жидкостной среде и на поглощение в зоне опухоли

. Несферические наночастицы, благодаря своим оптическим свойствам, рекомендуются для фототерапии раковых опухолей. Наночастицы в форме палочек лучше воспринимаются организмом и транспортируются в органах и тканях. В тоже время в клинической практике шире распространены сферические наночастицы, так как их легче синтезировать и тестировать.
Особенности наночастиц, используемых в онкологии
Наиболее часто в онкологии используют наночастицы, состоящие из липидов, полимеров, металлов, углерода и керамики. Плюсами липидных наночастиц является их биоразлагаемость, биосовместимость, низкая токсичность и высокая нагрузочная способность как для гидрофобных, так и для гидрофильных молекул лекарственного средства. Полимерные наночастицы обычно имеют диаметр менее 1 мкм. В зависимости от состава их обозначают как наносферы или нанокапсулы. Полимерные наночастицы обладают способностью улучшать как растворимость, так и биодоступность гидрофобных препаратов и интенсивно используются в качестве систем направленной доставки.
Из металлических наночастиц в медицине и в онкологии в частности чаще всего используются золотые и серебряные наночастицы, которые обладают уникальными оптическими и электронными характеристиками, а также являются химически инертными. Возможность модификации их поверхности делает их очень полезными для решения многих медицинских задач, таких как биосенсинг, биовизуализация и фототермическая терапия. Наночастицы серебра характеризуются уникальной теплопроводностью, высокой электропроводностью, каталитической активностью, химической стабильностью, антибактериальными и улучшенными оптическими свойствами. Серебряные наночастицы могут использоваться для фотонной и фототермической терапии, для доставки лекарственных препаратов, для клеточной визуализации, а также как биосенсоры. Другой класс металлических наночастиц представлен полупроводниковыми нанокристаллами, которые хорошо известны как квантовые точки. Их уникальные химические и оптические свойства повышают их перспективность для решения задач биомедицинской визуализации и доставки лекарств.
Магнитные наночастицы, представленные наночастицами оксидов железа, обладают уникальными химическими, биологическими и магнитными характеристиками, включая нетоксичность, химическую стабильность, биосовместимость и высокую магнитную восприимчивость. Основным недостатком наночастиц из оксида железа является их склонность к окислению. Для устранения этого недостатка используют биосовместимое покрытие из полимеров, керамики или металлов. Наночастицы из оксида железа могут быть насыщены белками, антителами, ферментами и/или противоопухолевыми препаратами и использованы для разных целей, включая магнитную гипертермию, контрастирования для МРТ, адресную доставку лекарств, мультимодальную визуализацию и генную терапию.
В онкологии также находят применение углеродные наночастицы на основе фуллеренов и углеродных нанотрубок, которые используются как антиоксиданты, противовирусные средства, системы доставки лекарств и генов и фотосенсибилизаторы для фототерапии.
Наконец, ведутся разработки инновационных наносистем, состоящих, по крайней, мере, из двух разных наночастиц («наночастицы с наночастицами»). Например, в пористые наночастицы из кремнезема можно инкапсулировать более мелкие золотые наночастицы, которые более эффективно проникают в ткань опухоли.
При использовании наночастиц необходимо учитывать заряд их поверхности. Показано, что положительно заряженные наночастицы наиболее эффективно достигают сосудов опухоли, тогда как нейтральные наночастицы способны диффундировать непосредственно к опухолевым клеткам. Поглощение наночастиц клетками опухоли можно усилить, если модифицировать их поверхность, например, с помощью гидрофильных полимеров и биоразлагаемых сополимеров, таких как полиэтиленгликоль, полоксамин, полиэтиленоксид и полисорбат 80.
Лечебно-диагностические наночастицы
как перспективное направление наномедицины
В настоящее время термин особое внимание исследователей привлекает возможность создания лечебно-диагностических наночастиц (theranostic nanoparticles), то есть наночастиц, которые могут использоваться одновременно как для диагностики, так и для терапии злокачественной опухоли