Наномедицина объявляет войну заболеваниям головного мозга и хирургии

В лучших современных медицинских клиниках терапия представлена в качестве ведущего метода борьбы с различными заболеваниями. Однако, чтобы вылечить рак молочной железы по-прежнему приходится ложиться под нож. В лучшем случае, опухоль можно вырезать без ущерба для всей груди, а в худшем - чтобы избавиться от злокачественных клеток, приходится удалять большое количество здоровых тканей.

Достижения медицины часто не позволяют добраться до пораженного участка без вреда для всего организма. Хирургия и радиация наряду с больными клетками убивает и здоровые, а химиотерапия и антибиотики проникают в организм, вызывая нежелательные побочные эффекты. Мы хотим, чтобы лекарства оказывали воздействие лишь на определенный участок, но врачи пока не научились доставлять лекарства к пораженному месту. Они также не могут гарантировать того, что препарат начал свою работу именно там, где это необходимо. По этой причине современная фармакология далека от совершенства.

Организм выработал определенные барьеры для защиты себя и своих жизненно важных органов. Центральная нервная система, например, является одним из наиболее защищенных участков организма. Она заключена в костный скелет и имеет свою собственную систему кровообращения. Гемато-энцефалический барьер делает кровообращение непроницаемым для более крупных молекул антибиотика, что приводит к трудностям при лечении инфекций центральной нервной системы.

Ветераны войны в Ираке и Афганистане, где различные травмы головы составляют 20% всех боевых ран, стимулируют медицинское сообщество для борьбы с этой проблемой. У многих раненых возникает менингит или абсцесс - деструктивное поражение мозга, которое при неуспешном лечении может стать причиной постоянных неврологических проблем.

Новаторы в области медицинских исследований работают над новыми методами транспортировки лекарств через сеть кровеносных сосудов прямиком к больным клеткам, или, в случае инфекций, к бактериям и вирусам. Стремительно развивающиеся нанотехнологии предоставили новые методы для достижения этой цели в виде крошечных наночастиц, которые могут быть введены в кровоток, где они найдут цель и выполнят свою задачу.

Наночастица, предназначенная для лечения заболеваний головного мозга, должна быть достаточно маленькой, чтобы пересечь гемато-энцефалический барьер, и достаточно большой, чтобы сохранить препарат на протяжении всего пути. Она должна ускользнуть от антител иммунной системы, которые стремятся уничтожить все инородное в организме, пройти через стенки кровеносных сосудов мозга и, в конце своего пути, парализовать или уничтожить бактерии.

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA), как известно, инвестирует в передовые проекты с высоким потенциалом, если финансируемые исследования прошли успешно ( современный интернет и глобальная система позиционирования (GPS), например, являются результатом работы, изначально финансируемой DARPA). Агентство в настоящее время инвестирует в наномедицину и ее «терапевтические» наночастицы для лечения послевоенных заболеваний, чтобы поставить солдат на ноги как можно быстрее.

Мы слышали о наномедицине еще несколько лет назад, но СМИ преувеличили ее возможности во много раз. Как и в случае с другими технологиями, реклама, предшествующая реальной работе, заранее говорит об успехах в той или иной области. Но сейчас мы видим наночастицы в действии, в реальной медицинской диагностике и лечении. Некоторые новейшие методы лечения наночастицами, например те, в которые инвестирует DARPA, в настоящее время проходят испытания на людях и дают положительные результаты.

В мае 2013 года DARPA вложило $6 млн в разработки терапевтических наночастиц для лечения травм головного мозга и связанных с этим инфекций. Данная работа будет представлять собой сотрудничество экспертов из трех учреждений, которые будут решать различные вопросы, касаемые наномедицины: создание механизмов для управления частицами и разработка вещества для активации лекарства.

Группа химиков из Калифорнийского Университета в Сан-Диего (UCSD) специализируется на разработке дизайна наночастиц. Их работа заключается в создании частиц, которые будут достаточно большими, чтобы доставить лекарство, и достаточно маленькими, чтобы пройти через клеточные мембраны. Наночастицы сделаны из биологических материалов, таких как белки и нуклеиновые кислоты, которые могут быть созданы в лаборатории, и элементов, таких как золото или даже кремний, которые легко усваиваются в тканях человека, что довольно важно для здоровья костной и соединительной тканей.

Поскольку частицам предстоит преодолеть множество барьеров, их размер и форма имеют большое значение. Наночастицы, созданные командой UCSD, составляют около 100 нанометров, что в несколько тысяч раз меньше, чем клетка человека, и сделаны из кремния. Преимущество использования кремния состоит в том, что это доступный кристаллический материал. Уже разработаны методы создания отверстий, или пор, в кристалле под воздействием кислот или электрического тока. Эти частицы носят имя мезопористые кремниевые наночастицы (MSNP).

Поры могут быть наполнены препаратами, предназначенными для целевой клетки или нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). Можно даже создать молекулярные «нановорота» в качестве дверей, предотвращающих потери активного вещества во время транспортировки. После того, как команда Калифорнийского университета разработает оптимальные наночастицы, которые смогут пройти мимо иммунной системы незамеченными, они приступят к клеточной инженерии - выяснению того, как наночастицы смогут проникнуть через стенки клетки-мишени. Внешний слой частицы будет взаимодействовать с другими клетками в крови и должен уметь ускользать от иммунной системы.

Создание «ориентировочного» белка будет проходить под руководством исследовательской группы Сэнфорд-Бернама в Калифорнийском Университете в Санта-Барбаре, где ранее были выявлены маркеры на поверхности белка опухолей головного мозга и сгустков крови. Специально для проекта DARPA они будут пытаться найти дискретные особенности на поверхности бактерии, которые заражают мозг, чтобы наночастицы смогли соединиться с определенной клеткой. После присоединения, частицы будут поглощены бактерией, затем появится своеобразная форма РНК, которая предназначена для управления нормальными функциями клеток в терапевтических целях.

Специальная РНК регулирует экспрессию генов, а это означает, что она может их отключить. Ученые впервые обнаружили гены на основе РНК в растениях (фиолетовой петунии). Они частично превратили фиолетовые цветки в белые, заглушив ген, отвечающий за цвет. Тот же механизм был позже найден в работе примитивных круглых червей.

Последнее исследование, в конечном счете, привело двух американцев к Нобелевской премии и определило данный тип РНК как малые интерферирующие РНК (siRNA). SiRNA присоединяются к РНК клетки-мишени и блокируют ее.

Благодаря этим исследованиям, мы теперь знаем, что подавление генов является частью нормального функционирования клеток. Малые интерферирующие РНК есть в каждой клетке и возможно избирательно отключать некоторые функции производства белка, будь то клетка животных или растений, человека или ламантины, бактерии или даже вируса. Главной задачей для ученых является понимание того, как с ними работать.

Первые исследования в этой области показали, что обычные «голые» siRNA, введенные в кровь, не будут осуществлять лечение заболеваний человека. Молекулярная структура siRNA делает их уязвимыми для нормальных "домашних" ферментов, которые не дают «голым» siRNA попасть в клетку-мишень. Но недавние исследования показали, что, если спрятать их в мезопористые кремниевые наночастицы, малые интерферирующие РНК смогут избежать гидролиза нуклеаз-ферментов, которые расщепляют старые ДНК и РНК.

Команда из Массачусетского технологического института завершит этот шаг, ликвидировав источник мозговых инфекций, путем разработки siRNA, которые смогут отключить бактерии. Например, были разработаны siRNA, которые ингибируют (препятствуют) бактериальной экспрессии коагулазо, фермента, продуцируемого бактерией Стафилококком, сгущающей кровь в инфицированной ткани.

Лечение, предусмотренное командой DARPA, вероятно, будет состоять из дозы частиц в виде жидкой суспензии, вводимой в организм. Затем частицы пассивно транспортируются в крови, попадая из вены, через сердце в артерию, и, в конце концов, в капилляры головного мозга, где они связываются с поверхностными белками на бактериях инфекции головного мозга. Защищая организм, частицы проникнут внутрь клетки и отключат ее. Работа завершена. В конце частицы будут разобраны «домашними» клетками, а составные части (частички кремния и нуклеиновых кислот) переработаны или выведены из организма.

Уже начались клинические испытания наночастиц, предназначенных для лечения рака, ожирения и вирусных инфекций. Получение дополнительных знаний о генетической основе болезни, позволит действовать с большей точностью. Станет возможным воздействовать на гиперактивные жировые клетки при ожирении, на опухолевые клетки при раке, на вирус гепатита В или бактерии при травматических инфекциях мозга.

Возможно, устранение последствий от пуль, прошедших через конечность или мозг, так и останется непреодолимой преградой, но мы приближаемся к будущему, в котором не будет больше необходимости в хирургии, лучевой и химиотерапии или антибиотиках, к будущему, в котором мы сможем воздействовать непосредственно на больные клетки.