2.2. Нанотрубки

Углеродные нанотрубки принадлежат к семейству фуллереновых аллотропных модификаций углерода (Foldvari, Bagonluri, 2008а). Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Существуют две разновидности нанотрубок - однослойные и многослойные. Многослойные нанотрубки обычно имеют больший наружный диаметр (2,5-100 нм), чем однослойные (0,6-2,4 нм). Нанотрубки сочетают в себе высокую жесткость и упругость со способностью к обратимому сгибанию и коллабированию.

Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Принципиально существуют три способа использования нанотрубок для доставки и высвобождения лекарственных веществ (Foldvari, Bagonluri, 2008b). Первый способ заключается в сорбировании активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка (рис. 1). Второй способ предполагает химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок. Наконец, третий способ требует помещения молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубок.

Рис. 1. Варианты использования нанотрубок для транспорта и доставки лекарственных веществ. А - сорбирование вещества в массиве нанотрубок, В - химическое присоединение вещества к функционализированной поверхности нанотрубки, С - помещение вещества в просвет нанотрубки (по Foldvari, Bagonluri, 2008).

Venkatesan et al. (2005) использовали метод адсорбции эритропоэтина на нанотрубки для доставки этого вещества в экспериментах на мышах. Авторами были получены данные об увеличении биодоступности эритропоэтина при использовании нанотрубок в качестве носителей по сравнению с другими носителями.

Важным этапом превращения нанотрубок в эффективный носитель лекарственного вещества является функционализация поверхности нанотрубок, т.е. присоединение к ней химических группировок, играющих роль связующего звена между поверхностью и молекулой лекарственного препарата. Существует несколько методов функционализации. Во-первых, функционализации могут подвергаться дефектные участки стенки нанотрубки. Во-вторых, функционализация может обеспечиваться ковалентным или нековалентным связыванием химических групп с поверхностью интактной стенки. Одним из наиболее широко используемых способов нековалентной функционализации нанотрубок является присоединение к ним молекул полиэтиленгликоля (Каm et al., 2005).

Функционализированные нанотрубки могут служить переносчиками как небольших молекул лекарственных веществ, так и макромолекулярных комплексов. Примером переноса низкомолекулярных препаратов является синтез конъюгата нанотрубок с антимикотическим препаратом амфотерицином В (Wu et al., 2005). Использование такого рода конъюгатов позволило добиться снижения токсичности амфотерицина В и, в то же время, усилить его фунгицидный эффект, направленный против грибов рода Candida.

Большой интерес представляют собой результаты исследований, посвященных переносу с помощью нанотрубок молекул белков и ДНК. В работе Kam et al. (2004) изучалась способность нанотрубок доставлять в клетки белок стрептавидин. Конъюгаты нанотрубок со стрептавидином обеспечивали более выраженную трансфекцию белка внутрь клеток, чем прямая инкубация с данным белком. Согласно данным другой группы исследователей, присоединение к нанотрубкам молекул интерферирующей РНК, направленной против обратной транскриптазы теломеразы, с последующим введением данной конструкции в клетки вызывало эффективное подавление экспрессии гена-мишени (Zhang et al., 2006). Pantarotto et al. (2004) провели успешную трансфекцию плазмиды гена β-галактозидазы в клетки линий HeLa и CHO с помощью функционализированных аммонием нанотрубок. Для трансфекции плазмид, конъюгированных с нанотрубками, в большинстве выполненных к настоящему времени исследований применялась стандартная методика инкубации клеточных культур с соответствующим конъюгатом. Cai et al. (2005) применили принципиально иной вариант доставки, названный ими магнитофекцией. Для этого использовались вертикально уложенные нанотрубки, конъюгированные с плазмидой зеленого флуоресцирующего белка, верхушки которых дополнительно связывались с ферромагнитными наночастицами никеля. Поступление этих конструкций в клетки лимфомы Bal-17 и В-лимфоциты обеспечивалось за счет воздействия внешнего магнитного поля. В результате нанотрубки фактически пронизывали мембрану клеток, проходя в цитоплазму под действием магнитного поля. Интересно, что жизнеспособность клеток при этом не страдала, а эффективность трансфекции была исключительно высокой, поскольку экспрессия гена зеленого флуоресцирующего белка наблюдалась в 100% клеток.

Несмотря на успешное экспериментальное обоснование использования нанотрубок для доставки внутрь клеток различных молекул, многие принципиально важные вопросы относительно механизмов взаимодействия нанотрубок с клетками остаются неясными. Так, например, отсутствует четкое представление о пути проникновения нанотрубок в клетки. При этом одни авторы считают, что нанотрубки поступают в клетку путем эндоцитоза (Kam et al., 2004), а другие рассматривают в качестве возможного механизма диффузию каркаса нанотрубок в билипидном слое (Pantarotto et al., 2004). В последние годы были получены важные данные о возможности использования нанотрубок для доставки в организм антигенов вакцин. В силу хорошей биосовместимости и низкой иммуногенности нанотрубки представляют собой перспективный носитель для вакцин.

Еще один вариант использования нанотрубок в качестве носителей биологически активных веществ основан на помещении активной молекулы в просвет нанотрубки, что превращает последнюю в своеобразный «наноконтейнер». С помощью математического моделирования Shaitan et al. (2006) построили наноструктуру, содержащую в просвете активное вещество (декапептид) и микродозу взрывчатого вещества. После интернализации таких нанотрубок внешний сигнал вызывает активацию взрывчатого вещества, в результате чего происходит деструкция углеродного каркаса нанотрубки и высвобождение содержащегося в ней пептида. В реальности задача помещения активных молекул внутрь нанотрубок осложняется их высокой гидрофобностью и крайне малым внутренним диаметром. Cui et al. (2004) удалось обеспечить инкапсуляцию ДНК, связанной с атомами платины, в нанотрубки с внутренним диаметром 10-12 нм. Однако для достижения этой цели использовалась температура 127°С и давление 3 Бар. Очевидно, что такие условия синтеза могут оказаться неприемлемыми для сохранения функциональной активности большинства биомолекул. Более приемлемым может оказаться использование электрофореза заряженных частиц, содержащих активное вещество. Этот подход обеспечивал эффективное протекание через нанотрубки с внутренним диаметром 1,5 нм взвеси наночастиц, нагруженных одноцепочечной РНК (Yeh, Hummer, 2004).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что нанотрубки представляют собой материал, имеющий множество различных областей применения в наномедицине.

<<< Назад | Читать дальше >>>

Нанотехнологии в биологии и медицине: современное состояние вопроса

Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография под ред. чл.-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. 2009 г.