Нанофармакология. Биохимические основы, достижения и перспективы

1. Нанофармакология: биохимические основы, достижения и перспективы.

2. СТРУКТУРА УЧЕБНОГО СОДЕРЖАНИЯ

1.
Определение
2.
Общие принципы направленной доставки лекарственных
препаратов
3.
Направленная доставка в миокард
4.
Наночастицы кремнезема
4.1. Влияние наночастиц кремнезема на гемодинамические
и биохимические параметры
4.2. Биораспределение наночастиц кремнезема
4.3. Вопросы безопасности наночастиц кремнезема
5.
Направленная доставка в миокард с помощью наночастиц
кремнезема
6.
Направленная доставка с помощью магнитных наночастиц
7.
Дилемма направленной доставки препаратов

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

4. Определение

Нанофармакология - раздел фармакологии, изучающий механизмы
действия, биологические эффекты и фармакокинетику нанолекарств

5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ НАПРАВЛЕННОЙ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

6. Эффект направленной доставки

Системное введение
лекарственного препарата
Направленная доставка
лекарственного препарата
Органмишень
Большой объем
распределения лекарства
Уменьшение объема
распределения лекарства
воздействие на системные
механизмы заболевания
направленная доставка

7. Преимущества направленной доставки

Направленная доставка лекарственных препаратов с
наночастиц имеет целый ряд существенный преимуществ:
помощью
Уменьшение объема распределения препаратов;
Снижение системной токсичности препаратов;
Повышение растворимости гидрофобных препаратов;
Повышение
стабильности
олигонуклеотиды);
Улучшение биосовместимости.
препаратов
(белки,
пептиды,

8. Пассивный и активный механизмы направленной доставки

Пассивный механизм
Активный (таргетный) механизм
Молекула-вставка
(«спейсер»)
Направляющий
лиганд («якорь»)
Лекарственный
препарат
Наночастица
Наночастицы с лекарством выходят за пределы сосудистого русла
преимущественно в зонах повышенной проницаемости сосудов
Наночастица
Накопление
наночастиц
с
лекарством в зоне интереса за
счет специфического связывания
лиганда и маркера повреждения

9. Пассивная направленная доставка

Ключевую роль в пассивной направленной доставке лекарственных
препаратов играет повышенная проницаемость микрососудов
(Matsumura Y., Maeda H., 1986), например, опухолевых.

10. Основные типы направляющих лигандов для таргетной доставки лекарств

Моноклональные антитела
Антиген-распознающие
фрагменты
(Fab-фрагменты, одноцепочечные вариабельные
наносомы)
Аптамеры (олигонуклеотиды)
Пептиды
Низкомолекулярные соединения (фолиевая кислота)
антител
фрагменты,

11. Примеры активной направленной доставки

Доставка
упакованного
в
липосомы
сосудистого
эндотелиального фактора роста (VEGF) за счет присоединения к
поверхности
липосом
моноклональных
антител
против
Р-селектина
Доставка в миокард АТФ с помощью липосом, имеющих на
своей поверхности моноклональные антитела против миозина

12. Примеры бифункциональных наночастиц для диагностики и терапии опухолей

13. Направленная доставка в онкологии: текущие клинические исследования

Соединение
Название
Показания
Статус
Липосомальный цисплатин
SPI-77
Рак легкого
Фаза II
ThermoDox
Рак молочной
железы, рак
печени
Фаза I
Nanoplatin
Различные
злокачественные
опухоли
Фаза I
Доксорубицин-содержащие
полимерные мицеллы
NK911
Различные
злокачественные
опухоли
Фаза I
Конъюгаты полиглутамата и
паклитаксела
Xyotax
Рак легкого, рак
яичника
Фаза III
Альбумин-метотрексат
MTX-HSA
Рак почки
Фаза II
Термочувствительный
липосомальный
доксорубицин
Цисплатин-содержащие
полимерные мицеллы

14. НАПРАВЛЕННАЯ ДОСТАВКА В МИОКАРД

15. Пассивная направленная доставка в поврежденный миокард

Протокол и результаты первого опубликованного исследования пассивной
направленной доставки в миокард после ишемии (Takahama H. et al., 2009)
В/в инфузия
аденозина
Размер
инфаркта
Контроль
В/в инфузия липосом (134 нм)
с аденозином
Ишемия 30 мин.
Реперфузия 180 мин.
Введение липосомального аденозина сопровождалось:
Накоплением липосом в зоне риска (область некроза
и пограничная зона);
Менее выраженными побочными гемодинамическими
эффектами;
Более
эффектом
выраженным
инфаркт-лимитирующим
Липосомы

16. Патологические изменения в ишемизированном миокарде

Обратимое повреждение
Норма
Аннексин V
Специфическое связывание
аннексина V с сарколеммой
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Сарколемма
Ишемия/реперфузия
Транслокация
фосфатидилсерина
Цитоплазма
Цитоплазма

17. Предпосылки к активной направленной доставки в ишемизированный миокард

В исследовании Ohnishi S. et al., 2006:
Был синтезирован конъюгат аннексина V с
молекулой-флуорофором
Конъюгат
аннексина V
с флуорофором
Была разработана модель регионарной
ишемии/реперфузии миокарда у собак
Флуоресценция конъюгата аннексина V была
оценена спустя 30 минут после его
внутривенного введения животным
Видимый свет
ИК излучение (800 нм)
Совмещение

18. Алгоритм активной направленной доставки препаратов в миокард

2
1
Наночастица
Привитые
органические
«спейсеры»
Транслокация
фосфатидилсерина
Связывание молекулы
препарата с
функциональными группами
(н-р, NH2)
Связывание
аннексина V с
поверхностью наночастицы
Специфическое
связывание
Кардиомиоцит
(зона ишемии)
3
4
Внутривенное
введение

19. НАНОЧАСТИЦЫ КРЕМНЕЗЕМА

20. Наночастицы кремнезема

Морфологию наночастиц кремнезема (НЧК) можно исследовать с
помощью просвечивающей электронной микроскопии:
удельная поверхность наночастиц кремнезема - 600-700 м2/г
диаметр наночастиц кремнезема - 7-20 нм

21. 1. Влияние наночастиц кремнезема на гемодинамические и биохимические параметры

22. Влияние наночастиц кремнезема на артериальное давление

Контроль
В исследовании Galagudza
M. et al., 2010 установлено,
что внутривенное введение
суспензий углеродных и
кремнеземных
наночастиц
животным
не
оказывает
существенного влияния на
гемодинамические
показатели, что косвенно
свидетельствует о хорошей
биосовместимости
использованных носителей.
НЧ SiO2
НЧ SiO2 + флуоресцеин
Углеродные НЧ

23. Влияние наночастиц кремнезема на уровень креатинина

Результаты оценки влияния внутривенной инфузии наночастиц
кремнезема на уровень креатинина в плазме крови животных:
80
5 сут.
Креатинин, мкмоль/л
70
60
21 сут.
3 часа
50
40
30
20
К – контроль
НЧК – наночастицы кремнезема
10
0
К
НЧК
К
НЧК
К
НЧК

24. Влияние наночастиц кремнезема на уровень аланинаминотрасферазы

Результаты оценки влияния внутривенной инфузии наночастиц
кремнезема на уровень аланинаминотрасферазы в плазме крови
животных:
3 часа
120
5 сут.
АЛТ, МЕ/л
100
21сут.
80
60
40
20
0
К – контроль
НЧК – наночастицы кремнезема
К
НЧК
К
НЧК
К
НЧК

25. Влияние наночастиц кремнезема на уровень щелочной фосфатазы

Результаты оценки влияния внутривенной инфузии наночастиц
кремнезема на уровень щелочной фосфатазы в плазме крови
животных:
Щелочная фосфатаза, МЕ/л
3 часа
5 сут.
21сут.
500
400
300
200
100
0
К – контроль
НЧК – наночастицы кремнезема
К
НЧК
К
НЧК
К
НЧК

26. Влияние наночастиц кремнезема на уровень общего билирубина

Общий билирубин, мкмоль/л
Результаты оценки влияния внутривенной инфузии наночастиц
кремнезема на уровень общего билирубина в плазме крови животных:
15
3 часа
5 сут.
21сут.
10
К – контроль
НЧК – наночастицы
кремнезема
5
0
К
НЧК
К
НЧК
К
НЧК

27. 2. Биораспределение наночастиц кремнезема

28. Биораспределение наночастиц кремнезема

Для оценки биораспределения наночастицы
кремнезема конъюгировались с флуоресцентным
красителем флуоресцеином (λmax адсорбции = 494 нм)
НЧК-флуоресцеин
400
Флуоресценция,
усл. ед.
Печень
Контроль
300
Контроль
Флуоресцеин
200
100
0
Флуоресценция,
усл. ед.
Сердце
400
300
200
100
0
Контроль
Флуоресцеин

29. Биораспределение наночастиц кремнезема с флуоресцеином

Естественное
биораспределение
наночастиц
кремнезема,
модифицированных кремнеземом через 30 минут после внутривенного
введения оценивалось методом оптической флуоресценции:
50
Прирост интенсивности флуоресценции, G%
40
30
20
10
0
Легкое
Печень Селезенка
Почка
Сердце
Головной
мозг

30. Биораспределение наночастиц кремнезема с кардиогрином

Для
оценки
биораспределения
наночастицы кремния конъюгировались
с
флуоресцентным
красителем
кардиогрином (λ max адсорбции = 780 нм)
Контроль
НЧК-Кардиогрин
1400
Флуоресценция,
усл. ед.
Печень
1200
Контроль
Кардиогрин
1000
800
600
400
200
0
Флуоресценция,
усл. ед.
Сердце
500
400
300
200
100
0
Контроль
Кардиогрин

31. 3. Вопросы безопасности наночастиц кремнезема

32. Вопросы безопасности наночастиц кремнезема

Так как экспериментальные исследования показали, что
наночастицы кремнезема способны неселективно накапливаться в
различных органах, необходимо было выяснить:
не может ли накопление наночастиц кремнезема вызывать
какие-либо побочные эффекты
способны ли наночастицы кремнезема
организме и выводиться из него
деградировать
в
Иными словами был поставлен вопрос о биосовместимости и
биодеградируемости наночастиц кремнезема.

33. Схема распада наночастиц кремнезема в организме

H2SiO3
H2SiO4
Наночастица
SiO2
Эрозия
поверхности
Кремниевые
кислоты
Циркуляция с
кровью в
растворенном
виде
Эндоцитоз наночастиц кремнезема SiO2
клетками линии HeLa
Экскреция с
мочой

34. Биодеградация наночастиц кремнезема

Было определено содержание кремния в печени животных в разные
сроки после внутривенного введения наночастиц кремнезема
до введения
наночастиц
кремнезема

35. Биораспределение наночастиц кремнезема

Анализ биораспределения наночастиц
кремнезема был проведен с помощью
сканирующей электронной микроскопии и
энергодисперсионной спектроскопии
Гепатоцит

36. Влияние наночастиц кремнезема на печень

3 ч после введения НЧК.
Вне- и внутриклеточная
локализация агрегатов
НЧК (стрелки).
21 день после введения НЧК.
Формирование
единичных
гранулем инородных тел.
21 день после введения НЧК.
Формирование «слепков» из агрегатов НЧК, предположительно, в желчных ходах (стрелки).

37. НАПРАВЛЕННАЯ ДОСТАВКА В МИОКАРД С ПОМОЩЬЮ НАНОЧАСТИЦ КРЕМНЕЗЕМА

38. Эффект иммобилизации аденозина на поверхности наночастиц кремнезема

Зона риска, зона некроза, %
Было показано, что адсорбционная иммобилизация на поверхности
наночастиц кремнезема сопровождается достоверным усилением
инфаркт-лимитирующего эффекта аденозина.
80
Анатомическая зона риска, %
Размер инфаркта, %
70
60
50
40
30
20
10
0
Контроль
АДН
АДН+НЧК

39. Уменьшение гипотензивного эффекта аденозина при его иммобилизации на НЧК

АД, мм рт. ст.
Исходно
5 мин.
инфузии
10 мин.
инфузии
5 мин.
после
10 мин.
после
Аденозин
Аденозин+НЧК
125±12
131±8
82±7
108±14*
85±9
113±11*
128±5
134±12
119±13
130±10
* - p<0.05 в сравнении со свободным аденозином
Репрезентативная запись АД, демонстрирующая различный уровень
снижения АД под действием свободного и связанного аденозина:
250
0
Исходно
10 мин. в/в
аденозин в дозе
300 мкг/кг×мин
Без
инфузии
10 мин в/в
аденозин+НЧК
300 мкг/кг×мин
Без
инфузии
10 мин. в/в
аденозин в дозе
300 мкг/кг×мин

40. Направленная доставка препаратов в миокард с помощью наночастиц кремнезема

Было
показано,
что
содержание кремния в зоне
повреждения миокарда существенно выше, чем в неповрежденном
миокарде.
Это
позволяет говорить о том, что
эффект
пассивной
направленной доставки с помощью
наночастиц
может
быть
реализован
при
ишемииреперфузии миокарда.
В/в инфузия 1 мл
НЧК (10 мин)
Ишемия 30 мин
Забор
органов
Реперфузия 60 мин
250
Содержание кремния, мкг/г
Для
проверки
гипотезы
направленной
доставки
с
помощью НЧК оценивалось
биораспределение наночастиц у
интактных животных и животных
с ишемией-реперфузией миокарда.
200
Сердц
е
150
100
50
0
Контроль
НЧК
ИР+НЧК

41. Препараты для доставки в обратимо поврежденный миокард

Для направленной доставки в миокард могут использоваться
различные кардиопротективные и ангиогенные препараты: «миметики»
прекондиционирования, активаторы тирозинкиназных рецепторов
(факторы роста), влияние на сигнальный путь оксида азота.
Точка приложения
Примеры активаторов
G-белок-сопряженные
рецепторы
Брадикинин, опиоиды, аденозин или
синтетические агонисты
соответствующих рецепторов
Тирозинкиназные рецепторы
Инсулин, инсулиноподобный фактор
роста-1, трансформирующий фактор
роста-β1, эритропоэтин, сосудистый
эндотелиальный фактор роста, …
Сигнальный путь оксида азота
(NO/цГМФ/ПКГ)
Аторвастатин, предсердный
натрийуретический пептид, …
Стимуляция прочих
внутриклеточных мишеней
Изофлюран, эстрогены, …

42. НАПРАВЛЕННАЯ ДОСТАВКА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ

43. Направленная доставка препаратов с помощью магнитных наночастиц

Проблема адресной доставки лекарственных препаратов с
противоишемическим и ангиогенным эффектами при хронической
ишемии нижних конечностей может быть решена путем аккумуляции в
ишемизированной мышце нанодисперсных железосодержащих матриц
под действием внешнего магнитного поля.
В результате применения такого подхода происходит:
накопление нагруженных препаратом наночастиц в зоне ишемии
высвобождение
частицы
препарата
в
ходе
биодеградации
покрытия

44. Алгоритм направленной доставки препаратов с помощью магнитных наночастиц

Носитель
1
Создание
Fe-содержащего
покрытия
Прививка
«спейсеров»
Ковалентное
связывание препарата
3
2
Внутривенное
введение
4
6
5
Ишемизированная мышечная
ткань
Помещение
ишемизированной
ткани в
электромагнитное
поле

45. Примеры структур магнитных наночастиц

Наночастицы магнетита (оксида железа) – простейший пример из
класса МНЧ. Возможно синтезировать биоксидные наночастицы,
состоящие из ядра, представленного оксидом циркония, и оболочки из
магнетита. Дальнейшая адсорбция лекарственного препарата на
поверхности такой частицы, и добавление поверхностно-активного
вещества
позволяют
обеспечить
направленную
доставку
лекарственных препаратов.
15-20nm
5-10nm
5-10nm
Магнетит
Fe3O4
ZrO2
ZrO2
Fe3O4
Fe3O4
Действующее вещество
Поверхностно-активное вещество

46. ДИЛЕММА НАПРАВЛЕННОЙ ДОСТАВКИ ПРЕПАРАТОВ

47. Дилемма направленной доставки препаратов

Одной из главных дилемм при разработке систем направленной
доставки лекарственных препаратов внутрь клетки является выбор
химической природы наночастиц: гидрофильной или гидрофобной.
Просвет сосуда
(плазма крови)
Интерстиций
Плазмалемма
Цитоплазма
Ядро
Водная среда
(гидрофильность)
Билипидный слой
(гидрофобность)
Водная среда
(гидрофильность)