Нанотехнологии в регенеративной медицине (тканевой инженерии)

РГУ Нефти и Газа имени  И. М. Губкина

Факультет инженерной механики

Кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Физические  основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли» на тему: «Нанотехнологии в регенеративной медицине (тканевой инженерии)»

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Горбачева Д.О.,

ст. гр. ТММ-10-12

Проверил: Ходкевич Д.Д.

 

 

 

 

 

 

Москва

2011 г.

 

Содержание:

 

1. Что такое тканевая инженерия? 3

2. Капилляры для тканевой инженерии 4

3. Нанотехнологии в медицине сегодня 6

3.1  Нанопрепараты в онкологии 7

3.2 Нанопрепараты в неврологии 7

3.3  Нанопрепараты в иммунологии 8

3.4 Наноматериалы 9

3.5 Наночастицы (фуллерены и дендримеры). 9

3.6  Наноинструменты и наноманипуляторы. 13

 

 

1. Что такое тканевая инженерия?

 

Тканевая инженерия, как дисциплина, начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для её основания послужили теоретические и практические разработки по созданию «искусственных» органов и тканей, и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма.

В настоящее время тканевая инженерия является одной из наиболее молодых отраслей в медицине, базирующейся на принципах молекулярной биологии и генной инженерии. Используемый в  ней междисциплинарный подход направлен  в первую очередь на создание новых  биокомпозиционных материалов для  восстановления утраченных функций  отдельных тканей или органов в целом.

Основные принципы данного  подхода заключаются в разработке и применении при имплантации  в поврежденный орган или ткань  носителей из биодеградирующих материалов, которые используются в сочетании либо с донорскими клетками, либо с биоактивными веществами. Например, при лечении раневого процесса – это могут быть коллагеновые покрытия с аллофибробластами, а в сосудистой хирургии – искусственные сосуды с антикоагулянтами. Кроме того, одним из серьезных требований к такого рода материалам-носителям является и то, что они должны обеспечивать надежную поддерживающую, то есть опорную и структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.

Следовательно, одной из основных задач тканевой инженерии  в области лечения костных  патологий является создание искусственных  биокомпозитов, состоящих из ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факторы роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез.

При этом такие биоматериалы должны обладать рядом необходимых свойств кости:

• выполнять и поддерживать объем дефекта;
• обладать остеоидуктивностью, то есть активно побуждать остеобласты и, возможно, другие мезенхимальные клетки к формированию кости;
• иметь хорошие показатели биоинтеграции и биосовместимости, то есть быть деградируемыми и не вызывать у рецепиента воспалительных и иммунных реакций. Последнее качество обычно достигается в биоматериале только за счет снижения его антигенных характеристик.

Совокупность всех этих свойств  позволяет таким биоматериалам  параллельно с опорной, механической функцией, обеспечивать и биоинтеграцию – врастание клеток и сосудов в структуры имплантата с последующим формированием костной ткани.¹

 

2. Капилляры для тканевой инженерии

 

Ученые Университета Райса и Медицинского колледжа Бэйлора разрушили одно из основных препятствий на пути к выращиванию в лабораторных условиях тканей для трансплантации. Они нашли способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры, необходимые для поддержания жизни тканей.

«Невозможность васкуляризации – образования сосудистой сети – в выращенных в лабораторных условиях тканях является главной проблемой сегодняшней регенеративной медицины», – говорит ведущий соавтор статьи, профессор биоинженерии и заведующий кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест. «Если нет кровоснабжения, невозможно получить структуру ткани толще нескольких сотен микрон».

В качестве базового материала  группа исследователей во главе с  Вест и молекулярным физиологом Мэри Дикинсон выбрала полиэтиленгликоль – нетоксичный пластик, широко используемый в медицинских устройствах и пищевой промышленности. Основываясь на 10-летнем опыте работы лаборатории, ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма – сеть белков и полисахаридов, составляющую значительную часть большинства тканей.

Вест, Дикинсон и их коллеги соединили модифицированный полиэтиленгликоль с двумя видами клеток, оба из которых необходимы для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. Пометив оба типа клеток различными флуоресцентными маркерами, ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе мягкого пластичного геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных  сосудов, ученые имплантировали гидрогель  в роговицу глаза мышей, где отсутствует  естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило  существование нормального кровотока  во вновь образовавшихся капиллярах.

Другим ключевым достижением является разработка новой технологии, названной «двухфотонной литографией» – сверхчувствительного метода использования света для создания сложных трехмерных структур в мягких PEG-гидрогелях. Вест считает, что эта технология позволит инженерам осуществлять тонкий контроль над тем, где растут и куда перемещаются клетки. В дальнейших экспериментах, также в сотрудничестве с лабораторией Дикинсон, Вест и ее группа планируют использовать свой метод для выращивания в гелевых матрицах сосудистой сети с заранее определенной, а не случайно сформированной структурой.²

3. Нанотехнологии в медицине сегодня

 

Зачем медицине нанотехнологии? «Поскольку основной объект воздействия современной медицины – это клетка, а зачастую – макромолекулы, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона». Для медицины наноразмеры – это все, что меньше 1 мкм, получается, что это понятие в медицине несколько менее строгое, чем в физике или химии. Важно, чтобы нанообъект проходил через поры капилляров размеров 100-200 нм.

При переходе к этим размерам объект приобретает качественно новые свойства. Именно этим и отличаются лекарственные нанопрепараты. Под этим словом понимают лекарства, молекулы которых упакованы в наноконтейнеры, например, липосомы. В таком «упакованном» виде они поступают в организм, достигают органов и клеток-мишеней, высвобождают лекарство и распадаются на безопасные части, которые организм покидают.

В липосомном виде увеличивается растворимость многих лекарственных веществ, что крайне важно для их действия. Уменьшается токсичность, поскольку действующее вещество защищено липосомной оболочкой. Поэтому лекарство действует только тогда, когда достигает клетки-мишени, никак не раньше, и по пути не деградирует, а доходит в активной форме. Все это позволяет снизить эффективную дозу лекарства, что особенно существенно, например, для онкологических больных, получающих химиотерапию.

В основе прицельной доставки нанопрепаратов к мишеням лежат два основных механизма. Во-первых, они обладают свойством пассивного нацеливания. В районе воспаления в капиллярах расширяются поры, и липосомы проходят как раз через эти поры, то есть, попадают именно туда, куда нужно. Но можно организовать еще и активный транспорт, присоединяя к наночастице "молекулярный адрес" к рецепторам на мембранах клеток-мишеней. Все эти свойства проверены на нанопрепаратах, которые разработаны на кафедре биотехнологии МИТХТ и либо уже применяются, либо проходят испытания.

 

3.1  Нанопрепараты в онкологии

 

В Харькове производят липосомный доксорубицин ("Липодокс") – препарат для химиотерапии рака. Показано, что его липосомная форма действует в несколько раз эффективнее, чем просто раствор.

В препарате бетулиновой кислоты, которая действует против меланомы, липосомная форма существенно повышает растворимость, а еще лучше растворяется вещество в форме нанокристаллов.

 

2. Нанопрепараты в неврологии

 

Разработана и липосомная форма противопаркинсонической субстанции ДОФА. В крови ДОФА быстро деградирует, так что только 20% введенного лекарства достигает гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Липосомы, помимо всего прочего, облегчают прохождение вещества через ГЭБ. При применении липосомной формы ДОФА эффективную дозу можно уменьшить в 10 раз, а продолжительность действия лекарства в два-три раза увеличивается. Липосомы позволяют использовать для лечения дофамин. Это именно то, чего не хватает клеткам мозга при болезни Паркинсона, но без липосом он не оказывает никакого эффекта.

На мышах показано, что при  введении липомосной формы дофамина концентрация его в мозжечке почти достигает уровня здоровых животных.

Еще один нанопрепарат – липосомный баларпан, который восстанавливает роговицу при кератинопатии. На кроликах проверено, что при использовании липосомной формы прочность рубца на зажившей роговице в пять раз больше.

 

3.3  Нанопрепараты в иммунологии

 

Уже существует липосомный препарат из тритерпеноидов бересты. Экстракт березовой коры обладает большим набором биологической активности: антиоксидантной, иммуномодулирующей, антимутагенной и пр. Из этого экстракта изготовили наночастицы, которые взаимодействуют с иммунными клетками.

Разработаны нанопрепараты, два из которых производятся промышленно: Липин (противогипоксический препарат), Лиолив (гепатопротекторный препарат).

Клинические испытания проходят два  противоопухолевых препарата: Цисплатин и Фторурацил.

Начинаются клинические испытания  трех препаратов: Антилипошок (антигеморрагический), Баларпан (ранозаживляющий), Хлорофилипт (противовоспалительный).

Биологические испытания проходят: Аминофосфатид (против гемолитической болезни новорожденных), Бетусом (антимеланомный), Фотосом (противоопухолевый), Рифамицин и Изоцианид (противотуберкулезные).

Наночастицы также могут использоваться, чтобы стимулировать врожденные механизмы регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками.

Одним из направлений быстрого внедрения  достижений медицинских нанотехнологий является интеграция их с новыми клеточными технологиями. Эти технологии заняли важное место в клинической медицине.³

 

3.4 Наноматериалы

 

Наноматериалы – это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близко к ним. В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы, как «свои», и прикрепляются к их поверхности.

В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Представляет интерес и разработка материалов, которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований. Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

 

 

3.5 Наночастицы (фуллерены и дендримеры).

 

Американская компания C-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями.

Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими  и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности – группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной  медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С₆₀. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С₆₀.