Углеродные нанотрубки в наблюдении и лечении
Нанотрубки могут быть одно- и многостенными, и сейчас производятся в достаточном количестве для различных коммерческих применений. Их диаметр изменяется в нанометровом диапазоне, а длина может достигать нескольких микрон. В биоприменении первой проблемой была их нерастворимость в большинстве растворителей, а особенно в биологически совместимых буферах. Для совместимости нанотрубок с биологической средой было предпринято множество исследований. Двумя основными методиками являются нековалентное присоединение на нанотрубки амфифильных молекул (липидов или полимеров), а также ковалентное модифицирование поверхности нанотрубок путем пришивания различных групп непосредственно к углеродному скелету.
На Рис. 1 показано, какие типы нанотрубок были изучены в биологических применениях с использованием моделей invivo. Три показанные группы обладают различной структурой и поверхностью, что сильно влияет на их биоактивность. Исходные нанотрубки (Рис. 1а) уже являются прототипами, но сложны для использования в биологии, поскольку они плохо растворимы в водных растворах и имеют сильную склонность к агрегации. Интересно, что исходные нанотрубки - в основном, плохо растворимые в водных растворах, - были первыми, использовавшимися почти во всех токсикологических исследованиях. Их растворимость была существенно повышена при нанесении на поверхность нанотрубки амфифильных макромолекул, например, коньюгата липид-ПЭГ (Рис. 1b), сополимеров, ПАВ (Рис. 1с) и даже односпиральной ДНК (Рис. 1d). Ковалентно модифицированные нанотрубки, используемые в биомедицинских целях, изготовлены из исходного материала с поверхностью, модифицированной либо по реакции циклоприсоединения для пришивания аммонийных групп (Рис. 1е), либо обработкой сильной кислотой для образования карбоксильных групп (Рис. 1f). Оба способа химической обработки существенно улучшают растворимость в воде, а также предоставляют основу для дальнейшей модификации. После проведения всех исследований в этой области становится ясно, что степень агрегации нанотрубок в биологической среде играет важную роль при применении в фармацевтике.
Уроки, извлеченные из доклинических исследований
Все эксперименты с нантрубкамиinvivo, известных на сегодняшний день, использовали один из способов, описанных выше (Рис. 1), а доклинические испытания в основном были сконцентрированы на онкологии, что делает рак одним из первых заболеваний, на которые будут получены, вероятно, первые клинические результаты. Нанотрубки обладают рядом преимуществ для терапии рака. Например, ковалентно модифицированные нанотрубки способны избегать предосматической области, попадая сразу в цитоплазмы разных типов клеток. Более того, их уникальные физические свойства допускают эффективную электромагнитную стимуляцию и высокоточное детектирование. Большая площадь поверхности и наличие внутреннего объема допускают "загрузку" лекарств и других мелких молекул. Нанотрубки можно использовать для предотвращения роста опухоли в рамках использования химиотерапии и гипертермии. Также invivo было изученное направленное лечение опухолей с использованием как нековалентно, так и ковалентно модифицированных нанотрубок. Несмотря на достигнутые результаты, однако, результаты сравнения с другими агентами с доказанной биологической эффективностью отсутствуют. Все опубликованные на сегодняшний день исследования в этой области классифицированы в Табл. 1.
Первыми покрытие поверхности нанотрубок полимерами предложила группа Даи, они же затем и изучали их активность против рака. Периферийный конец ПГ обычно используется для связывания других молекул, например, целевых агентов, радионуклеидов, лекарств. Лечение опухолей может проводиться с использованием нанотрубок с нанесенным коньюгатомнанотрубка-ПЭГ-RGD (пептид аргинин-глицин-аспатртам), а наблюдение велось с помощью Раман - спектроскопии. Терапевтический эффект был исследован с использованием лекарственного препарата Paclitaxel, прикрепленного к концу RGD цепи, но прямое сопоставление полученных результатов с утвержденными средствами (например, с Doxil) еще предстоит провести.
Еще одним способом применения нанотрубок для борьбы с раком является их способность превращать энергию электромагнитного поля в тепло. Гипертермия на основе нанотрубок при радиоволновой активации была проведена с использованием нанотрубок, покрытых Kentera (полимер, основанный на полифенилен - этинилене).
Химическая модификация нанотрубок предполагает, что после дальнейшей модификации терапевтическими агентами функциональные группы остаются жестко закрепленными на углеродном каркасе. В Табл. 1 представлены терапевтические модели, в которых сравниваются ковалентно и нековалентно модифицированные нанотрубки.
Использование нанотрубок в медицине, о котором впервые заговорили несколько лет назад, уже привело к некоторым результатам invivo. В ближайшее время ожидаются новые результаты, ориентированные на лечение конкретных заболеваний. Есть и другие медицинские области применение, развитие которых только началось – в основном, инженерия (электроды для неврологии), ортопедические и зубные имплантаты, биосенсоры – которые лежат за пределами рассмотрении этой статьи. Такие применения, особенно те, которые не будут непосредственно контактировать с живыми организмами, могут быть разработаны быстрее.