3 курс / Фармакология / Интеллектуальные_липидные_наноконтейнеры_в_адресной_доставке_лекарственных

129

часто используется для регуляции свойств частиц, образованных молекулами амфифилов.

Рис.1. Различные молекулярные устройства и лекарственные агенты, которые могут быть прикреплены к поверхности или заключены внутри наноконтейнеров, созданных на основе липосом или мицелл [215,221,1015].

Большое значение имеет в какой области молекулы амфифила происходят изменения. В сильно упрощенном виде можно представить (Рис.2), что уменьшение степени гидрофобности в неполярной области молекулы должно приводить к дестабилизации частиц и, даже, к их разрушению, поскольку гидрофобные силы доминируют в процессах самосборки частиц, а в дальнейшем определяют их стабильность. Напротив, уменьшение величины полярности и приобретение гидрофобных свойств в полярной области молекулы должно приводить к уменьшению гидратированности частиц, что может вызывать их агрегацию и образованию гелей. В некоторых случаях молекулы могут реагировать на несколько разных сигналов, инициирующих комбинацию разных реакций. Например, отдельные частицы могут скапливаться в определенном месте (например, рядом или внутри опухоли) и образовывать гель в ответ на первый сигнал. После этого, в ответ на второй сигнал, проницаемость частиц может увеличиваться, способствуя высвобождению лекарственного вещества.

130

Рис.2. Мицеллярные или бислойные интеллектуальные наноконтейнеры имеют сенсоры, чувствительные к физическим или химическим воздействиям. Сенсоры могут располагаться как в полярной, так и в гидрофобной областях молекулы амфифилов. Уменьшение степени гидрофобности неполярной части (увеличение полярности) может приводить к дестабилизации контейнеров и высвобождению лекарств, а уменьшение степени гидрофильности полярной части и образование гидрофобных « липких» сайтов, может приводить к агрегации частиц и образованию гелей [1014].

132

Глубина проникновения электромагнитных волн вглубь тела в значительной степени зависит от длины волны (Рис.3). Свет с длиной волны > 700 нм проникает приблизительно в 6 – 8 раз глубже, чем свет с длиной волны < 590 нм. Длины волн 650 – 900 нм, называемые ближним инфракрасным светом (NIR – near infrared), могут с успехом использоваться для управления светочувствительными сенсорами в организме, а также для визуализации различных процессов, протекающих во внутренних органах, в том числе, в мозге [1024,1025].

Рис.3. Зависимость глубины проникновения света в кожу крысы от длины волны. Кривая показывает глубину проникновения 5% света от общего количества света соответствующей длины волны, падающего на поверхность кожи [1026].

В последние годы разрабатываются многочисленные хромофоры, поглощающие или флуоресцирующие в инфракрасной области, и создаются новые светочувствительные наноматериалы [1027-1029]. Следует также подчеркнуть, что диапазон NIR совершенно безвреден, а обычно используемая интенсивность облучения не вызывает существенного нагрева объектов [1030]. Напротив, свет с меньшей длиной волны, особенно, в фиолетовой и ультрафиолетовой областях, пригоден только для воздействия на поверхность кожи, т.к. не проникает глубже нескольких миллиметров, в связи с высокой величиной поглощения белками, липидами и водой

[1031].

4.2.1. Фотоокисление

Для высвобождения водорастворимых лекарственных веществ из липосом в ткани или в цитоплазму клеток-мишеней необходимо нарушение барьерных свойств бислоя липидов, образующих липосому. Точно также, необходимо нарушение упаковки молекул в мицеллах для высвобождения их содержимого. Дезагрегация везикул или мицелл может быть инициирована в результате фотохимических процессов, связанных с окислением молекул под действием синглетного кислорода (Рис.4 а). Процессам окис-

133

ления могут способствовать фотосенсибилизаторы, как природного происхождения, так и специально синтезированные для этих целей молекулы. Например, высокой активностью обладают производные порфирина и относящиеся к ним вещества [1032-1034] (Рис.4 б). Исследуются также иные классы молекул, обладающие способностью к фотосенсибилизации, например, хлорины [1035], бактериохлорофилл а [1036] дендримеры фталоцианинов [1037] и другие виды дендримеров и мицеллярных наночастиц [1038].

a)

б)

Рис.4. Фотохимический процесс образования синглетного кислорода (1О2) с участием фотосенсибилизатора [1032]. В результате поглощения энергии фотона (hv) фотосенсибилизатор из основного состояния (ФС) переходит в возбужденное синглетное состояние (1ФС*) после чего конвертируется в возбужденное триплетное состояние (3ФС*) и передает энергию кислороду, переводя его в синглетное состояние (а). Представлена также химическая структура фотосенсибилизаторов (AlPcS2a и TPPS2a), являющихся производными порфирина (б).

Под действием образующихся активных форм кислорода окислению могут подвергаться как собственные липиды, присутствующие в природных мембранах, так и добавленные извне синтетические молекулы, обладающие повышенной способностью к окислению. Например, на основе природных фосфолипидов могут быть созданы фотореактивные липиды,

такие как bis-SorbPC17,17 (Рис.5).

134

Рис.5. Фотореактивный фосфатидилхолин bisSorbPC17,17

Находясь в составе стелз-липосом, покрытых PEG, этот липид не изменяет их проницаемости. Однако, даже кратковременное (в течение нескольких минут) облучение суспензии ультрафиолетовым светом увеличивает проницаемость бислоя в 200 раз [1039]. Имеются также данные об увеличении проницаемости в 28000 раз при правильном подборе липидного состава и облучении ультрафиолетом 254 нм. Исследования показали, что при этом не происходит разрушения фосфолипидного бислоя липосом и образования мицелл. Предполагается, что в бислое образуются дефекты при образовании поперечных сшивок между молекулами bisSorbPC17,17, возникающими под действием облучения в присутствии кислорода. В результате образования поперечных сшивок между молекулами светочувствительного липида происходит быстрое формирование жестких и компактных «сжимающихся» доменов (shrunken domains). Для остального, подвижного липида требуется некоторое время для заполнения вакантных мест и восстановления целостности гидрофобного барьера. В течение указанных трансформаций упаковки липида проницаемость бислоя временно возрастает [1040].

Синглетный кислород способен окислять липиды в области двойных связей, например, в молекуле плазменилхолина происходит разрыв эфирной связи винилплазмалогена, что может приводить к разрушению липосом и образованию мицелл [1036] (Рис.6). Использование бактериохлорофилла а в качестве фотосенсибилизатора позволяло достигать быстрого высвобождения внутреннего содержимого везикул при облучении ИК светом 800 нм. Так, скорость выхода кальцеина из фоточувствительных липосом была на два порядка величин большей, чем в обычных липосомах из яичного лецитина в тех же условиях.

Синглетный кислород обладает высокой реакционной способностью и может окислять многие молекулы в клетке, вызывая повреждения [10411043]. Однако время жизни синглетного кислорода мало (< 0,1 µсек). За такое время он может переместиться в клетке на расстояние 10 – 20 нм и поэтому способен окислять молекулы только в непосредственной близости от фотосенсибилизатора и при достаточно низких концентрациях фотосенсибилизатора не вызывает токсического действия на клетку в целом [1044]. Это позволяет использовать фотосенсибилизаторы для высвобождения веществ из везикул под действием света и разработать метод фо-

135

тохимической интернализации в цитоплазму лекарственных веществ и генетического материала [1032,1033]. При более высоких концентрациях фотосенсибилизатора наблюдается токсический эффект при освещении, что можно использовать для разрушения клеток опухоли.

Рис. 6. Структурные изменения в упаковке липидов, возникающие благодаря отщеплению одной гидрофобной углеводородной цепи в молекуле плазменилхолина при окислении синглетным кислородом.

4.2.2. Фотохимическая интернализация веществ

Метод фотохимической интернализации веществ в цитоплазму (PCI – photochemical internalization) разработан для преодоления одного из главных препятствий на пути доставки лекарств в цитоплазму. Как известно, в результате рецептор-зависимого эндоцитоза или макропиноцитоза вещества проникают в эндосомы и доставляются в лизосомальный компартмент, где происходит их разрушение. Поэтому, для доставки веществ в цитоплазму необходимо создать условия, способствующие их высвобождению до того, как они попадут в лизосомы [1045-1048].

Для осуществления процесса фотохимической интернализации плазматическая мембрана клеток должна содержать молекулы фотосенсибилизатора (Рис.7). Способ доставки фотосенсибилизатора зависит от его физико-химической природы и может осуществляться путем эндоцитоза или транспортировки через плазматичекую мембрану и накопления в различных отделах цитоплазмы [1049-1051]. Так, например, амфифильные фотосенсибилизаторы AlPcS2a и TPPS2a, упомянутые выше, сначала внедряются в плазматическую мембрану, а затем накапливаются в мембранах эндосом и лизосом [1052]. При этом было показано, что молекулы фотосенсибилизатора способны самостоятельно проникать в фосфолипидный бислой [1053].

136

Рис.7. Использование фотохимической интернализации для свотозависимой доставки веществ в цитоплазму. Плазматичекая мем-

брана клетки содержит

фотосенсибилизатор (ФС), изображенный виде звездочек. Лекарственное вещество (Лек) до-

бавляется в окружающую среду

клетки, после чего попадает в эн-

досомы (Энд) благодаря эндоцитозу. Под действием света происходит активация фотосенсибили-

затора, что приводит к фотохимическому повреждению эндосом и высвобождению лекар-

ства в цитоплазму.

Присутствие фотосенсибилизаторов в мембранах клетки может производить цитотоксический эффект, особенно при активации фотохимического окисления под действием света, а также высвобождения лизосомальных ферментов в цитоплазму [1052,1053]. Этот эффект можно использовать для разрушения опухолевых клеток посредством фотодинамической терапии [1054-1056]. Однако при менее интенсивной обработке, цитотоксический эффект можно минимизировать, что позволяет использовать фотосенсибилизаторы для осуществления доставки в цитоплазму молекул разного размера посредством фотохимической интернализации [1032,1033,1057-1059]. Таким способом можно доставлять противоопухолевые лекарства, например блеомицин [1060], камптотецин [1061], доксорубицин [1062,1063], сапорин [1064-1066]. Много исследований посвящено фотохимичской интернализации генетического материала, включая плазмидную ДНК [1067] и короткую интерференционную РНК [1047,1068-1070]. Примечательно, что фотохимическая интернализация способствует улучшению проникновения в цитоплазму даже вирусных частиц, используемых в генной терапии [1071]. Улучшение доставки наблюдается также для комплексов ДНК и специализированных пептидов, обладающих способностью проникать в цитоплазму [1072-

1074].

4.2.3. Хромофоры светочувствительных липидов

В состав светочувствительных наночастиц могут входить молекулы, содержащие хромофоры, ответственные за восприятие частицами света и реакцию на освещение, осуществляемую благодаря конформационным изменениям молекул. К числу таких хромофоров относятся азобензол, пирен, нитробензол [1014] и другие. Так, группы азобензола, циннамоила, и спиробензопирана под действием света способны изменять величину по-