Наномедицина — медицинское применение нанотехнологийNanomedicine, Volume I: Basic Capabilities , by Robert Freitas. 1999, ISBN 1-57059-645-X и связанных с ними исследованиями.
Наномедицина в основном применяется в трёх областях медицины: нанодиагностике, нанотерапии (целевой доставке лекарств) и регенеративной медицине.
История наномедицины Определение наномедицины сформулировал аналитик института IMM Роберт Фрайтас, согласно ему «наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием искусственных наночастиц и наноустройств».
Фактически наномедицина берет своё начало с использования коллоидного золота в древние времена. Самые первые упоминания об исследованиях на уровне атомов встречаются в работах Исаака Ньютона, который допускал что в будущем микроскопы позволят наблюдать «тайны корпускул». Но современными пионерами в области наномедицины стали лауреаты Нобелевской премии 1908 года Мечников и Эрлих за их работы по фагоцитозу и клеточно-специфической диагностике и терапии.
История развития наномедицины тесно связана с развитием нанотехнологии. В начале XX века с созданием сканирующего электронного микроскопа открылась возможность практического исследования структур на наноуровне. В 1959 году Ричард Фейнман в лекции «Внизу полным-полно места» предложил концепцию атомарной сборки, предсказав возможность манипуляции отдельными атомами для создания наноустройств, заложив теоретическую основу нанотехнологий.
Позже одним из важных достижений в этой области стало открытие в 1960-х годах липосом Алеком Бэнгхэмом. Их способность инкапсулировать активные вещества значительно улучшила целевую доставку лекарств, что стало основой для дальнейших исследований в области терапии генетических заболеваний и рака.
В 1974 году японским ученым Норио Танигути впервые было введен сам термин «нанотехнология». В том же году начались первые разработки в области биомолекулярной электроники, ученые Ари Авирам и Марк Ратнер предложили в качестве элементарной базы электронных устройств использовать отдельные молекулы. На базе этих разработок уже созданы молекулярные нанопровода на основе ДНК.
Наномедицина стремится предоставить значительный набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств в ближайшем будущем. ожидает новые коммерческие применения в фармацевтической индустрии, которые могут включать продвинутые системы доставки лекарств, новые формы терапии и получение изображений in vivo.Nanotechnology in Medicine and the Biosciences, by Coombs RRH, Robinson DW. 1996, ISBN 2-88449-080-9 Нейроэлектронные интерфейсы и другие наноэлектронные сенсоры — это другая активная цель для исследований.
В 1986 году американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания» описал основные методы лечения и диагностики на основе нанотехнологий, и представил концепцию создания специальных медицинских нанороботов — «молекулярных машин» для ремонта клеток. Медицинские нанороботы должны уметь диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и лимфатических системах человека и перемещаясь во внутренних органах, доставлять лекарства к поражённой области и даже проводить хирургические операции. Дрекслер также предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионикиМашины создания: Грядущая эра нанотехнологии, by K.Eric Drexler. 1986, ISBN 0-385-19973-2.
В 1988 году канадский математик А. К. Дьюдни представил концепцию наноробота для чистки кровеносных сосудов.
Важным этапом было появление тесно связанной с нанотехнологиями супрамолекулярной химии, предоставляющей фундаментальные принципы и инструменты для создания критически важных в медицине функциональных наноструктур.
В 1997 была основана первая компания в области молекулярных нанотехнологий - Zyvex.
Уже в 2004 году наномедицина была крупной отраслью, в которой продажи достигли $6,8 млрд.. Объём мирового рынка наномедицины в 2016 году оценивался уже $138,8 млрд., по прогнозам в 2024 году объём рынка достигнет $334 млрд.
Медицинское использование наноматериалов Две формы наномедицины уже протестированы на мышах и ожидают испытаний на людях. Это использование золотых нанокапсул, которые помогают диагностировать и лечить рак, и использование липосом как вспомогательного средства для вакцин в качестве транспорта для лекарств.Nanospectra Biosciences, Inc. — Publications (http://www.nanospectra.com/clinicians/spublications.html )Mozafari, M.R. (ed), (2006) Nanocarrier Technologies: Frontiers of Nanotherapy (Chapters 1 and 2) pages 10-11, 25-34 Аналогично, избавление от токсичности лекарств — это другое применение наномедицины, которое показало многообещающие результаты на крысах. Польза от использования наноразмеров в медицинских технологиях состоит в том, что меньшие устройства менее инвазивны, и их можно имплантировать внутрь тела, кроме того значительно меньше времени занимают биохимические реакции. Эти устройства быстрее и чувствительнее, чем типичные средства доставки лекарств.Boisseau, P.; Loubaton, B. (2011). «Nanomedicine, nanotechnology in medicine». Comptes Rendus Physique 12 (7): 620. DOI:10.1016/j.crhy.2011.06.001 Продвижения в липидной нанотехнологии также используются в инженерии медицинских наноустройств и новых систем доставки лекарств, и в разработке медицинских сенсоров..
Доставка лекарств Нанотехнология обеспечила возможность доставки лекарств к определённым клеткам с помощью наночастиц. Общий объём потребления лекарства и побочные эффекты могут быть значительно снижены с помощью размещения активного агента только в больном регионе, и в дозе не большей, чем требуется. Этот выборочный метод может снизить стоимость лечения и страдания людей. В качестве примера можно привести дендримеры и нанопористые материалы. Другой пример — это использование ко-полимеров, которые формируют мицеллы для инкапсуляции лекарствUniversity of Waterloo, Nanotechnology in Targeted Cancer Therapy, https://www.youtube.com/watch?v=RBjWwlnq3cA 15 January 2010. Они могут хранить маленькие молекулы лекарств и транспортировать их к желаемому месту. Другое видение проблемы базируется на маленьких электромеханических системах; наноэлектромеханические системы исследуются для активного высвобождения лекарств. Потенциально важные применения включают лечение рака с помощью наночастиц железа или золотых капсул. Целенаправленная или персонализированная медицина предназначена для уменьшения потребления лекарств и стоимости лечения, что в результате даёт общественную пользу, снижая затраты на здравоохранение.
Наномедицинские подходы к доставке лекарств основываются на разработке наночастиц или молекул, улучшающих биодоступность лекарств. Биодоступность означает наличие молекул лекарства там, где они нужны внутри тела и там, где они действуют лучше всего. Доставка лекарств фокусируется на максимизации биодоступности в специфических местах тела, а также в течение определённого периода времени. Это потенциально может быть достигнуто молекулярным нацеливанием наноинженерными устройствами. Это всё предполагает нацеливание на молекулы и доставку лекарств с точностью до клетки. Получение изображений in vivo — ещё одна область, для которой разрабатываются инструменты и устройства. С использованием наночастиц как контрастных агентов, изображения, получаемые, например, ультразвуком и МРТ, имеют желаемое распределение и улучшенную контрастность. Новые методы, связанные с разрабатываемыми наноинженерными материалами, могут быть эффективны в лечении болезней, таких как рак. То, что наноисследователи могут достичь в будущем, пока находится за пределами воображения. Могут появиться самособирающиеся биосовместимые наноустройства, которые будут обнаруживать, оценивать, лечить и сообщать результат врачу автоматически.
Системы доставки лекарств, липидные или полимерные наночастицы могут быть разработаны для улучшения фармакологических и терапевтических свойств лекарств. Сила систем доставки лекарств заключается в их возможности менять фармакокинетику и лекарства. Тем не менее, фармакокинетика и фармакодинамика наномедицины сильно различается для разных пациентов. Разработанные для обхода механизмов защиты организма, наночастицы имеют хорошие свойства, которые могут улучшить доставку лекарств. Там, где большие частицы могут удаляться из тела, клетки принимают наночастицы из-за их размера. Разрабатываются сложные механизмы доставки лекарств, включая возможности доставлять лекарства сквозь клеточную мембрану в цитоплазму. Эффективность важна, поскольку многие заболевания зависят от процессов в клетке и могут быть остановлены только лекарствами, проникающими в клетку. Стимулированный ответ — это одна из возможностей более эффективно использовать молекулы лекарств. Лекарства помещаются в тело и активируются только по специфическому сигналу. Например, лекарство с плохой растворимостью будет замещено системой доставки лекарств, в которой присутствуют гидрофильные и гидрофобные компоненты, что улучшает растворимость. Также лекарство может вызывать повреждение тканей, но с помощью системы доставки регулируемый выпуск лекарства может решить проблему. Если лекарство слишком быстро удаляется из тела, это может требовать от пациента принимать большие дозы, но с системой доставки лекарства удаление может быть уменьшено с помощью смены фармакокинетики лекарства. Плохое биораспределение — это проблема, которая может затронуть нормальные ткани из-за распределения лекарства по всему организму, но аэрозоли систем доставки лекарств могут уменьшить распределение и снизить воздействие на нецелевые ткани. Потенциальные нанолекарства будут работать по очень специфическим и хорошо понятным механизмам; одним из главных направлений нанотехнологии и нанонауки будет разработка совершенно новых лекарств с более полезным поведением и меньшими побочными эффектами.
Наночастицы — это многообещающие инструменты для продвинутой доставки лекарств, медицинской съёмки и для использования в качестве диагностических сенсоров. Тем не менее, биораспределение этих наночастиц всё ещё несовершенно из-за сложных реакций тела на нано- и микроразмерные материалы и сложности нацеливания на специфические органы тела. Всё же, много работы ещё предстоит сделать, чтобы оптимизировать и лучше понять потенциал и ограничения систем наночастиц. Например, текущее исследование выделительных систем мыши показало возможности золотых композитов выборочно воздействовать на определённые органы в зависимости от их размера и заряда. Эти композиты инкапсулированы в дендример и подогнаны под специфический заряд и размер. Положительно заряженные золотые наночастицы попадали в почки, а отрицательно заряженные — в печень и селезёнку. Утверждается, что положительный заряд наночастиц уменьшает частоту опсонизации наночастиц в печени, что воздействует на выделительный путь. Даже частицы относительного размера порядка 5 нм, хотя, эти частицы могут осесть в периферийных тканях, и следовательно будут накапливаться в теле с течением времени. Когда дальнейшие исследования докажут, что нацеливание и распределение могут быть улучшены наночастицами, опасности нанотоксичности станут важным шагом к дальнейшему пониманию их медицинского использования.
Применения и известные научные исследования , утверждённый FDA для лечения рака груди и рака лёгких, — это наночастица альбумина, связанная с паклитакселом. был изначально одобрен FDA для использования на связанной с ВИЧ с саркомой Капоши. Сейчас он также используется для лечения рака яичников и многих миелом. Лекарство заключено в липосомах, что помогает продлить жизнь распределяемого лекарства. Липосомы — самособирающиеся сферические закрытые коллоидальные структуры, состоящие из двойных липидных слоёв, которые окружает жидкость. Липосомы также улучшают функциональность и помогают уменьшить ущерб, который лекарство наносит сердечным мышцам.