Главный редактор: академик РАРАН, член-корреспондент РАМН Н.Н.Каркищенко
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Главный редактор: академик РАРАН, член-корреспондент РАМН Н.Н.Каркищенко, Г.Д.Капанадзе (к.с.-х.н., зам, главного редактора), В.Н.Каркищенко (д.м.н., проф.), Ю.С. Макляков (д.м.н., проф.), Е.Л. Матвеенко (к.э.н., доц., ответственный секретарь), А.Н.Мурашев (д.б.н., проф.), А.В. Муха (д.м.н., зам. главного редактора), Г.В.Раменская, (д.ф.н., проф.), А.О.Ревякин (к.б.н.), Д.В.Сахаров (к.б.н.), Х.Х.Семенов (к.б.н.), Н.В.Станкова (к.б.н.), Д.А.Сычев (д.м.н., проф.), В.В.Хоронько (д.б.н., проф.) prof. Hans-W.Ackermann (Канада), prof. Iorgen Backmen (Германия), акад. РАМН и РАСХН В.А.Быков, проф. Витан Влахов (Болгария), акад. РАМН А.М.Дыгай, prof. Ralf Edwards (Швеция), prof. Moineao S.-F. D’Herelle (Канада), акад. РАМН С.И.Колесников, акад. РАМН А.А.Кубатиев, акад. РАМН В.Г.Кукес, prof. Michael Orme (Великобритания), акад. РАМН А.А.Кубатиев, акад. РАМН В.Г.Кукес, prof Michael Orme (Великобритания), акад. РАН А.И.Мирошников, акад. РАН и РАМН М.А.Пальцев, акад. РАМН В.И.Петров, акад. РАМН К.В.Судаков, prof. Solemene Umberto (Италия), акад. РАМН В.П.Фисенко, член-корр. РАМН Д.Ф.Хритинин, проф. Б.Д.Цыганков, акад. РАМН В.Н.Ярыгин
ISSN 20745982
2009
Мобилизация стволовых клеток
пегилированным с помощью
нанотехнологии гранулоцитарным Генетическая модель сахарного
колониестимулирующим фактором как диабета 2 типа на мутантных
модель изучения процессов миграции мышах линии 57BL/KsJYLeprdb/+
прогениторных элементов
Трансплантация аллогенных клеток Моделирование дегенеративных
костного мозга для коррекции нарушений изменений межпозвонковых
при пародонтозе на генетических мышах дисков (остеохондроза)
линии BRSUNT у кроликов
Новые клинико-фармакологические
подходы к лечению эпидермальных Модулирование действия
проявлений папилломавирусной инфекции ядерных рецепторов и регуля-
ция биотрансформации
лекарств
5
Наноинженерные лекарства:
новые биомедицинские
инициативы в фармакологии
2 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЗОРЫ
Н.Н.Каркищенко. Наноинженерные лекарства: новые биомедицинские
инициативы в фармакологии............................................................................... 5
РЕЛЕВАНТНОЕ И АЛЬТЕРНАТИВНОЕ БИОМОДЕЛИРОВАНИЕ
О.И.Степанова, В.Н.Каркищенко, О.В.Баранова, Х.Х.Семенов,
Т.Б.Бескова, Т.В.Галахова, Н.А.Онищенко, Н.В.Касинская. Генетическая
модель сахарного диабета 2 типа на мутантных мышах
линии С57BL/KsJYLeprdb/+............................................................................... 28
А.Б.Шехтер, В.А.Басков, О.Л.Захаркина, А.Е.Гуллер, И.А.Борщенко,
И.Ю.Колышев, Г.Д.Капанадзе, А.В.Басков, Э.Н.Соболь. Моделирование
дегенеративных изменений межпозвонковых дисков (остеохондроза) у
кроликов: макроскопическое и гистологическое изучение............................... 41
КЛИНИЧЕСКАЯ ФАРМАКОЛОГИЯ
С.Н.Ларина, Н.В.Чебышев, Е.В.Ших, В.Н.Каркищенко. Модулирование
действия ядерных рецепторов и регуляция биотрансформации лекарств........ 70
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
А.О.Ревякин, Н.В.Касинская, Л.Н.Зобова. Влияние неингаляционных
препаратов для общей анестезии, их сочетаний и схем применения на макак
резусах................................................................................................................. 81
2
CONTENT
REVIEWS
N.N.Karkischenko. Nanoengineering drugs: new biomedical initiatives
in pharmacology.............................................................................................................. 5
RELEVANT AND ALTERNATIVE BIOMODELING
O.I.Stepanova, V.N.Karkischenko, O.V.Baranova, H.H.Semenov, T.B.Beskova,
T.V.Galahova, N.A.Onischenko, N.V.Kasinskaya. The mutant mice С57BL/
KsJYLeprdb/+ as the genetic model of diabetes 2 type................................................. 28
A.B.Shekhter, V.A.Baskov, O.L.Zakharkina, A.E.Guller, I.A.Borschenko, I.Yu.
Kolyshev, G.J.Kapanadze, A.V.Baskov, E.N.Sobol. Simulation of the intervertebral
discs degenerative changes (spine osteochondrosis) in rabbits: macroscopic and his-
tological study................................................................................................................ 41
CLINICAL PHARMACOLOGY
S.N.Larina, N.V.Tchebyshev, E.V.Shikh, V.N.Karkischenko. Modeling of nuclear
receptors actions and drug interaction biotransformation.............................................. 70
BRIEF REPORTS
A.O.Revyakin, N.V.Kasinskaya, L.N.Zobova. Influence of not inhalation prepa-
rations for the general anaesthesia, their combinations and application schemes on
Macacus mulatta............................................................................................................. 81
3
29 октября 2009 г. в НИИ фармакологии СО РАМН (г. Томск)
состоится научно-практическая конференция
«ЛАБОРАТОРНЫЕ ЖИВОТНЫЕ
КАК ОСНОВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕДИЦИНЫ»
Конференцию проводят Научный центр биомедицинских технологий РАМН
и НИИ фармакологии СО РАМН
Председатели: академик РАМН А.М.Дыгай,
член-корреспондент РАМН Н.Н.Каркищенко
В программе предусмотрены следующие выступления:
От животных-моделей к моделям животных.
Докладчик: член-корреспондент РАМН Н.Н.Каркищенко
Международная аккредитация организаций, работающих с лабораторными жи-
вотными. Докладчик: д.б.н. А.Н.Мурашев
Центры генетических ресурсов лабораторных животных – ключевая инфра-
структура постгеномной биомедицины.
Докладчик: проф. М.П.Мошкин
Возможности использования светлогорских мини-свиней в экспериментальной
медицине. Докладчик: к.с.-х.н. Г.Д.Капанадзе
Проблемы лабораторного животноводства.
Докладчик: д.м.н. Н.В.Бельская
Биоэтические аспекты использования животных в эксперименте. Докладчик:
к.б.н. А.В.Амикишиева
Требования к животным, используемым при проведении доклинических иссле-
дований. Докладчик: д.м.н. А.А.Чурин
Выгоды использования индивидуально вентилируемых клеток в сравнении с
обычными клетками.
Докладчик: д.вет.медицины G.Milite (Италия)
Организация моечного отдела в лаборатории для животных.
Докладчик: H.Lehtinen (Италия)
В рамках конференции будет работать круглый стол «Международные требова-
ния к работе с лабораторными животными. Принципы GLP в доклинических ис-
следованиях». Модераторы: член-корреспондент РАМН Н.Н.Каркищенко, про-
фессор А.Н.Мурашев.
По результатам конференции будет опубликован сборник научных трудов.
4
БИОМЕДИЦИНА № 2 2009, с. 5-27
ОБЗОРЫ
Наноинженерные лекарства:
новые биомедицинские инициативы в фармакологии
Н.Н.Каркищенко
Научный центр биомедицинских технологий РАМН, Москва
Установлено, что наноинженерные вещества, созданные на основе фуллерен-С60-полифторидов
(фуллеренилы), с общей формулой C60FnRn влияют на регуляторные процессы, снижая спектры
мощности электрической активности мозга в Δ-, θ-диапазонах, и достоверно повышая их в
σ-, β- и γ-диапазонах, соответственно изменяя паттерн когерентности между различными зо-
нами мозга. Изменение поведенческих реакций крыс WAG/GY под влиянием C60FnRn было
характерно для анксиолитического и ноотропного действия. Показано, что фуллеренилы взаи-
модействуют с трансмембранными GPCR-рецепторами, преодолевают гематоэнцефалический
барьер путем эндоцитоза, а их транслокация в нейронах и клетках астроглии мозга осущест-
вляется через CURL-систему. Поиск наногеномных и нанопротеомных путей альтернативного
моделирования должен оптимизироваться выбором гетерогенных и генномодифицированных
животных. Дается новый взгляд на оценку кинетических параметров нановеществ и построе-
ние моделей на основе функций Байеса, аксиоматики Колмогорова и метода Монте-Карло.
Разработана технологическая платформа поиска наноинженерных прототипов новых высоко-
эффективных лекарств.
Ключевые слова: наноинженерия, транслокация наночастиц, фуллерены, GPCR-рецепторы,
наноэндоцитоз, CURL-системы, нанокинетика, аксиоматика и метод Монте-Карло, технологиче-
ская платформа для оценки нановеществ.
Развитие нанотехнологий и созда- Нанобиология и наномедицина яв-
ние наноматериалов основывается на ляются наиболее активно развиваемыми
прогрессе фундаментальной науки, на- направлениями наноиндустрии. В насто-
правленном на повышение качества ящее время в ряду зарегистрированных и
жизни населения, состояния среды оби- выпускаемых в мире около 2000 наиме-
тания, обеспечение экономического ро- нований наноинженерных материалов,
ста, обороны и безопасности страны. В лишь несколько десятков субстанций
утвержденных в 2002 году Президентом с размерностью менее 100 нм находят
Российской Федерации «Основах поли- возможное применение в медицине для
тики Российской Федерации в области лечения онкологических, сосудистых,
развития науки и технологий на период инфекционных, психических заболева-
до 2010 г. и дальнейшую перспективу» ний и диагностики. Такой разрыв связан
[8] нанотехнологические проекты отно- с отсутствием единой технологической
сятся к стратегическим национальным платформы оценки нановеществ как пер-
приоритетам страны. спективных лекарств. Необходима выра-
5
Н. Н. Каркищенко
ботка критериальных подходов к оценке Точки приложения наночастиц
наноинженерных веществ в стандартах и нанорегуляторные системы
GLP, GCP, GMP.
Это ставит перед фармакологией как Несмотря на бурное развитие работ
новые задачи, так и новые ориентиры по созданию наноматериалов, коррект-
методологического, методического и ор- ные данные об их эффективности и без-
ганизационного характера при оценке опасности крайне скудные. Это связано
будущих лекарств, созданных с помо- с тем, что подходы к изучению и оценке
щью наноинженерных технологий. Про- наноструктур зиждятся на классических
водимые нами исследования и данные методах исследования более высокораз-
отечественных и зарубежных источников мерных соединений. Кардинальным от-
дают основание поставить вопрос о не- личием наноразмерных структур явля-
обходимости разработки единой техно- ется их огромная удельная поверхность,
логической платформы междисципли- увеличение химического потенциала
нарных биомедицинских исследований на межфазной границе, несопоставимо
с целью конструирования и валидации большая адсорбционная активность и
новых наноинженерных соединений как способность к кумуляции. Это приводит
инновационных лекарственных средств. к неожиданным изменениям термодина-
мических характеристик в живых систе-
К основным понятиям, используе- мах, реакционной и каталитической спо-
мым в этой статье, относятся: собности, увеличению продукции АФК
Наночастицы – высокодисперсные (активных форм кислорода) и свободных
частицы, геометрические размеры кото- радикалов. В свою очередь, это влияет
рых хотя бы в одном измерении не пре- на течение основных фундаментальных
вышают 100 нм, с заданной структурой и процессов жизнедеятельности, включая
свойствами, пригодными для контроля и перекисное окисление липидов, струк-
манипуляций на атомном уровне. турные изменения белков, ДНК, РНК,
Наноэффективность – количествен- функционирование генетического аппа-
ные показатели наличия биологической рата человека и животных [10].
активности нановеществ, имеющие те- Представляет интерес механизм дей-
рапевтическое, профилактическое или ствия фуллеренов. Считается, что при
диагностическое значение. внутривенном введении в организм фул-
Нанорегуляторные системы – лерены могут проходить ГЭБ [5, 24, 28]
структурно-функциональные биоми- и локализоваться в мозге. Другие авторы
шени для наночастиц, обеспечивающие исключают проникновение фуллеренов
управляющие и регулирующие воздей- через ГЭБ [27]. Указывается возмож-
ствия на процессы физиологических и ность локализации фуллеренов в печени
нарушенных функций организма. и селезенке, откуда они удаляются в те-
Нановещества, нанопрепараты – чение долгого времени [24].
биологически активные или фармаколо- Несмотря на большое количество
гические средства, созданные на основе атомов, молекулы фуллеренов компак-
наноинженерных технологий. тны. Диаметр молекулы фуллерена С60,
представляющей собой сферу, равен
6
Наноинженерные лекарства...
0,714 нм (и это при молекулярной мас-
се 720 дальтон). Молекула фуллерена С70
представляет собой эллипсоид длиной
0,780 и толщиной 0,694 нм. Фуллерены
С60 имеют низкую общую токсичность,
от 1200 до 2500 мг/кг [9].
Проведенные нами исследова-
ния модифицированных полифторид-
ных фуллеренилов с общей формулой
С60FnRn (синтез осуществлен, по наше-
му предложению, А.А.Филипповым,
В.Б.Соколовым в РНЦ Курчатовский
Рис. 1. Контур регулирования и управления
институт) выявили их широкую био- в наносистемах организма при моделиро-
логическую активность [5, 6]. С60F24 и вании наноэффектов.
другие фторсодержащие фуллеренилы
обнаружили необычную и характерную Если принять как постулат, что на-
картину достаточно выраженного анкси- новещества и наночастицы участвуют в
олитического и ноотропного эффектов. поддержании некоторых физических или
Исследованные нами вещества обнаружили химических величин в предварительно
более высокую токсичность (до 500 мг/кг) и определенных границах на наноуровнях
достаточно широкий фармакотерапевти- живых систем, то регулируемый нано-
ческий диапазон. Несмотря на различия механизм можно представить в качестве
в фармакологических эффектах отдель- управляемой системы, а механизм, вы-
ных фуллеренилов, в дальнейшем из- полняющий регулирование, – соответ-
ложении мы будем выделять наиболее ственно, в виде блока управления или
общие, характерные для всей группы нанорегулятора. Эти две части образу-
фторсодержащих фуллеренилов, прояв- ют контур регулирования. Регулируемая
ления. В этом случае мы будем обобщен- величина, т.е. такая величина, которая
но говорить о всей исследованной нами изменяется при отклонении системы
группе фулеринилов на основе С60FnRn, от заданного состояния (например, ста-
содержащий группы NH2, [FNC5H5]+F-, ционарного), обозначается х. Из схемы
[FN2C4H4] и др. В необходимых случаях видно, что в данном случае представлен
будут указываться конкретные соедине- контур нанорегулирования с отрицатель-
ния на основе С60. ной обратной связью, в котором выход-
Уже исходя из современных пред- ной сигнал х вычитается из входного
ставлений [3, 4] и немногочисленных сигнала w, при котором искомый эффект
данных [7, 12, 26], можно полагать, что равен хe.
наночастицы влияют на регуляторные Сигнал ошибки хw, как разница между
процессы в живых системах и их эффек- действительной х и требуемой w величи-
ты, в свою очередь, можно представить и ной, должен быть как можно меньшим,
описать в терминологии теории автома- либо равным нулю. Требуемое значение
тического регулирования на наносистем- регулируемой величины задается систе-
ном уровне (рис. 1). ме наноуправления посредством управ-
7
Н. Н. Каркищенко ляющей величины w. Отсюда следует, что нормировались к фоновым значениям, хw = w-x. Возможны случайные и непред- достоверность отличий между выборка- намеренные изменения регулируемой ми для одного опыта по каждому отве- величины под воздействием различных дению, в каждом диапазоне оценивали нановозмущений z. Сигнал управления по критерию Вилкоксона-Манна-Уитни YR – это величина, которая так воздей- (как для двух независимых выборок), для ствует на управляемую систему, что обе- группы опытов – по критерию Стьюден- спечивает минимальное отклонение си- та. Принимали во внимание только до- стемы от заданного состояния. Иными стоверные изменения СМ ЭАМ (p
Наноинженерные лекарства...
Рис. 2. Характерные изменения паттерно-когерентных связей для фторсодержащих фуллеренилов.
гироскопических и ультразвуковых по- модифицировали поведение.
казателей получить аналитическую и Полученные нами данные коррели-
интегральную картину системного пове- руют с сообщением о том, что введение
дения животных. в желудочки мозга крыс гидратирован-
Действие фуллерена (C60Br24)×Br2 на ного фуллерена C60 в дозе 7,2 нмоль зна-
крыс WAG/GY в дозе 10 мг/кг длится чительно улучшало функционирование
40-50 мин. Через 15 минут у животных когнитивной сферы [21]. Ряд авторов
ослаблялись реакции агрессии, ослабля- указывает, что при введении фуллеренов
лась двигательная активность. Реакции в желудочек мозга отмечалось наруше-
на внешние раздражители сохранялись, ние функционирования моноаминных
но были ослаблены. После помещения систем в мозге крыс [27]. Инъекция фул-
животного в общую клетку пищевой лерена C60 в дозе 0,25 мг/кг в желудочек
рефлекс наблюдался сразу. Вегетативное мозга увеличивала двигательную актив-
проявление (частота дыхания и пульс) ность крыс, кроме того, в их мозге из-
изменялись незначительно. менялись концентрации моноаминов. В
Эффект от фуллерена C60F24 в дозе частности, круговороты серотонина и
10 мг/кг наступает через 5-7 минут. Жи- дофамина увеличились в гипоталамусе,
вотные становятся более подвижными, коре головного мозга, стриатуме, а се-
но на внешние раздражители реагируют ротонина еще и в гиппокампе. Интрапе-
слабо. Вертикальная активность умень- ритонеальная инъекция C60 уменьшила
шается, а горизонтальная – приобрета- только круговорот дофамина в гиппо-
ет характер стереотипии. Выраженный кампе. Нарушение функций медиатор-
эффект длится около 50-60 минут, после ных систем, возможно, и вызывало изме-
чего нормализуется поведение, реакции нения в двигательной активности [27].
становятся адекватными. Другие ис- Суммируя собственные и литера-
следованные фуллерены (C60-F36(NH2)12, турные данные, можно прогнозировать
C60(NH2)12, C60(NO2)x) также значительно возможность создания на основе фул-
9Н. Н. Каркищенко
леренов С60 средств ноотропного и анк-
сиолитического действия, а при соот-
ветствующей модификации их молекул
ожидать создания психотропных средств
с антидепрессивными и психостиму-
лирующими эффектами. Однако рас-
шифровка принципов деятельности на-
норегуляторных систем может открыть
самые неожиданные горизонты фарма-
копсихологии, например, воздействие на
волевые функции, мгновенного внесения Рис.3. Взаимодействие фулеренила C60F24
в память человека больших объемов ин- c аденозиновым рецептором А3 системы
формации. GPCR. Аппликация C60F24 (верхняя кривая)
производилась в ДМСО (нижняя кривая,
контроль)
Влияние нановеществ на поведение
клеток через GPCR-рецепторы через периферические участки, ингиби-
ровании агрегации тромбоцитов и регу-
Большое и широкое семейство ге- ляции кровяного давления. Рецептор А2А
нов в царстве грибов, растений и жи- также важен для моторной стимуляции
вотных, обеспечившее появление GPCR эффектов кофеина. Также было показа-
(G-protein coupled receptors), привело к но, что рецептор А2А вносит свой вклад
делению общей структуры на 7 транс- в ишемические повреждения мозга у
мембранных сегментов, с минимальной взрослых мышей.
последовательностью подобия наибо- Совместно с лабораторией ЦКП
лее удаленным GPCR. Семейство бел- «Биовест» ФЦМО нами исследовано
ков GPCR в геноме человека более чем влияние фуллеренилов на их способ-
представительно (около 900 членов), ность связываться с аденозиновыми ре-
а рецепторы и лиганды играют роль во цепторами А1 и А2, взаимодействующи-
многих аспектах физиологии, фармако- ми с различными G-белками. Было также
логии и имеют отношение к большому проверено взаимодействие фулеренила
числу заболеваний (в ряду примерно 200 C60F24 с рецептором А3, взаимодействую-
GPCR) через изучение его роли в геноме, щим с Gi/o-белком (рис.3). Полученные
лиганде, рецепторе. Около 2000 GPCR и результаты демонстрируют способность
несвязанных мембранных протеинов в GPCR-рецепторов распознавать лиганд
качестве контроля разделены на 36 кла- фуллеренила и активировать G-белки.
стеров. Эти предварительные данные иллю-
Роль рецепторов системы GPCR из- стрируют способность нановеществ
учалась на биомоделях генетически мо- взаимодействовать с универсальными
дифицированных нокаутных мышах [2]. рецепторными системами мембранных
Первым геном, подвергнутым нокауту, белков. Воспользовавшись удобной схе-
был ген рецептора А2А. Изучение таких мой взаимодействия лигандов с GPCR-
мышей показало, что рецептор А2А игра- рецепторами [15], мы можем предста-
ет роль в проведении болевого сигнала вить механизм влияния фуллеренилов на
10Наноинженерные лекарства...
Рис. 4. GPCR осуществляют блокировку со-
общения в клетку, пока нановещества (фул- Рис. 5. Лиганд-рецепторное обволакивание
лерены) или сигнальные молекулы (гормон, нановеществ (фуллеренов) может обеспечи-
нейромедиатор и т.д.) не обволакиваются вать активацию молекулы G-протеина, кото-
активной зоной и образуют сайт. рая переключает серию внутримолекуляр-
ных взаимодействий и изменяет поведение
трансмембранные процессы следующим клетки.
образом (рис.4 и 5). и, надо думать, будущих лекарств. По-
Многосторонность системы GPCR лученные нами данные позволяют счи-
значительно превосходит любой другой тать, что модифицированные фуллерены
класс поверхностно-клеточных рецеп- имеют все основания стать прототипом
торов. Природные молекулы, на кото- будущих инновационных лекарств, дей-
рые есть отклик GPCR имеют размер ствующих на клеточные структуры через
от нейротрансмиттеров, которые только GPCR-рецепторы и аналогичные транс-
в несколько раз больше атома углерода, мембранные системы.
до протеинов, которые в 75 раз больше
него. GPCR участвует во всех функци- Внутриклеточная транслокация
ях организма, которые поддерживают наночастиц в мозге
жизнь, от биения сердца и пищеварения
до дыхания и активности мозга. Можем Вне всякого сомнения мозг являет-
предположить, что фуллерены и иные ся органом-мишенью для наночастиц и
нановещества, как и другие лиганды, нановеществ [5, 6]. Попадать они туда
способны запускать внутренний каскад могут путем пассивной и активной диф-
регуляторных механизмов поведения фузии, а наноагломераты – путем эндо-
клетки (рис.5) цитоза. Нами проведены электронно-
Новые взгляды на функционирование микроскопические исследования
GPCR предполагает появление новых фуллеренилов C60F24 и получены данные,
подходов к лечению болезней. Трансмем- подтверждающие общие механизмы
бранные белки представляют собой одну транслокации ксенобиотиков в мозге.
из самых больших групп белков, выпол- Фуллеренилы C60F24 вводились крысам
няющих сигнальную, транспортную, за- WAG/GY интраперитонеально в дозе 20-
щитную, рецепторную, метаболическую 30 мг/кг или интрацистернально в дозе
и структурную функции (рис. 3, 4) [15]. 6-7нмоль.
Несмотря на универсальность структу- Процесс транслокации наночастиц-
ры GPCR унитропностью к ним обла- лигандов в нервную клетку начинал-
дает великое множество существующих ся с того, что они взаимодействовали с
11Н. Н. Каркищенко
рецепторами на нейролемме. Этот вид размера при инкубации срезов сначала с
эндоцитозного поглощения, или опосре- антителами против лиганда (гликопроте-
дованный рецепторами эндоцитоз, отли- ид с терминальной галактозой), а затем
чается по количественным и качествен- с антителами против соответствующего
ным показателям от эндоцитоза молекул, рецептора оказалось возможным иденти-
лишенных сродства к плазматической фицировать везикулярно-тубулярную си-
мембране, и поглощение происходит в стему CURL (Compartment of uncoupling
соответствии с принципом градиента of receptor and ligand) [4, 17, 29]. По-
концентрации (объемный или жидко- видимому, именно там происходят дис-
фазный эндоцитоз) [4, 13] и модуляции социация рецептора и лиганда, а также
транспортных белков (Р-гликопротеид) их перераспределение, в результате чего
[16]. Вслед за первым этапом взаимо- лиганды сосредотачиваются в везикуляр-
действия, когда происходит связывание ной части CURL, а рецепторы – в тубу-
наночастиц со специфическими ре- лярном отделе. Везикулярный фрагмент
цепторами на клеточной поверхности, CURL с лигандом оказывается объектом
комплексы лигандов образуют на плаз- агрессии лизосом и встроенных в них
молемме скопления (или кластеры), рас- ферментов, а тубулярный участок, на-
полагающиеся в местах окаймленных груженный рецепторами, ампутируется
углублений (coated pits). от системы CURL, и, таким образом, ре-
Окаймление на внутренней поверх- цепторы, избежав протеолиза, возвраща-
ности мембраны обеспечивает фибрил- ются на поверхность клетки. Сходная по
лярный белок – клатрин. Проникновение направленности реакция описана нами в
фуллеренилов C60F24 в места окаймлен- отношении ряда психотропных средств
ных углублений сопровождалось инва- и ксенобиотиков [4].
гинацией в нейрон во время эндоцитоза Как и для других веществ, кинетика
(рис. 6). В результате образовывались связывания фуллеренила C60F24 с рецеп-
окаймленные пузырьки – своеобразные тором и механизмы передачи сигнала
везикулярные контейнеры – носители жестко не детерминированы и в соответ-
нановеществ (рис. 6). По мере продви- ствии с общими закономерностями био-
жения в цитоплазму нейрона они теряли логических процессов могут проходить
клатриновую оболочку и сливались друг по альтернативному (запасному) пути.
с другом или везикулами иного типа, об- С помощью электронномикроскопи-
разуя более крупные пузырьки с глад- ческих исследований нами визуализиро-
кой поверхностью в виде эндосом или вана способность наночастиц к прямому
рецепторосом. В этом процессе мы не взаимодействию с нейронами (рис. 7).
наблюдали никаких особых отличий от Внутрижелудочковое введение их в обход
действия других, более высокоразмер- ГЭБ позволяет обеспечить возможность
ных молекул [4]. прямого контакта наночастиц с соответ-
Данные о судьбе рецепторов и лиган- ствующими рецепторами на нейрональ-
дов ранее удалось установить методом ной плазмолемме, о чем можно судить
электронно-микроскопического анализа. по наличию многочисленных окаймлен-
В опытах с двойной меткой гепатоцитов ных везикул. Транснейронный перенос
наночастицами золота неодинакового наночастиц (судя по реакции усиления
12Наноинженерные лекарства...
Рис. 6. Увеличение количества окаймленных
везикул, сочетающееся с активацией аппа- Рис. 7. Влияние интрацистернального вве-
рата протеолиза под влиянием фуллеренила дения 6,8 нмоль фуллеренила С60F24 на
C60F24 в дозе 25 мг/кг, введенного интрапе- пластинчатый комплекс клеток головного
ритонеально. Обозначения: ОВ – окаймлен- мозга, в котором наблюдается разобщение
ные везикулы, ПЛ – первичные лизосомы, (стрелка) окаймленной части CURL, носите-
ВЛ – вторичные лизосомы, ПК – пластинча- ля лиганда и тубулярного фрагмента – реци-
тый комплекс, М – митохондрии, Я – ядро. клирующего рецептора. Обозначения те же,
Ув. 32 000. что и на рис. 5. Ув. 40 000.
специфического эндоцитоза) отчетливо контейнеров, нагруженных наночасти-
заметен в большинстве изученных обра- цами и для нейронов, и для астроглии
зований, включая кору головного мозга. одинакова: деградация содержимого
Процесс эндоцитоза фуллеренов осуществляется в лизосомах (основной
складывается из ряда последователь- путь) или мультивезикулярных тельцах
ных этапов: кластеризации комплекса (хелперный, или вспомогательный путь).
нановещество-рецептор, интернализа- Не вдаваясь глубоко в анализ механизмов
ции комплексов с образованием окайм- взаимодействия наночастиц с субклеточ-
ленных везикул, диссоциации лигандов и ными структурами, следует заключить,
разрушения их в лизосомах или мульти- что транслокация фуллеренилов С60FnRn
везикулярных тельцах, рециклирования в головном мозге обеспечивается не
рецепторов. Внутринейрональная сорти- только при интрацистернальным, но и
ровка лигандов-рецепторов осуществля- при системном их введении.
ется в особых везикулярно-тубулярных
компартментах, являющихся произво- Геномика, протеомика
дными пластинчатого комплекса (рис.6, и иные «наноомики»
7). Все эти процессы более наглядно
представлены на рис. 8. Молекулярная белковая машина вза-
Нами обнаружено, что наночасти- имосвязана с информационной структу-
цы C60F24 взаимодействуют не только рой гена. Белковые «карты» биосистем
с нейронами, но и c астроцитами, что организма, анализ экспрессии генома на
может быть связано с наличием неких, уровне мРНК, геномный анализ клеточ-
пока неизвестных рецепторов на клетках ных популяций и продолжающаяся «ин-
астроглии. Дальнейшая судьба везикул- вентаризация» тканевых белков создали
13Н. Н. Каркищенко
димо срочно искать более оптимальные
варианты. Существует множество новых
техник, обещающих лучшие результаты.
Они включают разного рода «омики»
(геномика, протеомика, экспрессионо-
мика, метаболомика, гистомика, целло-
мика), также как поведенческие профи-
ли, телеметрия и улучшенные методы
представлений. Эти техники часто до-
рогие и затратны по времени. Их можно
применять в небольших экспериментах,
в которых используют генетически одно-
родных животных. Они также нуждают-
ся в валидации в различных лаборатори-
ях. Их нельзя применять на аутбредных
животных, тем более для оценки нано-
веществ. Необходимо использование ге-
терогенных и генномодифицированных
животных.
Многообразные химические, белко-
Рис. 8. Гипотетическая схема взаимодей- вые, пептидные и иммунные комплексы
ствия нановещества-лиганда и рецептора. 1 участвуют в регуляции активности клет-
– плазмолемма нейрона; 2 – рецептор; 3 – ки и имеют способность откликаться на
наночастица-лиганд (фуллерен); 4 – окайм-
ленное углубление; 5 – везикулярная часть сигнал, который в других ситуациях они
системы CURL; 6 – тубулярная часть систе- игнорировали. Индивидуальные протеи-
мы CURL. Сплошная стрелка – альтерна- ны имеют свои программы в специфи-
тивный путь взаимодействия лиганда с уча-
стием мультивезикулярного тельца (МВТ); ческих генах, но эти комбинации рецеп-
двойная стрелка – место разделения на торов не всегда соответствуют простым
везикулярную и тубулярную части в системе программам поведения, на основе ко-
CURL. Обозначения: ОВ – окаймленные ве-
зиулы; Я – ядро; ПЛ – первичная лизосома; торых оно могло бы быть предсказано.
ВЛ – вторичная лизосома; ПК – пластинча- Поэтому они должны быть рассмотрены
тый комплекс; CURL – место разделения ре- как продукт «фантома» генов.
цептора и лиганда; Э – эндосома.
Метаболические, физиологические
предпосылки нового научного направле- и патофизиологические взаимодействия
ния – нанопротеомики. Это следующий весьма гибкие, а значит, действие нано-
за геномикой и протеомикой этап раз- материалов зависит от столь тонких и
вития биомедицинских технологий для сложных условий на уровне белка, что
изучения и оценки нанобезопасности и только прямой и всесторонний анализ
наноэффективности. переноса природных протеинов обеспе-
Используемые в настоящее время для чит перспективы достоверного и соот-
оценки наноматериалов на животных- ветствующего скрининга и контроля.
моделях биомаркеры были получены Огромные и динамически сложные
несколько десятилетий назад. Необхо- протеиновые изоформы могут быть ре-
14Наноинженерные лекарства...
Доминанты нанокинетики
и нанодинамики
Правомерность терминов, выне-
сенных в подзаголовок, можно легко
оспорить. Действительно, пока нет до-
статочных данных, чтобы говорить об
общих принципах фармакокинетики или
токсикокинетики наноинженерных ве-
ществ, равно, как и об их фармако- и ток-
Рис 9. Возможности и последовательность сикодинамике. Но стоит вспомнить, что
проведения протеомного анализа, в том
числе в целях поиска мишеней для оцен- термины «фармакокинетика» и «фарма-
ки безопасности и эффективности нанове- кодинамика», известные теперь каждому
ществ и нанопрепаратов [по 1]. покупателю аптечных лекарств, полсто-
ально уменьшены до нескольких клю- летия назад употреблялись лишь самы-
чевых суррогатных биомаркеров с ми «продвинутыми» специалистами-
адекватным количественным и диффе- фармакологами.
ренциальным анализом протеиновых Наноразмерные вещества не явля-
объектов [25]. 2D-PAGE обеспечивает ются чем-то абсолютно неожиданным
лишь качественную технику анализа для живых систем. Наночастицы в виде
объектов, а точную информацию о моле- космической и вулканической пыли
кулах можно получить с помощью авто- существовали всегда. Просто поток
матической масс-спектрометрии. инженерно-созданных наночастиц будет
Аналитическая база биомоделиро- оказывать большее давление на биосуб-
вания на основе клеточно-картируемой страты, менять баланс метаболических
протеомики включает в себя самые со- систем, что потребует изучения новых
временные методы и подходы [1], пред- механизмов жизнедеятельности, а, воз-
ставленные на рис 9. можно, и кардинальных изменений на-
Это открывает перспективы для все- ших представлений об интимных про-
стороннего понимания молекулярного цессах квантово-механического уровня.
уровня действия наночастиц или нано- Уникальная адсорбционная, реак-
лекарств, или их составляющих в дей- ционная, каталитическая активность
ствии. Это повысит качество и скорость наночастиц, их большая удельная по-
данных, полученных из моделей in vitro, верхность и, соответственно, огромный
например, моделей стволовых клеточ- химический потенциал на межфазной
ных культур человека. Эти модели могут границе, заставляют по-новому взгля-
быть использованы для создания опти- нуть на структурные параметры функци-
мально соответствующих и быстрых онирования нанокинетических мишеней.
«рецепторов протеиновых изоформ» для Важнейшей доминантой для нанокине-
условий цитотоксичности, относитель- тики и нанодинамики является позна-
ной клеточной полиферации и скринин- ние интегративных процессов, таких как
га нановеществ. нахождение функции дозы и времени и
установление связи между концентра-
15Н. Н. Каркищенко
тиками.
Интересно, что для самого фуллерена
найден новый, ранее неизвестный путь
метаболизма, не связанный с обычны-
ми окислительно-восстановительными
реакциями. Было показано, что сам фул-
лерен С60 подвергается биотрансформа-
ции не только в печени, но и в других
тканях организма. Более того, метабо-
лизм фуллерена in vivo может протекать
не по обычным механизмам окисления
ксенобиотиков, но и по реакции Дильса–
Рис. 10. Теоретическое представление свя- Альдера [9]. Поэтому построение функ-
зи концентрация – эффект, определяющая циональных кинетических моделей для
динамический диапазон эффективности для наночастиц требует учета целого ряда
нановеществ от начального действия до ток-
сического проявления. По оси абсцисс: кон- новых факторов (рис. 11).
центрация наносубстанции в плазме крови Для тех наночастиц, которые с лег-
(выраженная в безразмерных единицах); по костью проникают через различные
оси ординат: процент наблюдаемых эффек-
тов у испытуемых людей или животных. Ле- мембранные барьеры, быстрое нараста-
вая кривая отображает нанодинамические, ние концентраций может происходить в
а правая – нанотоксические эффекты. разных органах, а элиминация осущест-
цией и эффектом, оптимизации отбора вляться не одним каким-то предпочти-
проб. На рис. 10 представлена теоретиче- тельным путем, например, ренальным, а
ская схема соотношения наноэффектив- неравномерно, но сразу по разным путям
ности и нанотоксичности для веществ от экскреции: кожа, легкие, печень, почки
начального действия до развертывания (рис. 11).
токсических проявлений. Ткани, в которых будет наблюдаться
Обратимся вновь к примеру фулле- быстрое и преимущественное нараста-
ренов. Липофильная природа фуллерена ние концентрации наночастиц, называют
С60 предопределяет его локализацию и хорошо перфузируемыми или централь-
участие в функционировании неполяр- ными. Ткани, не входящие в централь-
ных мембранных структур, в перено- ную камеру, обычно объединяются в
се различных веществ через мембрану одну, две и т.д. дополнительные камеры,
[18, 20]. Фуллерены взаимодействуют с которые называются периферическими.
противоионами, образуя прочные ком- При построении кинетических моделей
плексы, что может объяснить некоторые для классических лекарств и ксенобио-
«загадочные» функции аргинин-богатых тиков эти камеры называют медленно
пептидов и белков (cell penetrating перфузируемыми, так как максимальные
peptides, CPP) в мембранах [22]. Подоб- концентрации препаратов в них насту-
ные механизмы вносят существенное от- пают гораздо позже, чем в центральной
личие в сорбционные и метаболические камере. Когда график зависимости кон-
процессы наночастиц, в сравнении с центрации препарата от времени имеет
классическими лекарствами и ксенобио- двухфазный характер, организм рассма-
16Наноинженерные лекарства...
функцией одного па-
легкие
раметра – введенной в
головной мозг организм дозы (D):
сердце Е = f (D) (1)
печень Многочислен-
ность органов-
Биотрансформация мишеней для
поджелудочная
CLm – клиренс в
печени, период железа наночастиц, их биодо-
артериальная кровь
полувыведения t1/2 ступности (F), разноо-
венозная кровь
нановеществ, селезенка бразий в рецепторике,
ЭКСКРЕЦИЯ константах скоростей
нанопродуктов поглощения, распре-
с желчью ЖКТ
деления, метаболизма
и выведения (ki), от
мышечная объема распределения
ткань препарата (Vd), по-
зволяет представить
жировая ткань уравнение (1) в виде:
кожа Е = f (D, t, F, Vd, ki) (2)
почки и их Символы в правой
клиренс Clr части выражения гово-
рят о существовании
НВ НМ cложных взаимоотно-
шений между фарма-
Рис. 11. Теоретическая блок-схема структурно-параметрической
функциональной модели для оценки кинетики нановеществ (НВ) кодинамическими и
и нанометаболитов (НМ). фармакокинетически-
ми параметрами при
тривается как двухкамерная система, создании моделей
состоящая и центральной и перифери- действия нановеществ. Установить связь
ческой камер. Для наночастиц роль цен- между ними – значит получить возмож-
тральных камер теоретически может ность анализировать или даже регулиро-
принадлежать трем, четырем, пяти и т.д. вать выраженность эффекта, изменяя тот
органам. В этом случае математическое или иной параметр.
моделирование кинетических процессов Мультикомпартментное моделиро-
может быть чрезвычайно громоздким и вание для одновременного описания на-
малопродуктивным. нококинетики и нанодинамики новых
Биологический эффект (Е) воз- веществ позволяет соотнести наноэф-
действия наносубстанций на организм фективность с нанокинетикой:
в простейшем случае можно описать
17Н. Н. Каркищенко
ет зависимость, имеющую вид петли
гистерезиcа (рис. 12).
Подобная форма графика (рис.12)
говорит о том, что многочисленные ре-
цепторы, которые обусловливают разви-
тие эффекта, расположены не в плазме
крови, а в самых различных областях
организма, которые окажутся целевыми
органами или целевыми тканями для на-
нопрепаратов. Формализация концепции
гистерезиса позволяет наполнить новым
смыслом понятия эффекторной камеры
и компартмента и перейти к непараме-
трическому фармакомоделированию или
Рис. 12. Теоретическое представление свя-
использовать непараметрические мето-
зи концентрации и фармакодинамических ды моделирования для наночастиц и на-
эффектов нановеществ, получившее назва- нопрепаратов [3].
ние «гистерезиса». Фармакокинетику двухкамерной
фармакокинетической системы удобно
(3) проиллюстрировать на примере модели,
состоящей их двух частей. Если внутри-
где Emax – максимальное значение венное введение представляет собой бы-
эффекта при полном насыщении рецеп- строе заполнение первой камеры (k12), то
торов, ЕC50% – концентрация вещества в начинает заполняться и вторая камера
эффекторном компартменте модели, вы- (k21), до тех пор, пока концентрации в
зывающая 50% эффекта от Emax. обеих камерах не сравнятся. Кинетика
Такие зависимости широко исполь- распределения в двухкамерной фармако-
зуются в других областях биомоделиро- кинетической системе характеризуется
вания в биомедицине, но в нашем случае тремя константами скоростей: констан-
они предсказывают максимальный эф- той скорости элиминации из централь-
фект, который может вызвать нановеще- ной камеры (ke) и константами скоростей
ство, т.к. при его отсутствии величина распределения (k12 и k21). Изменения кон-
эффекта равна нулю. центраций в центральной (С1) и перифе-
Вследствие этого эффект нанове- рической (С2) камерах модели описыва-
ществ будет измеряться в условиях не- ются следующим уравнением:
стационарного состояния (неустановив-
шегося равновесия между содержанием (4)
препарата в плазме крови и тканях, в
которых вещество оказывает свое дей-
В многокамерной же фармакокине-
ствие). Отставание между достижением
тической модели элиминация исходного
максимальной концентрации в плазме
вещества и каждого из его метаболитов
крови и тканях (Cp) от момента насту-
также может иметь моноэкспоненци-
пления максимального эффекта созда-
альный характер, но только если их рас-
18Наноинженерные лекарства...
сматривать каждый в отдельности. Как ли это с введением собственно наноча-
представлено на рис. 11 экскреция нано- стиц еще предстоит выяснить. Поэтому
веществ может осуществляться одномо- методы, приведенные выше, имеют на
ментно разными путями (легкие, печень, сегодняшний день ряд методологиче-
кожа, почки, ЖКТ), каждый из которых ских ограничений.
можно рассмотреть как однокомпар- С практической точки зрения прото-
тментную модель, хотя это и весьма колы исследования нанокинетики имеют
условное допущение. Однако при объеди- малую гибкость, поскольку требуют из-
нении этих однокамерных звеньев систе- мерения концентраций в строго опреде-
ма приобретает новые свойства, анализ ленные моменты времени. Метод, ис-
которых позволяет выяснить ряд законо- пользующий теорему Байеса и оценку
мерностей, связанных с использованием максимального правдоподобия (см. фор-
линейных многокамерных фармакокине- мулу 5 полной вероятности Байеса) по-
тических моделей для изучения метабо- зволит определить наиболее вероятный
лизма нановеществ. Математически это набор нанокинетических параметров.
достаточно громоздкий и трудоемкий
процесс, Поэтому необходим поиск но- (5)
вых подходов компьютерного моделиро-
вания, формализованной аксиоматики,
критериев Колмогорова, метода Монте-
Карло и иных нестандартных принципов
где N – число диапазонов разбиения;
математического моделирования.
Fi(HL) – частота встречаемости от-
Проблемы развития нанотехнологии
клонения Хi в первом диапазоне;
ставят вопросы, на которые потребуются
НL – принадлежность к определенно-
незамедлительные ответы. В их числе:
му классу нановеществ вычисляется по
пути поступления наночастиц в орга-
формуле:
низм, их транспорт, биотрансформация,
деградация и депонирование, элимина-
ция, инактивация, рецепторные и иные (6)
механизмы действия, динамические
характеристики в различных органах- где P(Hi) – вероятность гипотезы Hi,
мишенях. Наконец, связь динамических P(AL/Hi) – условная вероятность события
и кинетических процессов. AL по этой гипотезе.
Исследования кинетики и динамики
нановеществ только начинаются. Ме- Вероятность события AL (принад-
тоды прямого измерения концентрации лежность к определенной группе нано-
для большинства наночастиц отсут- веществ) определяется формулой:
ствуют. О нанокинетике фуллеренов С60
можно судить лишь по косвенным дан-
ным, согласно которым, например, после (7)
однократной ингаляции, эффекты повы-
шенного ПОЛ наблюдались в течение по
крайней мере трех месяцев [23]. Связано
19Н. Н. Каркищенко
Рис.13. Фуллерен С60 «застревает» в гидрофобном участке (А), С60(ОН)20 остается в гидрос-
лое мембраны (В), а С60(ОН)10 проникает в цитозоль (С). Схема представлена на основе
Оксфордской компьютерной модели (см. текст).
При разработке различных версий модель дает красивую иллюстрацию по-
Байесовского подхода, нами ранее было лученным нами и другими авторами экс-
показано [3, 4], что вероятностные фар- периментальным данным (рис.13).
макодинамические и фармакокинети- На рис. 13 показаны различия транс-
ческие оценки в значительной степени локации фуллеренов. Так, если простой
независимы от вариаций исходных дан- фуллерен С60 хорошо проникает через на-
ных. Байесовские оценки параметров ружный слой, но задерживается в середи-
C0, CL, Vd, ke, ka и т.д. вычисляются с по- не мембраны (рис.13А), а С60(ОН)20 ввиду
мощью таких процедур, как Simplex или своей гидрофильности остается в наруж-
иных математических и компьютерных ном водном слое (рис.13В), то С60(ОН)10
приемов и программ. преодолевает мембранный «сэндвич» и
достигает цитозольного пространства
Компьютерные модели, (рис.13С). Подобные компьютерные
аксиоматика и метод Монте-Карло модели расширяют возможности моде-
лирования эффектов и тропности на-
Широко применяемые для оценки ре- новеществ к рецепторам и органеллам
зультативности и токсичности лекарств клеток, позволяют прогнозировать пути
методы компьютерного моделирования направленного транспорта и транслока-
оптимизируются не только в направ- ции лекарств, созданных на базе наноин-
лении нанобезопасности [5], но при- женерных технологий и прогнозировать
ложимы и к изучению эффективности их фармакодинамические и фармакоки-
нановеществ. Примером компьютерно- нетические профили.
го моделирования на основе сравнения Тем не менее нанотехнологические
термодинамических возможностей пре- инициативы требуют поиска и использо-
одоления мембранных структур моди- вания новых математических подходов
фицированными молекулами фуллерена и методов математического моделиро-
С60, может служить работа биохимиков вания. Методологические основы совре-
Оксфордского университета [NanoWeek менной математической науки, начало
16-22. 03. 2009, №. 59]. Эта виртуальная которой положили Н.Бурбаки, определя-
20Наноинженерные лекарства...
Рис. 14. Доска Гамильтона как пример веро- Рис. 15. Пример численного интегрирова-
ятностного распределения значений в био- ния функции Гаусса методом Монте-Карло.
логическом эксперименте по исследованию Точками обозначены мгновенные значения
эффектов нановеществ. биомедицинских параметров при оценке
эффектов нановеществ. На осях абсцисс и
ординат условные единицы.
ют не столько саму математику, сколько
объекты, которые она исследует. Это
нобиотехнологических явлений, являю-
направление, получившее название фор-
щихся аксиоматичными по самой сути
мализованной аксиоматики, возникло на
своей природы, возможно продвижение
основе аксиоматики Евклида, но отлича-
на основе аксиоматики Колмогорова по
ется точным знанием правил вывода, ис-
пути имитационного моделирования
пользованием языка символов и формул,
методом Монте-Карло. Сложная форма
заменой содержательных рассуждений
поведения биологических систем пока
преобразованиями формул и счислений.
не позволяет описать их строгими мате-
Представлениям о формально-
матическими формулами, тогда как суть
логических системах, как абстрактных
моделирования методом Монте-Карло
аксиоматических теориях и разрешениям
заключается в проведении определенно-
задач непротиворечивости, полноты и
го числа случайных испытаний и экспе-
независимости системы аксиом, мы обя-
риментов для оценки поведения каждого
заны Д.Гильберту и А.Н.Колмогорову.
компонента биосистемы на уровне нано-
Работы А.Н.Колмогорова обосновали и
процессов с участием или под влиянием
разрешили вопросы сопоставления ста-
наночастиц, нановеществ или нанопре-
тистических данных с вероятностной
паратов.
теорией явлений. Согласно критерию
Механистическим примером биоло-
А.Н.Колмогорова сходимость ряда
гических испытаний нановеществ может
являться «доска Гамильтона» (рис.14).
является достаточным условием для Вбрасываемые шарики распределяются
того, чтобы усиленный закон больших случайным образом и при достаточной
чисел был применим к последователь- выборке подчиняются гауссову, или нор-
ности взаимно независимых случайных мальному, распределению. В сущности
величин Хκ. то же происходит при любом солидном
На основе теории вероятностей и биомедицинском исследовании в силу
посылках о вероятностной природе на- стохастичности большинства биологи-
21Н. Н. Каркищенко
ческих процессов и вероятности рас- тенденции по сокращению использова-
пределения откликов биосистем на воз- ния лабораторных животных, необхо-
действие наночастиц и нановеществ. В димо искать адекватные альтернативы
литературе можно найти сотни приме- при исследовании наноинженерных ве-
ров, подтверждающих аксиоматичность ществ и материалов. С одной стороны это
и вероятность реагирования живых си- определяется тем, что в марте 2009 г. те-
стем [3, 4]. стирование определенных химических
Не вдаваясь в детали использования средств на животных было запрещено
метода Монте-Карло для анализа и оце- Европейским Союзом. Запрещение ка-
нок нанобиотехнологических экспери- сается проверки острой токсичности,
ментов и их результатов, отметим, что повреждений кожи, повреждений глаз и
стохастический алгоритм интегрирова- мутагенности [11]. Тесты на токсичность
ния методом Монте-Карло заключается с повторяющимися дозами, включая чув-
в случае многих (N) биомедицинских ствительность кожи, будут запрещены с
измерений в ограничении n-мерным марта 2013 г. [11]. С другой стороны, тен-
параллелепипедом (рис. 15), площадь денции к ограничению широкомасштаб-
которого Sn включает в себя все много- ного использования животных-моделей,
образие экспериментальных данных. В а также уникальные свойства нанове-
этом случае построение искомой модели ществ заставляют проявлять новые био-
методом Монте-Карло осуществляется медицинские инициативы на путях аль-
по формуле S = Sn(K/N), где K – число тернативного моделирования. Наряду с
экспериментальных точек под графиком in vitro-моделями изучение новых фар-
функции. Метод Монте-Карло прило- макологических свойств нановеществ и
жим к анализу сложных биологических наночастиц диктует необходимость раз-
систем или явлений, когда иные мате- работки специальных методов оценки
матические приемы слишком громоздки их эффективности на основе наногеном-
и трудоемки. Для метода Монте-Карло ных, нанотранскриптомных и нанопро-
имеется хорошо разработанный матема- теомных технологий.
тический аппарат и качественный про- Иррациональность полного отказа
дукт для компьютерной обработки. от исследования на животных очевидно
даже для начинающих профессионалов.
Заключение Ряд высококомпетентных авторов [14,
19] выдвинули гипотезу, что нет ни одно-
Стремительное развитие наноин- го подхода, не использующего животных
женерных технологий сопровождается для получения всеобъемлющей инфор-
явным отставанием нанобиотехнологи- мации об эффективности и безопасности
ческих исследований. Необходима выра- веществ. Существует множество форм
ботка единой технологической платфор- для достижения этих целей. Для оцен-
мы междисциплинарных экспериментов ки потенциальной чувствительности и
с наноинженерными веществами в био- адекватной оценки барьерных функций
логических, доклинических и клиниче- (бронхо-легочных, кожных, желудочно-
ских исследованиях (рис.16). кишечных, гематоэнцефалических и
Учитывая мировые биоэтические др.) человека, необходимо и возможно
22Наноинженерные лекарства...
Рис. 16. Технологическая платформа междисциплинарных биомедицинских исследований
наночастиц, нановеществ и лекарственных средств, созданных на основе наноинженерных
технологий. Обозначения: МБМ – мутантные белки-мишени; ADMET – Absorption, Distribution,
Metabolism, Extraction and Toxicity; QSAR – Quantitative Structure Activity Relationship; SBDD
– Structure-Based Drug Design; МАБП – мембранно-активные белки и пептиды; ГГЖ – гете-
рогенные животные, КрЖ – крупные животные (мини-свиньи, собаки, обезьяны); ГМЖ –
генномодифицированные животные;
изучение химического взаимодействия, а затем смотреть, являются ли эти же
пептидного взаимодействия, предраспо- гены ответственными за соответствую-
ложения тканевой биоактивности, вос- щие отклики у человека на ранних ста-
паления тканей, пролиферации Т-клеток диях испытаний. Генетический профиль
и др., но только в сочетании с корректны- животных проще чем у человека, а боль-
ми оценками на животных. шое количество генов, ответственных за
Генетические вариации в отклике на отклик нановеществ может быть легче
лекарства, ксенобиотики, токсиканты и найден и использован для создания пер-
нановещества у человека идентифици- сонифицированных лекарств.
ровать трудно, поскольку определение Предлагаемая нами технологическая
вариаций может опоздать. Целесообраз- платформа представляет собой замкну-
нее анализировать эти вариации на ге- тый цикл поиска и оценки эффективно-
терогенных животных, их инбредных, сти и безопасности нановеществ, как по-
трансгенных и нокаутных линиях, по- тенциальных инновационных лекарств
зволяющих определять гены, ответ- на путях от их скрининга до мониторин-
ственные за генетический полиморфизм, га возможных сайдэффектов в IV фазе
23Н. Н. Каркищенко
клинических наблюдений (рис.16). Важ- механизм их влияния на мембранные
ным элементом техноплатформы являет- белки и системы транспорта наночастиц
ся привнесение в традиционную схему в живых системах (рис.16).
изыскания и контроля действия новых Нановещества являются удобными
лекарств изучения специфических для кандидатами для создания фармаколо-
нановеществ и только им присущих осо- гических средств, осуществляющих ре-
бенностей влияния на термодинамику и гуляторные и управляющие воздействия
жизнедеятельность биосистем, таких как в ЦНС и в исполнительных органах.
наноэффективность, нанобезопасность, Способность фуллеренилов С60FnRn на-
фармакодинамики и фармакокинетики правленно влиять на интрацентральные
структур наноразмерного уровня. процессы головного мозга, изменять
Другим важным элементом предла- спектральные мощности электрической
гаемой техноплатформы является обя- активности мозга и когерентные функ-
зательное мониторирование эффектов ции, хорошо подтверждается измене-
нанолекарств (внеклинические испы- нием ими системных поведенческих
тания) во всех фазах клинических оце- реакций. Это дает основание думать о
нок и применения. Поскольку создается фуллеренах не только как об участниках
принципиально новый для медицинской в нанотранспортных процессах лекар-
практики класс лекарственных средств, ственных средств, но и как веществах
резко возрастает роль фармаконадзора прямого действия на структуры и про-
не только на этапах разрешения и вне- цессы головного мозга. На основании
дрения таких препаратов, но и на всем собственных данных мы прогнозируем
протяжении их широкого медицинского модифицированные фуллерены как воз-
применения. можные средства анксиолитического,
Нановещества не могут быть опре- ноотропного и других видов психотроп-
делены как простой гомогенный класс. ного действия.
Наши исследования фуллерена С60 и Важным моментом является изуче-
созданных на его основе фуллеренилов ние и оценка нанокинетических параме-
С60FnRn показали, что наряду с их общи- тров, которые могут быть получены из
ми чертами биологического действия, структуры нановеществ и их квантово-
каждое из наносоединений имеет свой механического взаимодействия с био-
облик фармакологического действия. Об- логическим окружением. Мы не можем
щими являются принципы траслокации вычленить изучение нанокинетики из
в клетках на основе единого механизма потенциального порядка действий, вклю-
образования окаймленных везикул и вза- чая оценку нанофармакодинамических
имодействия с CURL-системой. Мы об- компонентов и безопасности нанове-
наружили, что такие нановещества, как ществ (рис.16). Удобным и оптимальным
фуллеренилы, не только способны прео- на данном этапе является использование
долевать гематоэнцефалический барьер, байесовских функций, поскольку стоха-
но и взаимодействовать с органеллами стичность конечных эффектов наноин-
нейронов и глиальных клеток. Способ- женерных веществ, связанных с их сорб-
ность фуллеренов взаимодействовать с ционными свойствами, распределением,
GPCR-рецепторами позволяет раскрыть биотрансформацией и элиминацией кар-
24Наноинженерные лекарства...
динально отличаются от проявлений их фуллеренов // Биомедицина, № 1, с. 25-
большеразмерных аналогов. Математи- 30, 2009.
ческое и компьютерное моделирование 7. Методологические проблемы из-
нанобиотехнологических процессов в учения и оценки био- и нанотехнологий
живых системах на начальных этапах из- (нановолны, частицы, структуры, про-
учения может основываться на аксиома- цессы, биообъекты) в экологии человека
тике Колмогорова и методе Монте-Карло. и гигиене окружающей среды / Под ред.
Хотя поиск адекватных математических Ю.А. Рахманина – М., 2007.
моделей должен быть продолжен. 8. Основы политики Российской
Характеристика влияния созданных Федерации в области развития науки и
через наноинженерные технологии про- технологий на период до 2010 г. и даль-
дуктов на здоровье – вопрос, который нейшую перспективу // Поиск, № 16,
активно дебатируется и дискутируется. 2002.
Определение порядка действий для вы- 9. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И.
явления эффектов от нановеществ будет Фуллерены в биологии. – СПб: Изд-во
ключевым в понимании данных, полу- Росток, 2006.
ченных в эксперименте для их экстрапо- 10. Сарвилина И.В., Каркищенко
ляции в отношении человека. В.Н., Горшкова Ю.В. Междисциплинар-
ные исследования в медицине. – М.: Тех-
Литература носфера, 2007.
11. Directive 2003/15/EC of the
1. Арчаков А.И. Геномика, про- European Parliament and the Council of 27
теомика и биоинформатика – науки XXI February 2003 amending Council Directive
столетия // Медицинская кафедра, № 3, с. 76/768/EEC on the approximation of the
6-13, 2002. laws of the Member States relating to
2. Геномика в медицине. – М.: ИКЦ cosmetics products // Official Journal of the
«Академкнига», 2005. European Union, L66, 26-35, 2003. 1.
3. Каркищенко Н.Н. Альтернативы 12. FDA’s critical path initiative. –
биомедицины. Т.1. Основы биомедици- Rockville, MD, USA: US food and drug
ны и фармакомоделирования. – М.: Изд- administration // http://www.fda.gov/oc/
во ВПК, 2007. initiatives/criticalpath/ .
4. Каркищенко Н.Н. Альтернативы 13. Fujimoto M., Okabayashi T.
биомедицины. Т.2. Классика и альтерна- Functional properties and “Tright turn”
тивы фармакотоксикологии. – М.: Изд-во connections of clathrin-cjfted endocytic
ВПК, 2007. vesicles // Life Sci, vol.30, No 1, pp.51-57,
5. Каркищенко Н.Н. Нанобезопас- 2002.
ность: новые подходы к оценке рисков и 14. Jowsey I.R. Proactive surveillance
токсичности наноматериалов // Биомеди- of contact allergies: an important component
цина, № 1, с. 5-18, 2009. of the risk management strategy for skin
6. Каркищенко Н.Н., Сахаров Д.С., sensitizers // Contact Dermatitis, 56, 305-
Филиппов А.А., Соколов В.Б. Спектраль- 310, 2007.
ная мощность ЭЭГ крыс при интрапери- 15. Kenakin T.A Pharmacology Primer.
тонеальном введении фторсодержащих – Academic Press [Elsevier], 2006.
25Вы также можете почитать
