Ортопедія, травматології

Останні дев’ять десятиліть застосовували біоімплантати з розмірами приблизно від 1 до 10⁴ мкм. Недоліки сучасних імплантатів, такі як недосконала біологічна сумісність, запалення, утворення фіброзної тканини тощо, не можуть цілком задовольняти клініцистів і хворих та спонукають пошук нових матеріалів. Це призвело до дослідження нанорозмірних об’єктів, зокрема наночастинок, нановолокон і нанотрубок, для використання їх в травматології, ортопедії та реабілітації. Застосування нанотехнологій також спонукається баченням наноструктурної будови кістки як органа, наномасштабних механізмів росту і регенерації кісткової тканини. Нанокомпозити і наноструктурні матеріали грають кардинальну роль у ортопедичних дослідженнях, так як сама кістка є типовим прикладом нанокомпозиту [Chun A.L. et al., 2007; Ejiofor J., Webster T.J., 2008; Jain K.K., 2008].

Тканинна інженерія виникла як перспективна альтернатива для заміщення втрачених або уражених тканин чи органів з уникненням ускладнень, пов’язаних із застосуванням традиційних трансплантатів [Langer R., Vacanti J.P., 1993]. Тканинна інженерія покликана відновити ушкоджену тканину шляхом застосування штучних тканинних замінників, які можуть підтримувати функціональність протягом регенерації і в кінцевому рахунку поєднуються (інтегрують) з тканинами організму. У даній роботі узагальнені результати досліджень вчених світу, що торкаються застосування нанобіоматеріалів для покращення властивостей ортопедичних матеріалів і їх застосування в напрямку інженерії кісткової тканини.

Взаємодія нанорозмврних структур з кістковою тканиною. Успішність застосування ортопедичних імплантатів і конструкцій для клітинної інженерії залежить від обраного біоматеріалу. Одним з ключових факторів, який визначається при невдачах обох типів імплантатів є недостатня тканинна регенерація навколо цих біоматеріалів одразу після імплантації. Це пояснюється низькою поверхневою взаємодією біоматеріалу з тканинами організму. Відомо, що введення імплантату в живий організм спричиняє специфічні реакції у біологічному середовищі. Біомолекули і клітини разом із властивостями обраного біоматеріалу визначають біосумісність і довговічність імплантату. Тому вчені приділяють увагу вивченню взаємодії імплантатів із тканинами організму з урахуванням їх будови і фізико-хімічних властивостей для досягнення максимальної біологічної сумісності, прискорення часу відновлення тканин.

Дослідження показали, що усі живі системи регулюються молекулярними наномасштабними взаємодіями. Організація клітин і відповідні властивості тканини значно залежать від структури екстрацелюлярного матриксу (ЕЦМ). ЕЦМ має складну ієрархічну будову із просторовими і часовими рівнями організації, які охоплюють декілька порядків величин від нанометрів до сантиметрів. Через це клітинам притаманна взаємодія з наноструктурними поверхнями. Тому стає очевидним, що біоматеріали, які створені з нанометрових компонентів, мають перевагу з біологічної точки зору і вивчаються як перспективні [Chun A.L. et al., 2007; Li W.J. et al., 2006б; Webster T.J. et al., 2000].

Загальним об’єктом досліджень в ортопедії є створення біоматеріалів, які б підтримували клітинний і тканинний ріст. У природній тканині наномасштабні взаємодії білків є ключовими у контролюванні функцій клітин, таких як проліферація, міграція і продукція ЕЦМ (Benoit D.S.W., Anseth K.S., 2005). Абсорбція білків в свою чергу залежить від розмірів і поверхневих властивостей імплантованих біоматеріалів: їх шорсткості, заряду, гідрофільності, інших хімічних властивостей [Wilson C.J. et al., 2005]. Нещодавні дослідження показали, що унікальні властивості нанобіоматеріалів запроваджують взаємодію з білками, які контролюють клітинні функції [Webster T.J. et al., 2001б; Yao C. et al., 2005].

Нанобіоматеріали мають збільшену кількість атомів і кристалічних зерен на їх поверхнях і володіють вищим співвідношенням площа поверхні/об’єм ніж звичайні мікророзмірні біоматеріали. Ці відмінності у поверхневій топографії змінюють відповідну поверхневу енергію абсорбції білків. Літературні дані вказують, що абсорбція білків з біологічних рідин є значно більшою за менших, нанометрових, розмірів матеріалів [Webster T.J. et al., 2001б; Yao C. et al., 2005]. Зокрема відомо, що взаємодія чотирьох білків, які посилюють функцію остеобластів – фібронектину, вітронектину, ламініну і колагену – є більшою на нанобіоматеріалах у порівнянні зі звичайними матеріалами. T.J. Webster та співавтори (2001) пов’язують підвищену абсорбцію, конформацію і активність вітронектину з підвищеною адгезією остеобластів на нанофазному глиноземі [Webster T.J. et al., 2001б].

На додаток до моделювання абсорбції білків, вивчаються контроль за густиною, кластероутворенням і орієнтацією клітинних сигнальних епітопів абсорбованих протеїнів [Benoit D.S.W., Anseth K.S., 2005]. Конформаційні зміни білків, абсорбованих на нанофазних матеріалах, на противагу звичайним, забезпечують доступність специфічних епітопів клітинної адгезії, що підвищує прилипання і функцію остеобластів. Причому було показано, що остеобласти пристають до певних амінокислотних послідовностей білків, наприклад Арг-Глі-Асп, абсорбованих на поверхні біоматеріалу. Через те, що адгезія остеобластів на поверхнях ортопедичних імплантатів є обов’язковою для синтезування ЕЦМ цими клітинами і подальшої мінералізації, оптимізація первинної абсорбції білків є невід’ємною для успішного застосування імплантатів. Все більше стає очевидним, що в основі модулювання цих білкових взаємодій і подальшої поведінки клітин та тканинної регенерації, лежить застосування нанобіоматеріалів.

Нанобіоматеріали як кісткові імплантати.Можливість моделювання поведінки клітин за допомогою нанобіоматеріалів спонукала велику кількість досліджень з цієї проблеми. Ми зосередимося на біоматеріалах для кісткової тканини, як прикладі сучасних розробок в ортопедії і реабілітації.

Біоміметичні нанокомпозити.Ідея застосування нанотехнологій для оптимізації поверхонь ортопедичних імплантатів виникла на основі розуміння нанорозмірної будови ЕЦМ. У тривимірній структурі органічні і неорганічні компоненти кісткового ЕЦМ формують середовище, наповнене інформаційними сигналами для клітин кісткової тканини. Неорганічний компонент кісткового ЕЦМ представлений нанорозмірними кристалами фосфату кальцію (CaP) гідроксиапатиту (ГА). З точки зору природних компонентів кістки, матеріали на основі СаР є логічним вибором в якості біоматеріалу. Дійсно, кераміка з СаР показує добрі біологічні властивості, так як її поверхня формує хімічні зв’язки з кісткою [Ducheyne P. et al., 1992]. Однак механічні властивості об’ємних синтетичних матеріалів з СаР недостатні для їх застосування для витримування навантаження в ортопедичних ділянках. Через це СаР найчастіше застосовують в якості покриття на металічних (переважно з титану чи сплавів) об’ємних матеріалах.

Найбільш перспективною є методика покриття ортопедичних матеріалів за допомогою електростатичного розпилювального відкладення (electrostatic spray deposition, ESD) СаР через можливість настроювання морфології і складу покриття. Через це ESD дозволяє створювати пористі покриття СаР, які мають більшу площу поверхні доступну до взаємодії з білками, а також застосовувати їх для доставки лікарських засобів [Leeuwenburgh S. et al., 2003].

Наноструктурні біоматеріали. Зменшення розмірів керамічних зерен призводить до підвищення функції кісткових клітин. Зокрема, порівняно зі звичайними мікрометровими керамічними конструкціями, кераміка, синтезована окремо із сферичних нанометрових часточок глинозему, титану і ГА підвищувала клітинну адгезію остеобластів in vitro. Підвищена функція остеобластів також спостерігалася на кераміці зі сферичними частинками (а, отже, поверхневими сферичними випуклостями) меншими 60 нм [Webster T.J. et al., 1999]. Таким чином, здатність нанорозмірної кераміки сприяти функції кісткових клітин обмежена розмірами зерен до 100 нм. Подальші дослідження вказують, що на нанорозмірній кераміці підвищення відкладення кальцію остеобластами супроводжується підвищенням функції остеокластів (Webster T.J. et al., 2000; Webster T.J. et al., 2001а). Зокрема відкладення кальцію остеобластами на нанорозмірному глиноземі і діоксиді титану було більшим, ніж на відповідній звичайній керамічній формації. Синтез остеокластами тартрат-резистентної кислої фосфатази і подальше формування ділянок резорбції було також більшим на наноструктурній кераміці, порівняно із такою звичайних розмірів. Іншим важливим конструктивним параметром ортопедичних матеріалів є співвідношення сторін частинок. Консолідовані основи, сформовані з нановолокнистого глинозему з діаметром 2 нм і довжиною понад 50 нм, демонстрували значне підвищення функції остеобластів in vitro у порівнянні із подібними основами з глинозему, сформованими зі сферичних наночастинок [Price R.L. et al., 2003].

Вплив шорсткої керамічної поверхні на остеоінтеграцію імплантатів вивчали К.С. Popat і співавтори (2007). Порівнювалася остеоінтеграція стовбурових клітин кісткового мозку на нанотубулярних та плоских поверхнях діоксиду титану in vitro. Клітини, які вирощували на нанотубулярних поверхнях показали більшу адгезію і проліферацію, активність лужної фосфатази і відкладення кісткового матриксу порівняно із клітинами, які культивувалися на плоских поверхнях. Після підшкірної імплантації щурам матеріалу з нанотубулярною поверхнею запалення чи фіброзу виявлено не було, через що автори припускають, що матеріали з такими поверхнями сприяють остеоінтеграції без запальної реакції [Popat K.C. et al., 2007].

На додаток до кераміки, нанофазні метали (такі як титан, Ті₆Аl₄V, CoCr) і полімери також показали нові властивості, сприяючи функції кісткових клітин на кераміці. Дослідження з нанофазним селеном, який має протипухлинні властивості, показали можливість застосування цього металóїду у створенні імплантатів при злоякісних новоутвореннях кісток [Perla V., Webster T.J., 2005]. У цьому дослідженні шорсткість поверхні була отримана шляхом консолідації наночастинок. Шорсткість поверхні створюється і іншими методами. Порівняно із неанодизованим титаном більша адгезія остеобластів і відкладення мінеральних речовин in vitro спостерігалася на анодизованому титані з нанометровими трубками [Yao C. et al., 2005]. Такі ж властивості спостерігалися і в анодизованого алюмінію [Popat K.C. et al., 2005]. Аналогічно, збільшена функція остеобластів in vitro була визначена на нанофазі з полі(молочною-ко-гліколевою кислотою), порівняно зі звичайним діоксидом титану [Palin E. et al., 2005]. Ці результати показують, що поверхнева шорсткість наноматеріалів може бути замінена полімерами для поліпшення ефективності ортопедичних імплантатів.

Нещодавно в якості покращення ортопедичних імплантатів з титану послужили нанокристали ГА і спіральні розеткові нанотрубки [Zhang L. et al., 2008]. Останні є новим наноматеріалом, які імітують природню наноструктуру колагену та інших компонентів кістки.

Нанобіоматеріали як основа для інженерії кісткової тканини.Інженерія кісткової тканини із застосуванням нанобіоматеріалів виникла як альтернатива звичайних методів відновлення кісткових дефектів. Ця галузь медицини в цілому знаходиться на початкових етапах, але розвивається експоненційно. На додаток до підвищення біологічної активності і тканинної інтеграції, наноматеріали можуть також бути використані для поліпшення механічних властивостей основ (scaffolds) з метою досягнення властивостей природної тканини.

Нанокомпозитні кісткові трансплантати, які зроблені з ГА, сприяють кращій остеокондукції і пов’язаним функціям, порівняно зі звичайними матеріалами і, як наслідок більш ефективній реабілітації [Kikuchi M. et al., 2001]. Однак вони не мають остеоіндуктивності і їх біологічне розкладання повільне. Для уникнення цих недоліків, полімери, що біологічно розкладаються (наприклад колаген), можуть бути застосовані для приєднання композитів до остеогенних клітин та остеоіндуктивних ростових факторів. Засновуючись на експериментальних результатах, нанокомпозитна система ГА-колаген була визначена перспективною для інженерії кісткової тканини. У наступних дослідженнях система наноГА/колаген/остеобласти була розвинена у поєднанні із полімолочною кислотою [Liao S.S. et al. 2004]. Виявилося, що така конструкція підтримує клітинну адгезію, проліферацію і міграцію. Ця система має великий потенціал для відновлення великих кісткових дефектів, засновуючись на принципах інженерії кісткової тканини.

Дослідження показали значне підвищення функції кісткових клітин при інкорпоруванні керамічних наночастинок у полімерні композити (Liu H. et al., 2005). Зокрема, приблизно втричі більше остеобластів приєдналося до полі(молочної-ко-гліколевої кислоти), коли вона вміщувала нанофазу, порівняно зі звичайним діоксидом титану з такими же співвідношенням маси і пористістю [Smith T.A., Webster T.J., 2005].

Хімічно функціоналізовані одностінні вуглецеві нанотрубки (ОВНТ) застосовані у якості основи для росту штучного кісткового матеріалу [Zhao et al., 2005]. Міцність, гнучкість і низька маса ОВНТ дає можливість їм виступати в якості основи для підтримки регенеруючої кістки. ОВНТ можуть імітувати роль колагену як основи для індукції росту кристалів ГА. Шляхом хімічної обробки нанотрубок можливим є приєднання йонів кальцію і підтримування процесу кристалізації одночасно з покращенням біосумісності цих нанооб’єктів у зв’язку зі збільшенням водорозчинності. ОВНТ поліпшують гнучкість і міцність штучної кістки, нових типів кісткових імплантатів.

Кісткові клітини можуть рости і проліферувати на основі з вуглецевих нанотрубок (ВНТ). Так як ВНТ не зазнають біодеградації, вони служать інертною матрицею, на якій клітини можуть проліферувати і відкладати новий кістковий матеріал, який, як наслідок, стає функціональноспроможною нормальною кістковою тканиною [Zanello et. al., 2006]. ВНТ мають нейтральний електричний заряд, підтримуючий ріст клітин і синтез плоских кристалів. ВНТ перспективні у відновленні кісткових дефектів в організмі людини, пов’язаних із видаленням пухлин, травмами і ненормальним розвитком кісток. Потрібні додаткові дослідження для визначення, як організм буде взаємодіяти з ВНТ, зокрема яка на них формується імунна відповідь.

Основи з нановолокон. Матриці з нановолокон виявилися вражаюче перспективними як основа для тканинної інженерії при відновленні структури кісток (Zhang Y. et al., 2005). Нановолокна завдяки видовженій будові, на відміну від наночастинок, більш підходящі для застосування в якості базисних компонентів для тканинної інженерії. Перевагами основ, зроблених із надтонких довгих волокон, є висока пористість, варіабельний розподіл розмірів пор, високе співвідношення поверхня/об’єм і, що найважливіше, морфологічна подібність до природного ЕЦМ (Li W.J. et al., 2002). На додаток результати досліджень in vivo [Li W.J. et al., 2005б] та in vitro [Shin M. et al., 2004] показали, що мезенхімальні стовбурові клітини зазнають остеогенної диференціації за підтримки основи з нановолокон. Стромальні клітини кісткового мозку людини добре пристають і проліферують на полімерних нановолокнистих основах. Клітини поперечно з’єднуються із нановолокнами у матриксі і формують тривимірну клітинну сітку. Навіть якщо діаметр пор нановолокнистого матриксу є малим, було виявлено, що клітини мігрували матриксом оптимізуючи розмір пор. Клітини амебоподібними рухами проштовхували оточуючі волокна убік, так як останні мають дуже низький опір.

Для отримання нановолокон в останні роки часто застосовують метод електроформування або електроспінінгу (electrospinning) через унікальні властивості і відносну легкість створення основ за допомогою цієї технології [Zhang Y. et al., 2005]. Велика кількість полімерних біоматеріалів, включаючи небіодеградуючі і біодеградуючі (природні чи штучні) полімери перетворені на волокнисту основу. Небіодеградуючі полімери, такі як поліуретан [Lee C.H. et al., 2005], поліестеруретан [Riboldi S.A. et al., 2005] можна застосовувати для створення тканин, які потребують значної механічної стабільності, таких як зв’язки, м’язи, але їх довгоживучість в цілому перешкоджає тканинному обороту і ремоделюванню. Тому більша увага в тканинній інженерії приділяється біодеградуючим полімерам. Комбінована ферментативна і гідролітична деградація полімерів створює простір в основі, який сприяє проліферації клітин і відкладенню синтезованого ЕЦМ. На сьогодні більш ніж 100 різних біодеградуючих полімерів створені за допомогою електроспінінгу і понад 30 з них застосовують в різноманітних напрямках тканинної інженерії [Li W.J. et al., 2005a]. Серед природних полімерів для ортопедичних застосувань були сформовані у тривимірну нановолокнисту основу колаген, желатин, фіброїн шовку, еластин, фібриноген, гіалуронан і хітозан.

Серед синтетичних полімерів, які біологічно розкладаються і виявилися перспективними для застосування в ортопедії, є полі(α-гідроксиефірні) полімери [Li W.J. et al., 2006а]. На додаток до полі(α-гідроксиефірів), поліфосфазени, які також біологічно розкладаються, вивчені як можливий матеріал для нановолокон. Поліфосфазени формують унікальний клас полімерів через їх високу біосумісність, нетоксичність продуктів розпаду і синтетичну гнучкість, що дозволяє створювати полімери, які мають унікальні хімічні, фізичні і біологічні властивості [Nair L.S. et al., 2004]. Крім того, показана можливість створення композитних нановолокон шляхом інкапсулювання наночастинок ГА нановолокнами поліфосфазену з метою розробки основи для інженерії кісткової тканини, яка має кращу остеокондуктивність і остеоіндуктивність [Bhattacharyya S. et al., 2005].

ЗАКЛЮЧЕННЯ. Так як в основі росту і регенерації кісткової тканини лежать наномасштабні процеси, нанобіоматеріали є адекватним вирішенням проблем ортопедії і травматології, а також реабілітації хворих. Вони здатні забезпечувати не лише механічну стабільність, а й прискорювати регенерацію кісткової тканини. Нанотехнології застосовуються для покращення властивостей існуючих імплантатів, а також створення основ для інженерії кісткової тканини як галузі тканинної інженерії.

Хоча дослідження in vitro та in vivo підтримують застосування нанобіоматеріалів в ортопедії і травматології, необхідне подальше вивчення цих сполук для реалізації усіх їх потенціалів.

ЛІТЕРАТУРА

Benoit D.S.W., Anseth K.S. (2005) The effect on osteoblast function of colocalized RGD and PHSRN epitopes on PEG surfaces. Biomaterials, 26: 5209–5220.

Bhattacharyya S., Lakshmi S., Nair L.S. et al. (2005) Development of biodegradable polyphosphazene-nanohydroxyapatite composite nanofibers via electrospinning. MRS Symposium Proceedings, 845: 91–96.

Chun A.L., Moralez J.G., Webster T.J., Fenniri H. (2007) Self-assembled organic nanotubes: novel bionanomaterials for orthopedics and tissue engineering . In: T. Vo-Dinh (Ed.) Nanotechnology in biology and medicine: methods, devices, and applications, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, pp. 2-1–1-14.

Ducheyne P., Bianco P., Radin S. et al. (1992) Bioactive materials: mechanisms and bioengineering considerations. In: Ducheyne P., Kokubo T., VanBlitterswijk C.A., (Еds.) Bone-bonding biomaterials. Reed Healthcare Communications, Netherlands, Liederdorp, pр. 1–112.

Ejiofor J., Webster T.J. (2008) Biomedical applications: Implants. In: J.A. Schwarz, C.I. Contescu, K. Putyera (Eds.) Dekker encyclopedia of nanoscience and nanotechnology, Vol. 1, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, pp. 327–338.

Jain K.K. (2008) The handbook of nanomedicine. Humana Press, Basel, Switzerland, 403 p.

Kikuchi M., Itoh S., Ichinose S. et al. (2001) Self-organization mechanism in a bone-like hydroxyapatite/collagen nanocomposite synthesized in vitro and its biological reaction in vivo. Biomaterials, 22: 1705–1711.

Langer R., Vacanti J.P. (1993) Tissue engineering. Science, 260: 920–926.

Lee C.H., Shin H.J., Cho I.H. et al. (2005) Nanofiber alignment and direction of mechanical strain affect the ECM production of human ACL fibroblast. Biomaterials, 26: 1261– 1270.

Leeuwenburgh S., Wolke J., Schoonman J. et al. (2003) Electrostatic spray deposition (ESD) of calcium phosphate coatings. J. Biomed. Mater. Res., 66A: 330–334.

Li W.J., Laurencin C.T., Caterson E.J. et al. (2002) Electrospun nanofibrous structure: a novel scaffold for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res., 60: 613–621.

Li W.J., Mauck R.L., Tuan R.S. (2005а) Electrospun nanofibrous scaffolds: production, characterization, and applications for tissue engineering and drug delivery. J. Biomed. Nanotechnol., 1: 259–275.

Li W.J., Tuli R., Huang X. et al. (2005б) Multilineage differentiation of human mesenchymal stem cells in a three-dimensional nanofibrous scaffold. Biomaterials, 26: 5158–5166.

Li W.J., Cooper J.A., Mauck R.L. et al. (2006а) Fabrication and characterization of six electrospun poly(alpha-hydroxy ester) based fibrous scaffolds for tissue engineering applications. Acta Biomater., 2: 377–385.

Li W.J., Jiang Y.J., Tuan R.S. (2006б) Chondrocytes phenotype in engineered fibrous matrix is regulated by fiber size. Tissue Eng., 12: 1775–1785.

Liao S.S., Cui F.Z., Zhu X.D. (2004) Osteoblasts adherence and migration through three-dimensional porous mineralized collagen based composite: nHAC/PLA. J. Bioact. Compat. Polym., 19: 117–130.

Liu H., Slamovich E.B., Webster T.J. (2005) Increased osteoblast functions on nanophase titania dispersed in poly-lactic-co-glycolic acid composites. Nanotechnology, 16: S601–S608.

Nair L.S., Bhattacharyya S., Bender J.D. et al. (2004) Fabrication and optimization of methylphenoxy substituted polyphosphazene nanofibers for biomedical application. Biomacromolecules, 5: 2212–2220.

Palin E., Liu H., Webster T.J. (2005) Mimicking the nanofeatures of bone increases bone-forming cell adhesion and proliferation. Nanotechnology, 16: 1828–1835.

Perla V., Webster T.J. (2005) Better osteoblast adhesion on nanoparticulate selenium—a promising orthopedic implant material. J. Biomed. Mater. Res., 75: 356–364.

Popat K.C., LearySwan E.E., Mukhatyar V. et al. (2005) Influence of nanoporous alumina membranes on long-term osteoblast response. Biomaterials 26: 4516–4522.

Popat K.C., Leoni L., Grimes C.A., Desai T.A. (2007) Influence of engineered titania nanotubular surfaces on bone cells. Biomaterials. 28(21): 3188–3197.

Price R.L., Gutwein L.G., Kaledin L. et al. (2003) Osteoblast function on nanophase alumina materials: influence of chemistry, phase and topography. J. Biomed. Mater. Res., 67A: 1284–1293.

Riboldi S.A., Sampaolesi M., Neuenschwander P. et al. (2005) Electrospun degradable polyesterurethane membranes: potential scaffolds for skeletal muscle tissue engineering. Biomaterials, 26: 4606–4615.

Shin M., Yoshimoto H., Vacanti J.P. (2004) In vivo bone tissue engineering using mesenchymal stem cells on a novel electrospun nanofibrous scaffold. Tissue Eng., 10: 33–41.

Smith T.A., Webster T.J. (2005) Increased osteoblast function on PLGA composites containing nanophase titania. J. Biomed. Mater. Res., 74A: 677–686.

Webster T.J., Siegel R.W., Bizios R. (1999) Osteoblast adhesion on nanophase ceramics. Biomaterials, 20: 1221– 1227.

Webster T.J., Ergun C., Doremus R.H. et al. (2000) Enhanced functions of osteoblasts on nanophase ceramics. Biomaterials, 21: 1803–1810.

Webster T.J., Ergun C., Doremus R.H. et al. (2001а). Enhanced functions of osteoclast-like cells on nanophase ceramics. Biomaterials, 22: 1327–1333.

Webster T.J., Schadler L.S., Siegel R.W. et al. (2001б) Mechanisms of enhanced osteoblast adhesion on nanophase alumina involve vitronectin. Tissue Eng., 7: 291–301.

Wilson C.J., Clegg R.E., Leavesley D.I. et al. (2005) Mediation of biomaterial-cell interactions by adsorbed proteins: a review. Tissue Eng., 11: 1–18.

Yao C., Perla V., McKenzie J. et al. (2005) Anodized Ti and Ti6A14V possessing nanometer surface features enhance osteoblast adhesion. J. Biomed. Nanotechnol., 1: 68–77.

Zanello L.P., Zhao B., Hu H., Haddon R.C. (2006) Bone cell proliferation on carbon nanotubes. Nano Lett., 6: 562–567.

Zhao B., Hu H., Mandal S.K., Haddon R.C. (2005) A bone mimic based on the self-assembly of hydroxyapatite on chemically functionalized single-walled carbon nanotubes. Chem. Mater., 17: 3235–3241.

Zhang Y., Lim C.T., Ramakrishna S., Huang Z.-M. (2005) Recent development of polymer nanofibers for biomedical and biotechnological applications. J. Materials Science: Materials in Medicine, 16: 933–946.

Zhang L., Chen Y., Rodriguez J. et al. (2008) Biomimetic helical rosette nanotubes and nanocrystalline hydroxyapatite coatings on titanium for improving orthopedic implants. Int. J. Nanomed., 3(3): 323–333.

Офтальмологія

Доставка ліків до ока – одне з важливих завдань для фармакологів, фармацевтів та офтальмологів внаслідок анатомо-фізіологічних особливостей даного органа, а також фармакокінетики препаратів, що застосовуються для лікування очних хвороб. Анатомія, фізіологія та біохімія ока обумовлюють його значну непроникність для чужорідних субстанцій. В оці зовнішній та внутрішній гематоретинальний бар’єри відмежовують сітківку та склисте тіло від системного кровообігу та зменшують обмін молекулами внаслідок відсутності клітинних компонентів у цих структурах ока (Анестезия в офтальмологии. 2007; Behar-Cohen F., 2004).

Розвиток систем доставки лікарських засобів є надзвичайно важливим у лікуванні захворювань сітківки та склистого тіла не тільки з метою покращення ефективності дії препаратів, але і з метою зменшення побічних реакцій на медикаменти. Ціленаправлена дія медикаментів є дуже важливою для лікування хороїдальної неоваскуляризації, діабетичної ретинопатії, оклюзії центральної вени сітківки та пухлин.

Доставка препаратів до тканин ока має 3 головні мети [Wong C.G., Rich K.A., Liaw L.H., 2001; Labhasetwar V., 2005; Yih T.C., 2006]:

1. Збільшити проникаючу властивість медикаментів до патологічного процесу.

2. Контролювати вивільнення діючої речовини із лікарської форми (мікросфери, ліпосоми, внутрішньоочні імплантати).

3. Значно підвищити фармакотерапевтичні дії фармакологічних засобів.

При розробці систем доставки препаратів до тканин ока важливими є відповідний розмір часточок, що забезпечує низький рівень подразнення, адекватну біодоступність та спорідненість із тканинами ока. Найкращою формою доставки препаратів до ока є очні краплі, що не викликають порушення зору, подразнення та використовуються 1-2 рази на день. Хоча доставка ліків до передніх частин ока досягається шляхом використання місцевих засобів, лише мала частина їх може в такому разі досягнути його задніх частин.

Використання нанотехнологічних форм доставки препаратів, таких як наносуспензії, жиророзчинні наночастинки та ліпосоми, призвело до вирішення багатьох проблем, пов’язаних із застосуванням у клінічній практиці нерозчинних лікарських препаратів (дексаметазон, ганцикловір).

Доставка лікарських засобів нанорозмірів може стати найкращими системами транспортування медикаментів до тканин ока у разі захворювань, що потребують частого використання препарату – наприклад при хронічному цитомегаловірусному ретиніті. У такому випадку краще застосовувати препарати, наприклад, ганцикловір, спрямовуючи їх у склисте тіло. Але період напіввиведення препарату – 13 годин, тому потрібні часті ін’єкції для підтримання терапевтичної концентрації речовини. Можна використовувати імплантати ганцикловіру у склисте тіло, що забезпечує вивільнення препарату від 6 до 8 місяців, але це може спричинити розвиток астигматизму, кровотечі, а також потребу у хірургічному втручанні, щоб видалити імплантат [Dunn J.P., Van Natta M., Foster G. et al 2004; Kayser O., Lemke A., Hernandes-Trejo N., 2005].

Цих складнощів можна уникнути, використовуючи наночастинки, наприклад, альбумін, через їх малий розмір та властивості контролювати вивільнення лікарської речовини. Коли такі частинки надходять до ока, вони не викликають розвиток запального процесу у тканині сітківки та не впливають на організацію навколишніх тканин даного органу. Досліди показали, що альбумінові наночастинки можуть використовуватись як ефективні лікарські форми при офтальмологічних захворюваннях – хронічному цитомегаловірусному ретиніті, тому що комбіновані препарати значно менше токсичні та не викликають розвиток антитіл. Внаслідок того, що вони сладаються з великої кількості заряджених амінокислот, альбумінові наночастинки сприяють адсорбції позитивно зарядженого ганцикловіру (Irache J.M., 2005).

Великою проблемою ін’єкцій медикаментів у склисте тіло є індукція патогенетичної імунної відповіді, що веде до дегенерації фоторецепторів [Merodio M., Irache J.M., Valamanesh F., et al 2002]. Різноманітні дослідження довели, що застосування наночастинок всередині склистого тіла не призводить до активації органоспецифічної імунної відповіді [Caspi R.R., 1990; Chan C.C., 1990].

В офтальмології використовують як наночастинки, так і наночасточкові форми доставки ліків – мікроемульсії та наносуспензії. Мікроемульсії є альтернативою до місцевих лікарських форм внаслідок їх фармакологічних якостей та специфічної структури. Такі форми препаратів можна легко приготувати шляхом емульсифікації, простерилізувати, вони стабільні та мають значну здатність розчиняти лікарські речовини (Vandamme T.F., 2002). Використання олійно-водяних емульсій має також перевагу в тому, що присутність сурфактанту та косурфактанту збільшує проникність препарату через рогівку [Lawrence M.J., Bochot A., Couvreur E., et al 2000]. Малий поверхневий натяг емульсій забезпечує добре поширення їх на рогівці та покращення контакту між лікарською речовиною та рогівковим епітелієм.

Полімерні наночасточкові суспензії, приготовані з інертних полімерних смол, можуть бути використані як ефективні форми доставки ліків, здатні на пролонговану дію та підвищену біоактивність. Внаслідок того, що такі форми не подразнюють рогівку, радужку чи кон’юнктиву, вони діють як інертні системи доставки фізіологічно активних лікарських речовин до патологічного процесу. Флурбіпрофен, використаний у вигляді полімерної наночасткової суспензії, виготовлений із полімерних смол, може попередити розвиток міозу при хірургічному втручанні з приводу екстракапсулярної катаракти (Pignatello R., 2002].

Ліпосоми – маленькі штучні пухирці, які виготовляються з природних фосфоліпідів та холестеролу. Їх властивості залежать від розміру, виготовлення, заряду, ліпідного складу. Ліпосоми відносяться до об’єктів реальної наномедицини. Світова фармацевтична промисловість виробляє понад 20 комерційних ліпосомативних препаратів, серед них деякі лікарські засоби розроблені в Україні. Ліпідний бішар ліпосоми та біологічної мембрани живої клітини мають близьку структуру та склад. Особливості будови ліпосом та їхня біологічна сумісність із клітиною привернула до них увагу в якості переносника лікарських препаратів. Ліпосомальний вітчизняний препарат Ліпофлавон містить у фосфоліпідному бішарі ліпосоми кверцетин – універсальний фармакофор і проявляє антиокислювальну, анти радикальну дію із здатністю до їх хелатації іонів металів та впливу на ферментні системи.

Гідродинамічний розмір ліпосом Ліпофлавону близько 140 нм. Він представлений у вигляді ліофілізованих ліпосом для розчину для інфузії та очних крапель. Ліпофлавон у вигляді розчину для інфузії застосовують у клініці при кардіоміопатії, інфаркті міокарда, нестабільній стенокардії. Ліпофлавон у формі очних крапель – один із перших ліпосомальних препаратів для фармакотерапевтичного застосування в офтальмології при травматичних, запальних та опікових ураженнях рогівки. Препарат різко скорочує тривалість суб’єктивних компонентів синдрому ерозії рогівки, удвічі прискорює видалення набряку рогівки, скорочує період епіталізації, покращує гостроту зору і поле зору (Григор’єва Г.С., 2008). Фосфатидилхолінові ліпосоми проявляють антигіпоксичну, антиоксидантну і детоксикуючу дію при патологічних процесах, у яких провідними ушкоджуючими механізмами є тканинна гіпоксія та активація процесів вільно-радикального окислення, що викликають порушення структури і функції клітинних мембран. Лікарський препарат являє собою ліофілізований яєчний фосфатидилхолін, що добре переходить в суспензію у воді та кристалоїдних розчинах з утворенням ліпосом. Клінічне застосування Ліпіну при захворюваннях, які супроводжуються гіпоксією і активацією перекисного окислення ліпідів, дозволено Державним фармакологічним центром МОЗ України [Хромов О.С., Соловйов А.І., 2008].

Позитивно заряджені ліпосоми краще затримуються на негативно зарядженій поверхні рогівки, ніж нейтральні чи негативно заряджені ліпосоми. Досліди свідчать, що ліпосоми збільшують проникність препарату через рогівку, адсорбуючись на її поверхні, шляхом безпосереднього переносу лікарської речовини з оболонки ліпосом на стінку епітеліальної клітини. Показано, що вміщені у ліпосому фосфодіестеразні олігонуклеотиди вивільнюються у склистому тілі та судинах сітківки, а також спостерігається менше розповсюдження препарату на склеру та кришталик. До того ж, ліпосоми допомагають зберегти фосфодіестеразні олігонуклеотиди від деградації. В офтальмології ліпосоми широко не використовуються через їх короткочасну придатність до використання [Bochot A., Couvreur P., Fattal E., 2002].

Циклодекстрини – група циклічних олігосахаридів, що здатні створювати комплекси з багатьма лікарськими засобами. У офтальмологічних дослідженнях встановлено, що застосування циклодекстринів збільшувало рогівкову проникність, абсорбцію та ефективність малорозчинних у воді препаратів – дексаметазону, циклоспорину. Циклодекстрини діють як справжні переносники, зберігаючи гідрофобні молекули препарату в розчині та доставляючи їх до поверхні, де вони діляться. повідомляють про значно збільшену біодоступність пілокарпіну у 5% розчині 2 – гідроксипропіл-β-циклодекстрину, ніж пілокарпіну, розчиненого у воді. Невелика кількість засвоюваного циклодекстрину може проникати у рогівку, кон’юнктиву, склеру чи інші структури ока, але це не є небезпечним [Freedman K.A., Klein I.W., Crosson C.E., 1993; Naveh N., 1994; Loftssona T., Jarvinen T., 1999].

Використання контактних лінз з наночастинками може бути доброю альтернативою очним краплям. Виявлено, що при застосуванні контактних лінз час перебування молекул препарату в оці буде довшим, ніж 2-5 хв., як при застосуванні очних крапель [Bourlais C.L., Vandamme T.T., 1998]. Це забезпечує збільшення проникності лікарської речовини через рогівку та зменшує абсорбцію її у кров’яне русло через кон’юнктиву та назолакримальний канал. Контактні лінзи також забезпечують пролонговане вивільнення препарату внаслідок повільної дифузії через частини та матрикс лінзи. Але контактні лінзи не можуть бути використані для довготривалого забезпечення лікарським засобом. Цей час може бути подовжений, якщо спершу включати медикаменти у везикули, наприклад, ліпосоми, інші наночастинки, мікроемульсії. Потім такі наночасточки можна нанести на контактну лінзу. Включення препарату у наночастинки також попереджає його взаємодію з полімеризаційною сумішшю.

Таким чином, нанотехнології та виготовлені на їх основі нові препарати починають застосовуватися в офтальмології. Нанотехнології можуть допомогти у створенні наноприладів для лікування очних захворювань, що потребують складних операцій, наприклад, глаукома, судинна хірургія на сітківці, а також у розвитку новітніх матеріалів для кришталика, у лікуванні катаракти. Крім цього, продукти нанотехнології можуть забезпечити розвиток ДНК-терапії генетичних захворювань, що супроводжуються сліпотою. Нанотехнології можуть також допомогти у розвитку досліджень з тканинної інженерії, особливо отримання нервових стовбурових клітин та більш широкого їх застосування як у медичній практиці взагалі, так і в офтальмології.

Література

1. Анестезия в офтальмологии (2007): Руководство / под редакцией Х.П. Тахчиди, С.Н. Сахнова, В.В. Мясниковой, П.А. Галенко-Ярошевского. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство». 552 с.

2. Григор’єва Г.С. Реальна нанофармакологія: становлення, міфи та успіх ліпосомофармакології. Фармакологія та лікарська токсикологія. 4 (5): 83-88.

3. Хромов О.С., Соловйов А.І. Експериментальне обґрунтування застосування фосфатидилхолінових ліпосом у медицині. Фармакологія та лікарська токсикологія. 4 (5): 88-99. Фармакологія та лікарська токсикологія. 4 (5): 83-88.

4. Behar-Cohen F. (2004) Drug delivery to target the posterior segment of the eye. Med. Sci. (Paris) 20, 701-706.

5. Bochot A., Couvreur P., Fattal E. (2002) Intravitreal delivery of oligonucleotides by sterically stabilized lyposomes. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 43, 253-259.

6. Bourlais C.I., Vandamme T.F. (1998) Ophthalmic drug delivery systems – recent advances. . Prog. Retin. Eye Res. 17, 33-58.

7. Caspi R.R. (1990) Experimental autoimmune uveoretinitis in mice. Induction by a single eliciting event and dependence on quantitive parameters of immunization. J. Autoimmun. 3, 237 – 246.

8. Chan C.C. (1990) Pathology of experimental autoimmune uveoretinitis in mice. J. Autoimmun. 3, 247 – 255.

9. Dunn J.P., Van Natta M., Foster G. et al. (2004) Complications of ganciclovir implant surgery in patients witt cytomegalovirus retinitis: the Ganciclovir cidofovir cytomegalovirus retinitis trial. Retina. 24, 41-50.

10. Freedman K. A., Klein W, Crosson C.E. (1993) Beta-cyclodextrins enhance bioavallability of pilocarpine. Curr. Eue Res. 12, 641-647.

11. Irache J. M. (2005) Albumin nanoparticles for the intravitreal delivery of anticytomegaloviral drugs. Mini. Rev. Med. Chem. 5, 293-305.

12. Kayser O., Lemke A., Hernandes-Trejo N. (2005) The impact of nanobiotechnology on the development of new drug delivery systems. Curr. Pharm. Biotechnol. 6, 3-5.

13. Labhasetwar V. (2005) Nanotechnology for drug and gene therapy: the importance of understanding molecular mechanisms of delivery. Curr. Opin. Biotechnol. 16, 674-680.

14. Lawrence M. J., Bochet A., Couvreur P. et al. (2000) Microemulsion – based media as novel drug delivery systems. Adv. Drug Deliv. Rev. 45, 89-121.

15. Loftssona T. Jarvinen T. (1999) Cyclodextrins in ophthalmic drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 36, 59-79.

16. Merodio M., Irache J.M., Valamanesh F., Mirshani M. (2002) Ocular dispositionand tolerance of ganciclovir – loaded albumin nanoparticles after intravitreal injection in rats. Biomaterials. 23, 1587-1594.

17. Naveh N. (1994) Pilocarpine incorporated into a submicron emulsion vehicle causes an unexpectedly prolonged ocular hypotensive effect in rabbits. J. Ocul. Pharmacol. 10, 509 – 520.

18. Pignatello R. (2002) Flubiprofen – loaded acrylate polymer nanosuspensions for ophthalmic application. Biomaterials. 23. 3247-3255.

19. Vandamme T. F. (2002) Microemulsions as ocular drug delivery systems: recent developments and future chaltenges. Prog. Retin. Eye Res. 21, 15-34.

20. Wong C.G., Rich K.A., Liaw L.H. et al. (2001) Intravitreal VEGF and bFGF produce florid retinal neovascularization and hemorrhage in the rabbit. Curr. Eye Res. 22, 140-147.

21. Yih T.C., Al-Fandi M. (2006) Engineered nanoparticles as precise drug delivery systems. J. Cell. Biochem, 97, 1184-1190.