09.2011 – „Zastosowanie nanotechnologii w nowoczesnej technologii postaci leku.”

ZASTOSOWANIE NANOTECHNOLOGII

 

W NOWOCZESNEJ TECHNOLOGII POSTACI LEKU

 

   Działanie leku jest zdeterminowane jego obecnością w miejscu działania przez określony czas w ściśle określonym stężeniu. Zadania nowoczesnej technologii postaci leku sprowadzają się w związku z powyższym do zastosowania technik i technologii pozwalających na:

 

– dostarczenie leku bezpośrednio do miejsca działania;
– wydłużenie czasu przebywania substancji aktywnej w miejscu działania;
– wpływu  na jej dystrybucję.

 

   Oprócz tego, ważnym aspektem nowoczesnej farmakoterapii jest bezpieczeństwo stosowania leku. Jest to kolejny aspekt, w którym właściwie opracowana postać leku może odegrać znaczącą rolę.

 

   W wypełnieniu powyższych zadań nieodzowne staje się zastosowanie nanotechnologii. Polega to na opracowywaniu materiałów i technologii już nie w skali mikro lecz w skali nano, czyli wręcz na poziomie atomów i cząsteczek. Zgodnie z definicją nanotechnologia zajmuje się materiałami o wielkości od 1 do 100 nm w przynajmniej jednym wymiarze. W praktyce jednak za część nanotechnologii uznaje się cząstki od 1 do 1000 nm. Zastosowanie nanotechnologii nie ogranicza się jedynie do rozwoju i projektowania nowych leków, ale również oddaje wielkie usługi w poprawie bezpieczeństwa i skuteczności leków stosowanych od lat, a również umożliwia odkrywanie nowych zastosowań już istniejących specyfików. Często nie zdajemy sobie sprawy, że zastosowanie nanotechnologii w farmacji wyprzedziło w sposób znaczny światowy boom na tę dziedzinę. Badania nad tego typu nośnikami prowadzone są od ponad 30 lat. Dzięki temu dostępne już są preparaty zawierające te zaawansowane technologie[1-4].

 

   Zastosowanie nanotechnologii w farmacji jest związane z zastosowaniem nośników, które obarczone substancją aktywną poprawiają skuteczność terapii poprzez przetransportowanie leku w miejsce działania, a także poprawę jego bezpieczeństwa. Zastosowanie nanonośników może także zabezpieczyć samą substancję aktywną przed działaniem czynników wpływających na jej trwałość. Nanonośniki obejmują cząstki submikronowi o różnej strukturze. Dzięki  swym niewielkim rozmiarom mogą przechodzić przez najmniejsze naczynia krwionośne. Zastosowanie nanonośników zbudowanych z materiałów biodegradowalnych umożliwia przedłużone uwalnianie substancji leczniczej. Rozmiar zabezpiecza je także przed fagocytozą. Wpływa to na wydłużenie okresu półtrwania leku w krążeniu (t0,5). Ze względu na budowę wyróżnia się wiele rodzajów nanonośników, w których substancja lecznicza może być rozpuszczona, inkorporowana bądź adsorbowana.

 

 

   Nanocząstki są to na ogół kuliste twory mogące mieć charakter nanosfer, gdzie substancja lecznicza jest związana z matrycą tworząca nanocząstkę lub też nanokapsułek, gdzie substancja lecznicza jest pokryta membraną z materiału tworzącego nanocząstkę. W zależności od rodzaju materiału tworzącego nanocząstki wyróżniamy:

 

   Nanocząstki nieorganiczne(ceramiczne) – zbudowane ze związków nieorganicznych najczęściej z tlenków metali, siarczków metali i metali, tworzą struktury o różnych wielkościach, najczęściej niewielkich ok. 50 nm i różnej porowatości. Materiały te są biokompatybilne, a ich powierzchnia może być stosunkowo łatwo modyfikowana przez wiązanie z np. przeciwciałami monoklonalnymi. Małe rozmiary pozwalają uniknąć wychwytu przez układ siateczkowo-śródbłonkowy (RES). Nanocząstki nieorganiczne mogą skutecznie chronić związek biologicznie aktywny przed czynnikami zewnętrznymi, ponieważ same nie zmieniają swoich właściwości pod wpływem czynników zewnętrznych tj. np. pH bądź temperatura. Ich porowata struktura pozwala na wykorzystanie w terapii fotodynamicznej, gdzie czynnikiem aktywnym jest uwalniany tlen singletowy. Pory w nanocząsteczce ceramicznej pozwalają na uwalnianie jedynie cząsteczki tlenu, cząsteczka będąca donorem tego tlenu pozostaje wewnątrz nanocząstki – zmniejsza to w znaczny sposób efekty toksyczne. Nanocząstki metaliczne zbudowane ze złota o bardzo małych rozmiarach ok. 50 nm pozwalają na skuteczną diagnostykę metycylinoopornych szczepów Staphylococus aureus [1,3].

 

   Nanocząstki polimerowe są zbudowane z różnego rodzaju cząsteczek polimerowych syntetycznych bądź naturalnych. Większość z nich jest biodegradowalna i biokompatybilna. Wykazują także dużą zdolność do modyfikacji powierzchni. Mogą być zbudowane z żelatyny, chitozanu  i jego pochodnych, kopolimeru kwasu poliglikolowego i polimlekowego(PLGA), kwasu polimlekowego(PLA), poliakrylocjanoakrylanów (PCA), polimetakrylanu metylu, a także albumin i innych. Ich właściwości zależne w dużej mierze od rodzaju budującego je polimeru mogą być dodatkowo zmieniane poprzez kowalentne związanie na ich powierzchni polietylenoglikolu (PEG). Takie „opłaszczenie” powierzchni sprzyja zmniejszeniu zdolności wzbudzenia odpowiedzi immunologicznej i ograniczeniu fagocytozy nanocząstek przez RES. Dzięki temu zwiększa się poziom leku we krwi i organach takich jaki mózg, jelita i nerki. Polimerowe nanocząstki są biokompatybilne i biodegradowalne. Posiadają ponadto duże możliwości w modyfikacji powierzchni (wiązanie odpowiednich ligandów) pozwalające na dostarczenie odpowiedniej ilości leku w miejsce działania. Kolejną możliwością ich zastosowania jest możliwość przechodzenia odpowiednio modyfikowanych powierzchniowo nanocząstek  przez bariery biologiczne jak np. bariera krew-mózg, co może poprawić dostarczanie leków do  centralnego układu nerwowego.  W badaniach, nanoczastki  zbudowane z PLGA znajdują zastosowanie między innymi w walce z opornością wielolekową  stanowiącą poważny problem w  skutecznej terapii nowotworowej, natomiast nanoczastki albuminowe w leczeniu raka gdzie – powodują zwiększoną skuteczność działania. Nanocząstki polisacharydowe zbudowane z chitozanu są badane między innymi pod kątem miejscowego naskórnego podania plazmidowego DNA, a cząstki chitozanowo-dextranowe jako nośniki dla insuliny podawanej doustnie. [1,3,5]

 

   Liposomy  – są to pęcherzyki zbudowane z podwójnej warstwy fosfolipidowej. Liposomy są biokompatybilne, posiadają amfifilową strukturę, stosunkowo łatwo można modyfikować ich powierzchnię. Dzięki tym właściwościom stanowią doskonały nośnik dla protein i peptydów wydłużając ich okres półtrwania. Liposomy mogą zawierać zarówno substancje hydrofilowe, które mogą być zamknięte wewnątrz liposomu lub substancje lipofilowe, które mogą być rozpuszczone w membranie fosfolipidowej. Wadą liposomów jest ich stosunkowo ograniczona trwałość. Skuteczność preparatów liposomalnych ogranicza się w zasadzie do podania parenteralnego. Obecnie na rynku, bądź w fazie badań klinicznych znajduje się wiele preparatów liposomalnych do podania parenteralnego zawierających między innymi takie leki jak cytarabina, morfina, amfoterycyna B, daunorubicyna, doxorubicyna. [2,6,7]

 

   Stałe nanocząstki lipidowe SLN (solid lipid nanocariers) – zostały wynalezione na początku lat 90 jako alternatywny nośnik do emulsji  liposomów i nanocząstek polimerowych. Są one zbudowane ze stałego lipidu, stanowiącego sztywny rdzeń, stabilizowanego związkiem powierzchniowo czynnym, dzięki takiej budowie są bardziej stabilne od liposomów. SLN mogą stanowić nośniki dla leków podawanych doustnie parenteralnie, wziewnie lub miejscowo. Podobnie jak nanocząstki, mogą być modyfikowane poprzez koniunkcję powierzchni z PEG aby zmniejszyć ich wychwyt przez RES, lub też wiązane z odpowiednim ligandem i wykorzystywane do celowego dostarczania leku w miejsce działania.

 

   Micele polimerowe – są to dynamiczne struktury o wielkości od 20 do 100 nm zbudowane ze związków powierzchniowo czynnych i amfifilowych polimerów, które w stężeniu powyżej krytycznego stężenia micelarnego (cmc ) mają zdolność do samoagregacji. Na ogół budowa miceli sprowadza się do hydrofobowego rdzenia i hydrofilowej kory. Zastosowanie micelarnych nośników niesie poprawę rozpuszczalności trudno rozpuszczalnych substancji, poprawę ich biodostępności i zmniejszenie toksyczności. Micele polimerowe mogą stanowić skuteczne nośniki dla takich leków jak diazepam, adriamycyna, NLPZ, fibraty, paxitaxel, tamoxifen, kampotecyna, porfiryna,  witaminy i inne. Odpowiedni dobór związków budulcowych pozwala na uzyskanie miceli uwalniających substancje leczniczą pod wpływem podwyższonej temperatury, czy też zmian pH. Micele polimerowe znajdują też zastosowanie jako nośnik substancji czynnej w terapii fotodynamicznej. Podobnie jak inne nanonośniki  micele mogą także być powiązane ze specyficznymi ligandami. [1,4,6,8,9]

 

   Dendrymery – są to polimerowe cząstki  o regularnej rozgałęzionej budowie złożone z wielu precyzyjnie dobranych monomerów, które wychodzą promieniście ze środka cząstki. Polimerami tworzącymi dendrymery są najczęściej poliamidoaminy (PAMAM). Jednym z pierwszych przykładów zastosowania dendrymerów było użycie ich jako nośnika dla cisplatyny – taki kompleks wykazywał wolniejsze uwalnianie leku, większą kumulację w tkance nowotworowej oraz niższą toksyczność w porównaniu z wolną cisplatyną. W połączeniu z dendrymerami w badaniach wykorzystywane są fluorouracyl, metotreksat, doxorubicyna czy ibuprofen. Dendrymery mogą poprawiać przezskórną dostępność leków co stwierdzono na przykładzie indometacyny. Odpowiednio modyfikowane dendrymery mogące się po aktywacji wzajemnie łączyć tworząc  hydrożelową matrycę, mogą być wykorzystywane jako substancje uszczelniające rany rogówki. [1,9,10]
Transport w miejsce działania (targeting)

 

   Dzięki zastosowaniu nanotechnologii substancje aktywne mogą trafiać głównie do organów i komórek zmienionych chorobowo. Może to być osiągnięte przy wykorzystaniu zarówno aktywnego jak i biernego mechanizmu. Rozmieszczenie nanonośników z lekiem w organizmie zależy po pierwsze od stopnia ukrwienia tkanek, i tak w sposób naturalny tkanki bogato ukrwione o dużym przypływie krwi mogą być bardziej nasycone lekiem pod warunkiem dobrej penetracji leku z krwi do tkanek. Bierny transport może także odbywać się dzięki efektowi zwiększonej przepuszczalności i gromadzenia (EPR). Jest on wynikiem zwiększonej przepuszczalności naczyniówki nowotworowej, dlatego krążące nanonośniki z lekiem mogą kumulować się bardziej w tkance nowotworowej. Efekt EPR występuje również w tkankach zmienionych zapalnie, tam gdzie występuje nadmiar bradykininy.  Transport leku na tej zasadzie jest wykorzystywany np. w transportowaniu modyfikowanych liposomów zawierających doxorubicynę. Taki preparat znajduje się już od wielu lat na rynku i wykazuje ponad sześciokrotnie większą efektywność w porównaniu z samą doxorubicyną. Poznanie biodystrybucji nanocząstek też może mieć wpływ na opracowanie celowanej postaci leku. Stwierdzenie, że nanoczastki akumulują się w układzie siateczkowo śródbłonkowym sprawiło, że są używane jako nośniki leków przy leczeniu wewnątrzkomórkowych parazytoz jak np. lekoopornej leiszmaniozy. [1,3,12]

 

   Transport aktywny w miejsce działania może odbywać się przy zastosowaniu mechanizmu ligand-receptor, przeciwciało-antygen, bądź zastosowania aptamerów. Błona komórkowa jest pokryta tysiącem receptorów zapewniających wiązanie odpowiednich ligandów lub nanocząstek zaopatrzonych w takie ligandy. Takie wiązanie może indukować endocytozę. Wykorzystywane jest tu zjawisko nadekspresji niektórych receptorów w tkance zmienionej chorobowo. Efektywność tego typu transportu zależy od właściwego doboru odpowiedniego czynnika „wiążącego” nanocząstkę w miejscu działania.  Takie celowe dostarczanie leku w miejsce działania zapewnia większą skuteczność i zmniejsza ryzyko działań niepożądanych, ponieważ lek działa tylko w miejscu zmienionym chorobowo. [1,3,12]

 

   Obecnie nanonośniki znajdują się głównie w preparatach rynkowych do podania parenteralnego, ale trwają nieprzerwane badania nad wykorzystaniem nanotechnologii w podaniu doustnym, wziewnym, transdermalnym i ocznym. Dla leków oftalmicznych nanocząstki muszą charakteryzować się biodegradowalnością, przeziernością oraz odpowiednią przyczepnością. Przy zastosowaniu nanocząstek obserwuje się przedłużone uwalnianie, a także poprawioną biodostępność w przypadku stosowania takich leków jak piroxikam, indometacyna, dexamethazon, triamcinolon i flurbiprofen. Badania nad postaciami ocznymi są na razie na etapie laboratoryjnym i wymagają dalszych badań in vivo i badań klinicznych. Przy podaniu doustnym na  biodostępność wpływają głównie rozpuszczalność i wchłanianie. Te kluczowe czynniki mogą być poprawione poprzez zastosowanie nośników nanocząsteczkowych. Głównymi polimerami wykorzystywanymi w podaniu doustnym są PLA, PGA, PLGA i PCA.  Najczęściej stosuje się nanocząstki (ze względu na ich większą stabilność w przewodzie pokarmowym w porównaniu z innymi nośnikami) oraz micele polimerowe. Zaletami zastosowania nanocząstek jako nośników w doustnych postaciach leku jest ochrona substancji leczniczej przed szkodliwym działaniem soków trawiennych, przedłużony czas bytowania w jelicie wynikający z bioadhezji, endocytoza nanocząstek. Enkapsulacja polimerami jest szczególnie wykorzystywana w przypadku leków trudno rozpuszczalnych, ale także dla białek i peptydów.  Wiele badań jest wykonywanych w celu opracowania doustnego systemu zawierającego insulinę. Zastosowanie miceli polimerowych w doustnych postaciach leku ogranicza się w zasadzie do leków trudno rozpuszczalnych. [13,14,15,16]

 

   Zalety nanonośników są wielorakie. Mogą być nośnikami zarówno dla substancji lipofilowych jak i hydrofilowych, nadają się jako nośniki dla leków podawanych głównie parenteralnie, ale także innymi drogami.

    Nanonośniki mogą zapewniać ciągłe uwalnianie substancji leczniczej z matrycy polimerowej dzięki czemu uzyskujemy stały poziom leku we krwi przy jednoczesnym zmniejszeniu częstotliwości podawania. Przyczyniają się do poprawy biodostępności i zwiększenia t0,5. Dzięki zastosowaniu nanonośników możliwe jest poprawienie bezpieczeństwa terapii przez zmniejszenie toksyczności inkorporowanej substancji leczniczej. Obecnie wiele preparatów z nanonośnikami znajduje się w fazie badań przedklinicznych i klinicznych  Zważywszy na powyższe na półkach aptecznych będzie w niedługim czasie przybywać preparatów wykonanych przy udziale nanotechnologii.

Ryc. 1 Budowa wybranych nanonośników i umiejscowienie w nich substancji leczniczej oraz ligandów.

 

Piśmiennictwo
1.    Parveen S.,et al. „ Nanoparticles: a boon to drug delivery, therapeutics, diagnostics and imaging, Nanomedicine (2011) article in press.]
2.    Nair H.B., „Delivery of antiinflamatory nutraceuticals by nanoparticles for the prevention and treatment of cancer
3.    ][ Faraji A.H., Wipf P., “Nanoparticles in celular drug delivery” Bioorganic and Medicinal Chemistry 17 (2009) pp.2950-2962
4.    Plapied L., et al. Fate of polymeric nanocarriers for oral drug delivery” Current Opinion in Colloid and interfacial Science 16 (2011) pp 228-237.
5.    [Liu Z. et al. „Polisaccharides-based nanoparticles as drug delivery system” Adv Drug Del Rev 60 (2008) pp 1650-1662.
6.    Koo O.M. at al “Role of nanotechnology in targeted drug delivery and imaging a concise review. Nanomedicine 1 (2005) 193-212.
7.    www.pharmindex.pl
8.    Ding H. et al. “Nanoscopic micelle improves the photophysical properties and efficacy of photodynamic therapy of protoporphyrin IXJournal of Controlled Release,  151, 3, (2011)pp 271-277
9.    Paszko E. et al. “Nanodrug applications in photodynamic therapy Photodiagnosis and Photodynamic Therapy 8, 1, (2011)pp. 14-29
10.    Prow T.W., ”Nanoparticles and microparticles for skin drug delivery” Adv. Drug Deliv.Rev 63 6 (2011) pp 470-491
11.    Svenson  S. “Dendrimers as versatile platform in drug delivery applications”Europ. J. of Pharm. and Biopharm., 71, 3,(2009)pp. 445-462
12.    Labhasetwar V. et al “Nanoparticle drug delivery system for restenosis” Adv.Drug Del.Rev. 24 (1997) pp. 63-85
13.    Araujo J. et al. „nanomedicines fo ocular NSAiDs: safety on drug delivery” Nanomedicine 5 (2009) pp349-401.
14.    Plapied L., et al. Fate of polymeric nanocarriers for oral drug delivery” Current Opinion in Colloid and interfacial Science 16 (2011) pp 228-237.
15.    Si-Shen F. at al. “Poly(lactide)–vitamin E derivative/montmorillonite nanoparticle formulations for the oral delivery of Docetaxel” Biomaterials,  30, 19,(2009) pp 3297-3306
16.    Cevc G., VierlU., “Nanotechnology and the transdermal route: A state of the art review and critical appraisal” Journal of Controlled Release,  141, 3,( 2010) pp 277-299