11.2015 – „Nanoproszki diamentowe jako nośniki leków.”
listopad 2015, nr 111/89 online
Nanotechnologia jest obecnie najintensywniej rozwijającą się nauką łączącą osiągnięcia wielu dziedzin z pogranicza medycyny i inżynierii materiałowej. Istnieje wiele nanomateriałów, z którymi wiąże się duże nadzieje na możliwość ich zastosowania w terapii. Na uwagę zasługuje między innymi diament, a ściślej mówiąc nanoproszek diamentowy.
Fascynacja diamentem jako kamieniem jubilerskim istnieje od wielu lat. Kryterium wartości diamentu jest jego wielkość, wygląd i stopień czystości. W XVIII wieku odkryto, że diament to również węgiel, a dokładniej jego jedna z krystalicznych odmian alotropowych. Wysoka cena diamentu wynika nie tylko z jego wyglądu, ale również z ograniczenia dostępności. Większość złóż diamentów znajduje się na terenie zaledwie pięciu krajów: Rosja, Botswana, Kanada, RPA oraz Angola – to 83% światowego rynku. Ograniczenia te spowodowały, że rozpoczęto poszukiwania możliwości uzyskiwania sztucznych diamentów. Obecnie można pozyskać specjalnymi metodami sztuczne diamenty, lecz ich wytwarzanie okazało się niezwykle trudne i kosztowne. Wynika to między innymi z tego, że jako monotropowa odmiana węgla jest on odmianą nietrwałą termodynamicznie. Przy okazji dążenia do wytworzenia jak największych diamentów, okazało się, że równolegle w procesie syntezy powstaje duża ilość proszków diamentowych o zróżnicowanej wielkości.
Nowa technologia w postaci nanotechnologii pozwoliła opracować techniki wytwarzania proszków diamentowych tak, aby stały się one tanie i łatwo dostępne. Jednocześnie uzyskano bardzo małe rozmiary cząstek rzędu nanometrów, tzw. nanoproszki. Nanoproszki diamentowe wytwarzane są metodą detonacyjną (metoda wybuchowa V. Danilenko) oraz metodą RF PA CVD (metoda chemicznego osadzania z plazmy aktywowanej o częstotliwości radiowej – metoda plazmochemiczna Radio Frequency Plasma Activated Chemical Vapour Deposition) i RF/MW PACVD (metoda dwuczęstotliwościowa: radiowa i mikrofalowa – Microwave/Radio Frequency Plasma Activated Chemical Vapour Deposition) [1]. Taka postać diamentu okazała się bardzo przydatna w różnych dziedzinach nauki. Szczególnie, że dzięki swoim rozmiarom, nanoproszek diamentowy może być wykorzystywany w badaniach na poziomie in vitro. Można sprawdzać oddziaływanie z komórkami „eucaryota”, „procaryota”, a także na poziomie molekularnym. Natomiast w badaniach in vivo daje cenne informacje na temat oddziaływania na organizmy żywe. Dlatego proszek diamentowy pozyskiwany zarówno z naturalnych diamentów, jak i wytwarzany sztucznie, jest dzisiaj najważniejszą formą stosowania tego unikalnego materiału.
Wynika to również z jego charakterystycznych właściwości optycznych i biologicznych. Okazało się, że nanoproszki diamentowe posiadają właściwości zupełnie inne od ich odpowiedników makroskopowych. Przede wszystkim posiadają aktywną powierzchnię dzięki licznym grupom funkcyjnym. Z uwagi na istnienie na powierzchni nanoproszków diamentowych różnego rodzaju grup funkcyjnych, np. –COOH, –OH, –H, C=O, a także grup eterowych, pojawia się możliwość ich modyfikacji poprzez celowe przyłączenie dodatkowych grup, które stanowić mogą leki np. antybiotyki czy leki przeciwnowotworowe. Dzięki modyfikacjom, nanoproszek otrzymuje nowe właściwości. Proszki diamentowe modyfikowane są za pomocą metod chemicznych, mechanicznych oraz plazmowych [2]. Taka funkcjonalizacja powierzchni nanoproszków stwarza możliwość zastosowania ich jako nośniki leków (ang. drug delivery).
Przyczepione powierzchniowo grupy funkcjonalne wprowadzane są do zmienionego chorobowo miejsca, gdzie następuje proces uwalniania się leku, aż do całkowitego przeniknięcia do tkanek. Wykorzystany do transportu proszek diamentowy, pozostaje w miejscu zapalnym i w dalszym ciągu podtrzymuje działanie przeciwzapalne. Jest on jedynym w swoim rodzaju, nierozpuszczalnym aktywnym nośnikiem, który może skutecznie zapobiegać mutacji zdrowych komórek i zmniejszać nawroty nowotworów. Ogromną zaletą stosowania proszków jest możliwość precyzyjnego sterowania uwalnianiem leków i ich efektywnego kierowania w chore miejsca. Pozwala to na zaplanowanie zarówno dawek, jak i czasu ich przenikania do chorych komórek [3].
Większość stosowanych leków należy do związków o małej wybiórczości w działaniu. Ich wadami są również szybki metabolizm i szybkie wydalanie z organizmu. Ponadto większość z nich posiada niekorzystną biodystrybucję. Dlatego poszukuje się nowych preparatów o bardziej wybiorczym działaniu albo stosuje się nośniki leków.
Dobór nośników ma duże znaczenie dla uzyskania właściwego efektu terapeutycznego. Dzięki zastosowaniu nanoproszku diamentowego jako nośnika leku można osiągnąć następujące właściwości:
- Kontrolowane, spowolnione uwalnianie leków, dzięki czemu obniża się ich toksyczność.
- Możliwość zastosowania mniejszych dawek leku, co zminimalizuje niepożądane efekty działania.
- Możliwość „zaadresowania” cząsteczki nanoproszku niosącej lek – terapia celowana.
- Do jednej cząsteczki nanoproszku mogą być jednocześnie przyłączone różne substancje lecznicze.
Obecnie do nanoproszków diamentowych przyłączane są oprócz antybiotyków i leków przeciwnowotworowych, również leki przeciwzapalne, a także trwają prace nad przyłączaniem insuliny. Opracowano mechanizm adsorpcji insuliny do nanoproszków diamentowych w wodzie i desorpcję w obecności NaOH. Insulina wiąże się z powierzchnią proszków w wodzie za pomocą oddziaływań elektrostatycznych. Przejście do środowiska alkalicznego zmienia właściwości powierzchni, co powoduje uwalnianie insuliny z powierzchni nanoproszków. W ten sposób nanoproszek może być nośnikiem nawet tak dużej cząsteczki, jaką jest insulina.
Bardzo ważnym kierunkiem w zastosowaniu nanoproszków diamentowych jest onkologia. Przeprowadzono już wstępne badania w klinikach onkologicznych w Rosji i Białorusi, które wykazały poprawę stanu zdrowia u pacjentów cierpiących na raka żołądka, jelit i piersi w IV stadium choroby. Podawanie zawiesiny nanoproszków diamentowych spowodowało znaczące zmniejszenie bólów, zdecydowany wzrost aktywności pacjentów, poprawę funkcjonowania jelit, przywrócenie apetytu, a z punktu widzenia parametrów biochemicznych, stwierdzono poprawę wskaźników biochemicznych krwi (tworzenie czerwonych krwinek).
Jest to osiągnięcie na skalę światową, chociaż trudno tutaj mówić o nanoproszkach diamentowych jako o lekach przeciwnowotworowych. Nie zlikwidowały one choroby, a jedynie poprawiły pewne parametry. W efekcie przyczyniły się do poprawy jakości życia pacjentów z chorobą nowotworową.
Spore nadzieje wiąże się także z aplikacjami nanoproszków jako nośników DNA w terapii genowej. Techniki stosowane w terapii genowej umożliwiają wprowadzenie do komórek dodatkowej, prawidłowej kopii genu, który może zastąpić gen o nieprawidłowej sekwencji leżący u podłoża danej choroby. W chwili obecnej prowadzone są liczne badania nad zastosowaniem terapii genowej w leczeniu wielu chorób genetycznych oraz chorób o charakterze nabytym, jak np. chorób nowotworowych czy neurodegeneracyjnych [4].
Dodatkowo nanoproszki diamentowe posiadające na swojej powierzchni m.in. grupy karboksylowe (-COOH) mają zdolność wyłapywania wolnych rodników, przez co mogą działać jako przeciwutleniacze. Istnieją badania potwierdzające ich antyoksydacyjne działanie. Nanoproszki jako antyoksydanty mogą stać się składnikami leków wykorzystywanych w leczeniu różnych chorób, takich jak: choroby neurodegeneracyjne, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, cukrzyca, niewydolność oddechowa (ARDS), astma oskrzelowa, azbestoza, RZS (reumatoidalne zapalenie stawów), przewlekła choroba ziarniniakowa, choroby układu krążenia czy wspomniane już choroby nowotworowe [5].
Zaletami nanoproszku diamentowego jest również antybakteryjność, antyalergiczność czy działanie przeciwzapalne [6]. Dzięki takim właściwościom, mogą być one składnikami kremów, maści lub innych postaci leków. Jako nośniki substancji aktywnych stają się dla nich doskonałym „środkiem transportu”, jednocześnie działając przeciwzapalnie i antyalergicznie. Badania biologiczne potwierdzają ich wpływ na przyspieszenie gojenia się ran. Okazało się, że aplikacja preparatów z proszkami przyspiesza ten proces.
Również coraz częściej ich właściwości są wykorzystywane w przemyśle kosmetycznym, a nanoproszek diamentowy występuje w preparatach kosmetycznych pod różnymi nazwami: zmikronizowane kryształy diamentu, proszek diamentowy, diamentowy pył, pokruszone i wypolerowane diamenty.
Producenci przypisują mu następujące działanie i właściwości:
- składnik o wysokiej wartości mineralnej;
- rozprasza światło, rozświetla skórę nadając jej piękny, świeży, młody, wypoczęty wygląd, zapewnia poranny blask zmęczonej cerze;
- poprawia koloryt skóry;
- ma działanie złuszczające, usuwa martwe komórki naskórka, przywraca skórze właściwą strukturę, odsłaniając jej gładką i bardziej elastyczną warstwę;
- jest antyoksydantem – substancją neutralizującą (wychwytującą) wolne rodniki, które odpowiedzialne są za starzenie się skóry, wzmacnia odmładzające działanie preparatów;
- zmiękcza;
- wygładza;
- wzmacnia kompleksowe działanie preparatów [7].
Węgiel określany biomateriałem, wykorzystywany jest również jako biozgodna bariera dla jonów metali uczulających, na powierzchniach implantów medycznych. Świadczy to o wyjątkowej zdolności organizmu człowieka do jego tolerancji. Nanoproszki diamentowe posiadają również taką cechę.
Dlatego są to atrakcyjne materiały z punktu widzenia dużej biozgodności, większej nawet niż w przypadku innych nanomateriałów węglowych, a także małej cytotoksyczności z komórkami biologicznymi [8].
Z tego powodu powierzchnia nanoproszków diamentowych stała się obiektem badań wielu ośrodków naukowych na całym świecie. Ten niezwykły nanomateriał znalazł zastosowanie nie tylko w farmacji i medycynie, ale również w przemyśle inżynieryjskim np. w elektronice (sensory), w biologii (wzrost aktywności biologicznej) oraz w wielu innych dziedzinach.
Diament w postaci nanoproszków pokazał, że jest niezwykle interesującym i wciąż zaskakującym materiałem do badań.
dr n. med. Beata Skibska
Katedra Farmacji Stosowanej,
Zakład Farmacji Aptecznej
Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Fot. Fotolia.pl
Piśmiennictwo:
1. P. Niedzielski, Wytwarzanie i zastosowanie proszków diamentowych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2011.
2. P. Ceynowa, K. Mitura, W. Zinka, S. Mitura, System modyfikacji nanoproszków diamentowych (DPP) w rotacyjnej komorze reaktora plazmo-chemicznego (MW PACVD), Elektronika, 10, 2014, 47-50.
3. O. A. Shenderova, S. A. Ciftan Hens, Detonation Nanodiamond Particles Processing, Modification and Bioapplications, NANODIA-MONDS. Applications in Biology and Nanoscale Medicine, D. Ho (red.), Springer, New York, 2010.
4. M. Maniecka, Terapia genowa, czym jest i jej perspektywy, http://laboratoria.net/.
5. K. Solarska, A. Gajewska, W. Kaczorowski, G. Bartosz, K. Mitura, Effect of nanodiamond powders on the viability and production of reactive oxygen and nitrogen species by human endothelial cells, Diamond and Related Materials, 21, 2012, 107-113.
6. B. Skibska, K.H. Bodek, M. Batory, Możliwości aplikacyjne modyfikowanych proszków węglowych w przemyśle farmaceutyczno-kosmetycznym, Engineering of Biomaterials, vol. 15, 2012, 116-117.
7. M. Batory, K. Bąkowicz-Mitura, Application of diamond powders in cosmetics (Zastosowanie proszków diamentowych w kosmetologii), Polish Journal of Cosmetology, 12 (4), 2009, 238-250.
8. M. Batory, D. Batory, J. Grabarczyk, W. Kaczorowski, B. Kupcewicz, K. Mitura, T.H. Nasti, N. Yusuf, P. Niedzielski, Biological Properties of Carbon Powders Synthesized Using Chemical Vapour Deposition, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12(12), 2012, 9037-9046.
