Современные проблемы нанобиотехнологий (Наноразмерные лекарственные средства)
V курс, IX семестр, специализация «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
Руководитель курса — ст. науч. сотр., к.б.н. Бонарцев А.П.
В осеннем семестре 2010 года был прочитан междисциплинарный курс лекций «Современные проблемы нанобиотехнологий (Наноразмерные лекарственные средства)». Лекции проходили по четвергам в 10:55 в ауд. 542 корп. Б на кафедре Биоинженерии Биологического факультета МГУ.
Курс являлся обязательным для студентов группы НБ2 специализации «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии». Для остальных — посещение свободное.
Аннотация
Курс лекций «Наноразмерные средства доставки лекарственных веществ», является междисциплинарным образовательным курсом и состоит из разделов, относящихся к различным фундаментальным и прикладным направлениям науки и техники: фармакологии, нанобиотехнологии, биохимии, физиологии, биофизике, химии и физике. Лекции ориентированы на вводное знакомство студентов не только с классическими понятиями фармакологии, но и с новыми перспективными направлениями нанобиотехнологии и наномедицины в области разработки и исследования новых наноразмерных лекарственных средств, а также дают полное представление о практической работе, проводимой в МГУ в этой области. Такой подход позволяет слушателям сориентироваться и более осознанно подойти к выбору дальнейшей специализации. В курсе приведены примеры как наиболее перспективных научных исследований наноразмерных лекарственных средств, так и примеры создания, испытаний и выведения на фармацевтический рынок отдельных лекарственных препаратов на их основе.
Программа лекций
Лекция 1. Введение в тематику курса. Наноразмерные лекарственные средства в нанотехнологиях, медицине и фармакологии, их преимущества как лекарственных средств нового поколения. Термины и определения. Размер. Направления, объекты, задачи и методы.
Термины и определения: лекарственные средства, лекарственные вещества, лекарственные субстанции, лекарственные препараты, лекарственные формы, наноматериалы, наноразмерные лекарственные средства (НЛ). Отличия НЛ от традиционных лекарственных средств и препаратов. Примеры лекарственных средств, широко используемых в медицинской практике: Арбидол, Терафлю, Виагра, Энап, Инсулин, Таксол, Рисполепт, Доксорубицин, Реаферон, Радиоактивный изотоп йода. Место НЛ в классификации лекарственных средств и форм. Недостатки существующих лекарственных препаратов и форм. Недостатки существующих лекарственных препаратов и форм на примерах широко используемых в медицинской практике традиционных препаратов. Преимущества НЛ как лекарственных средств нового поколения, в т.ч. на примере используемых в медицинской практике препаратов НЛ: Рапамун, Инвега, Келикс, Доксолип, Фосфоглиф, Пегинтрон, Пегасис, Нейласта, Трастузумаб, AuroLase, MagForce.
Проблема размера для НЛ. Линейные размеры полимерных и неорганических наночастиц, нанокристаллов ЛВ и биомакромолекулярных НЛ. Сравнение размера НЛ с линейными размерами природных объектов: молекул, биомакромолекул, молекулярных структур. Два интервала размера для наночастиц как НЛ. Фундаментальные физико-химические механизмы, определяющие размер наночастиц как НЛ: физика и химия поверхности наночастиц, адсорбционные свойства, заряд поверхности, оптические и магнитные свойства наночастиц. Фундаментальные биологические механизмы, определяющие размер наночастиц как НЛ: пиноцитоз, способность к длительной циркуляции в крови, прохождение через физиологические барьеры, распознаваемость клетками иммунной системы и антителами, выведение из организма.
Создание и изучение НЛ как междисциплинарное направление в фундаментальной и прикладной науке. Научные дисциплины, вовлеченные в научный и технологический процесс создания НЛ. Проблемы различия парадигм и междисциплинарного диалога при работе над созданием и изучением НЛ. Проблемы комплексного анализа НЛ различными методами нанотехнологии, биотехнологии, материаловедении, химии, физике, биологии, медицине и фармакологии, используемых для создания и изучения НЛ.
Лекция 2. Лекарственные вещества — действующие компоненты НЛ. Фармакология. Классификация лекарственных средств, их свойства. Использование ЛВ для создания НЛ.
Фармакология — наука о лекарственных средствах. Классификация лекарственных средств, различные типы классификаций. Анатомо-терапевтическо-химическая классификация (ATX) — международная система классификации лекарственных средств. Фармакологический указатель групп лекарственных средств. Лекарственные средства биологического и химического происхождения. Группы лекарственных веществ, используемые в качестве действующих субстанций для создания НЛ. Количественная и качественная классификации лекарственных форм: дозированные и недозированные лекарственные формы; твердые, мягкие и жидкие лекарственные формы. Заболевания, на лечение которых направлены лекарственные вещества НЛ. Действующие лекарственные вещества на примере лекарственных субстанций широко используемых в медицинской практике традиционных препаратов. Действующие лекарственные вещества на примере лекарственных субстанций используемых в медицинской практике препаратов НЛ. Физико-химические и фармакологические свойства, которыми должны обладать лекарственные вещества для использования их в НЛ. Сравнение фармакологических и физико-химических свойств лекарственных веществ, входящих в состав традиционных лекарственных препаратов и НЛ. Примеры наночастиц — действующих лекарственных веществ.
Лекция 3. Наноматериалы как основа лекарственной формы НЛ. Вспомогательные вещества в фармацевтике — классификация, требования и свойства. Наноматериалы как вспомогательные вещества НЛ.
Вспомогательные вещества, используемые для изготовления лекарственных форм. Наноматериалы, используемые для создания НЛ как вспомогательные вещества для создания лекарственных форм. Требования, предъявляемые к вспомогательным веществам и наноматериалам для создания НЛ.
Классификация вспомогательных веществ: по своей функции, по природе, по химической структуре, по влиянию на физико-химические характеристики и фармакокинетику. Формообразующие, стабилизирующие, пролонгирующие, солюбилизирующие и корригирующие вспомогательные вещества. Новые функциональные группы наноматериалов как вспомогательных веществ. Классификация наноматериалов, используемых для создания НЛ: по своей функции, по природе, по химической структуре. Вещества, из которых состоят наноматериалы.
Вспомогательные вещества на примере вспомогательных веществ широко используемых в медицинской практике препаратов. Наноматериалы как вспомогательные вещества на примере используемых в медицинской практике препаратов НЛ. Неорганические и углеродные наночастицы, нанолипосомы, дендримеры, наночастицы-биомакромолекулы, полимерные наночастицы, полиплексы и др. вспомогательные вещества НЛ и их физико-химические и биологические свойства.
Полимеры биомедицинского происхождения и их физико-химические и биологические свойства, необходимые для получения наночастиц и полимерных НЛ. Биодеградируемые и небиодеградируемые наноматериалы и составляющие их вещества. Наноматериалы и составляющие их вещества, получаемые биотехнологическим и химическим путем. Наноматериалы и составляющие их вещества искусственного и природного происхождения. Физико-химические и биологические свойства наноматериалов, необходимые для создания НЛ.
Лекция 4. Строение и физико-химические свойства НЛ.
Классификация НЛ по типу своего строения. Нанокристаллы, неорганические и углеродные наночастицы (наносферы, нанокапсулы, нанотрубки и нанонити), органические наносферы, органические нанокапсулы и нанолипосомы, дендримеры, полиплексы, органические наночастицы сложного строения, вирусоподобные наночастицы.
Форма наночастиц НЛ. Морфология и физико-химические свойства наночастиц НЛ. Отличия наноматериалов от других материалов по морфологии и физико-химическим свойствам. Физика и химия поверхности. Заряд, гидрофильность/гидрофобность, кристаллическая структура, адсорбционные свойства, пористость и другие свойства. Отличия органических и неорганических наночастиц по своим физико-химическим свойствам. Строение, морфология и физико-химические свойства НЛ на примере используемых в медицинской практике препаратов НЛ.
Лекция 5. Методы получения и исследования НЛ.
Основные методы получения наночастиц НЛ. Методы эмульгирования, распыления при высушивании, осаждения (нанопреципитации), полимеризации, поликонденсации; криохимический, электрохимический, фотохимический, темплатный, биотехнологический и генно-инженерные методы. Использование сверхкритических жидкостей (воды и диоксида углерода) для получения неорганических и органических наночастиц НЛ. Использование микроволнового нагрева, ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучения, ультразвукового воздействия для получения неорганических и органических наночастиц НЛ. Методы инкапсулирования, «загрузки» и конъюгирования наночастиц с ЛВ. Методы, используемые для получения используемых в медицинской практике НЛ: Рапамун, Инвега, Келикс, Доксолип, Фосфоглиф, Пегинтрон, Пегасис, Нейласта, AuroLase, MagForce.
Анализ традиционных лекарственных средств. Методы анализа традиционных лекарственных средств. Методы исследования морфологии и физико-химических свойств наночастиц НЛ.
Лекция 6. Биосовместимость и эффективность наночастиц НЛ in vitro.
Биобезопасность, биосовместимость и эффективность НЛ на клеточных культурах in vitro. Термины и определения: биосовместимость, биобезопасность, нанобезопасность, токсичность, цитотоксичность. Индексы цитотоксичности и эффективности лекарственных препаратов.
Биобезопасность и эффективность НЛ на клеточных культурах in vitro в сравнении с самими лекарственными веществами, входящими в состав НЛ и с традиционными лекарственными препаратами. Биобезопасность и эффективность НЛ на примере используемых в медицинской практике препаратов НЛ и сравнение этих параметров с параметрами широко используемых в медицинской практике препаратов.
Лекция 7. Взаимодействие наночастиц НЛ с клетками.
Способы проникновения наночастиц НЛ в клетку. Диффузия через мембрану, пиноцитоз, фагоцитоз, клатрин- и кавеолин-зависимый эндоцитоз, рецептор-опосредованный эндоцитоз. Миграция наночастиц НЛ внутри клетки, аккумуляция наночастиц в различных клеточных органеллах. Выход наночастиц в цитоплазму. Физико-химические свойства наночастиц, влияющие на процессы их захвата клеткой, миграции в клетке и выхода в цитоплазму. Доставка и высвобождение ЛВ в клетку с помощью НЛ. Адресная доставка НЛ в различные компартменты клетки. Особенности эндоцитоза НЛ клетками различных тканей и органов в норме и патологии. Процессы эндоцитоза используемых в медицинской практике НЛ: Рапамун, Инвега, Келикс, Доксолип, Фосфоглиф, Пегинтрон, Пегасис, Нейласта, AuroLase, MagForce клетками целевых тканей и органов.
Лекция 8. Биобезопасность, токсичность и эффективность НЛ in vivo. Циркуляция в крови, аккумуляция в тканях и органах и проникновение через физиологические барьеры НЛ.
Биобезопасность, токсичность и эффективность лекарственных препаратов. Фармакокинетика и фармакодинамика. Термины и определения: острая, кумулятивная, хроническая и специфическая токсичность, терапевтическая эффективность, медианная смертельная доза, медианная терапевтическая доза, терапевтический индекс, терапевтический интервал, максимально переносимая доза, площадь под кривой, биодоступность, клиренс. Пути введения лекарственных препаратов. Адсорбция, распределение, метаболизм, элиминация. Экскреция и клиренс.
Биобезопасность, токсичность и эффективность НЛ in vivo. Циркуляция НЛ в крови и их аккумуляция в здоровых и патологических тканях и органах. Прохождение или задержка НЛ физиологическими барьерами. Влияние размера и физико-химических свойств наночастиц на процессы их циркуляции в крови, аккумуляции в органах и тканях и прохождения/задержки физиологическими барьерами. Биобезопасность, токсичность и эффективность НЛ in vivo на примере современных НЛ: Рапамун, Инвега, Келикс, Доксолип, Фосфоглиф, Пегинтрон, Пегасис, Нейласта, AuroLase, MagForce.
Лекция 9. Направленная (адресная) доставка ЛВ с помощью НЛ.
Недостатки традиционных лекарственных средств, связанные с отсутствием адресной доставки ЛВ на примере лекарственных субстанций широко используемых в медицинской практике препаратов. Пассивная адресная доставка ЛВ с помощью НЛ. Изменение размера и физико-химических свойств наночастиц как инструмент пассивной доставки ЛВ. Активная адресная доставка ЛВ. Преимущества адресной доставки ЛВ наночастицами НЛ. Термины и определения: направленная или адресная доставка, пассивная и активная адресная доставка, лиганды направленной/адресной доставки. Использование адресной доставки современных НЛ.
Адресная доставка ЛВ в нормальные и патологические ткани и органы. Адресная доставка ЛВ в определенные клетки. Лиганды направленной доставки НЛ, их виды, способы конъюгации с наночастицами. Механизм «узнавания» и связывания наноразмерных средств адресной доставки ЛВ с целевыми клетками. Проблемы, связанные с направленной доставкой ЛВ с помощью НЛ.
Лекция 10. Наноразмерные лекарственные средства как новые лекарственные препараты. Разработка лекарственного препарата НЛ.
Основные этапы разработки новых лекарственных препаратов, динамика финансовых затрат и коммерческих рисков. Отличия разработки лекарственных препаратов НЛ от разработки традиционных лекарственных препаратов. Заболевания, на лечение которых направлены разработанные и разрабатываемые препараты НЛ. Разработка используемых в медицинской практике препаратов НЛ на примере препаратов Келикс и Пегинтрон, проблемы и достижения. Фармацевтическая промышленность прошлого и нашего веков. Изменения, происходящие в фармацевтике в настоящее время: Большая фарма и фармацевтика будущего. Традиционные лекарственные препараты: блокбастеры, дженерики, симулетики, БАДы в России и за рубежом. Препараты новых поколений: препараты-биомиметики, персонализированные лекарственные средства, препараты на основе живых клеток, функциональные продукты питания и др. НЛ как лекарственные препараты нового поколения. Перспективы и препятствия на пути разработки новых НЛ.
