Nośniki leków utworzone z nieorganicznych związków

Nieorganiczne nośniki leków są zazwyczaj zbudowane z metali takich jak: srebro, złoto, żelazo oraz z tlenków metali. Mogą one występować w postaci nanocząstek, nanoprętów, nanoklatek czy też innych nieregularnych form. Najczęściej występują jednak w postaci nanocząstek.

Mogą przybierać formy jednolite bądź typu rdzeń-otoczka.

Szczególnym zainteresowaniem naukowców cieszą się nanocząstki złota.

Nanostruktury złota są atrakcyjne, ze względu na ich niską toksyczność, immunogenność, relatywnie łatwą syntezę chemiczną oraz duże możliwości modyfikacji ich powierzchni [20].

Ich ważną właściwością jest występowanie rezonansu plazmonów powierzchniowych (ang. surface plasmon resonace), czyli drgań chmury elektronowej powodujących zmianę energii świetlnej na cieplną. Ta właściwość złota jest ściśle zależna od kształtu i wielkości jego nanocząstek i może być wykorzystywana w terapii hipertermicznej i fotodynamicznej nowotworów [21,22]. Dzięki ujemnemu ładunkowi powierzchniowemu i wysokiej reaktywności, nanocząstki złota można funkcjonalizować lekami bądź ligandami, co daje duże możliwości wykorzystania ich do celowanych terapii medycznych. Najczęściej są one modyfikowane poprzez pokrycie warstwą polimerów takich jak PEG, które umożliwiają lepszą internalizację i łączenie się z komórkami [23]. Modyfikacje poliglikolem etylenowym umożliwiają przyłączenie do nanocząstek złota różnych biomolekuł, takich jak: biotyna, laktoza, lecytyna oraz inne białka czy oligonukleotydy [24,25].

Modyfikowanie nanocząstek złota aminokwasami i peptydami umożliwia wykorzystanie aktywnego transportu i rozpoznanie miejsca docelowego przez nośnik.

Aminokwasy ze względu na obecność dodatnich grup aminowych wiążą się elektrostatycznie z ujemnie naładowanymi grupami fosforanowymi DNA z większą skutecznością, co zostało również wykorzystane do dostarczania genów w terapii genowej i wyeliminowania efektu toksyczności [26]. Wykorzystanie odpowiednich peptydów takich jak CALNNR umożliwiło celowanie w elementy wewnątrzkomórkowe. Nanocząstki zmodyfikowane tym rodzajem

21

peptydu mogły skutecznie przeniknąć przez błonę komórkową i wykazywały wyższe powinowactwo do DNA, RNA jak i również retikulum endoplazmatycznego w komórce [27].

Innym sposobem jest dołączenie specjalnych sekwencji oligonukleotydów zwanych aptamerami, które mają powinowactwo do danego receptora lub białka, na które są nakierowywane. Przykładowo, do modyfikacji nanocząstek złota użyto aptameru PSMA, który nakierowuje się na komórki raka gruczołu krokowego. Uzyskane nośmki wykazywały zmniejszoną toksyczność ogólnoustrojową i powodowały znaczną redukcję guza nowotworowego [28,29].

Innym rodzajem nośników a zarazem narzędziem do obrazowania i wykrywania nowotworów są kropki kwantowe (ang. quantum dots - QDs). Są to najczęściej sferyczne nanokryształy o rozmiarach od 2 do 20 nm. Zbudowane są z pierwiastków grup III i IV, II i VI lub IV i VI układu okresowego [30,31]. Ich właściwości są pośrednie między półprzewodnikami a cząstkami kwantowymi. Podobnie jak półprzewodniki, kropki kwantowe pochłaniają fotony światła o energii pozwalającej na przeniesienie elektronów z poziomu niewzbudzonego (atomowego) na wyższy wolny poziom energetyczny w paśmie przewodnictwa. Przejście odwrotne elektronów związane jest z emisją promieniowania elektromagnetycznego, której długość fali zależy od rozmiaru i składu pierwiastkowego QDs.

Nanokryształy o małej średnicy (2 nm) cechują się fluorescencją o długości fali odpowiadającej światłu niebieskiemu. Wraz ze wzrostem średnicy kropek kwantowych długość fali promieniowania emitowanego rośnie przechodząc przez zakres światła widzialnego, a kończąc na promieniowaniu podczerwonym [32].

Do otrzymywania kropek kwantowych stosuje się głównie nieorganiczne siarczki, selenki i tlenki, takie jak: CdS, CdSe, ZnS i TiO2. Kropki kwantowe składają się z centralnie umieszczonych półprzewodnikowych nanokryształów i warstwy ochronnej, którą stanowi zazwyczaj ZnS. Warstwa ochronna dodatkowo może być modyfikowana przez polimery, które chronią przed działaniem enzymów i hydrolizą w środowisku fizjologicznym. Do zewnętrznej otoczki kropek kwantowych przyłącza się często różnego typu ligandy takie jak: kwasy nukleinowe, białka oraz przeciwciała pełniące funkcję nakierowującą na określone struktury w organizmie [33].

Nośniki leków w postaci kropek kwantowych ze względu na swoje właściwości emisyjne dają możliwość monitorowania i dystrybucji substancji leczniczej w organizmie.

Nanokryształy modyfikowane odpowiednimi ligandami wykorzystywane są do badania powierzchni komórek oraz struktur wewnątrzkomórkowych. Ich fotostabilność umożliwia długotrwałe monitorowanie znakowanego elementu. Pomimo wielu zalet i szerokiego

22

stosowania w biomedycynie kropki kwantowe nie są pozbawione wad. Poważnym problemem jest toksyczność jonów metali ciężkich budujących warstwę wewnętrzna QDs. Powstało wiele rozwiązań eliminujących toksyczne działanie rdzenia kropek kwantowych jednak rozwiązania te nie są wystraczające. Należy dalej rozwijać nowe metody syntezy i modyfikacji kropek kwantowych, aby ograniczyć efekt toksyczności i zwiększyć ich aplikacyjność we współczesnej biomedycynie [34].

Kolejny rodzaj nieorganicznych nośników leków stanowią porowate nanocząstki z tlenku tytanu, tlenku glinu oraz krzemionki [35,36]. Ich porowata struktura ułatwia akumulację leków wewnątrz porów. Mogą występować w różnych postaciach, np.: kulistej, sferycznej, struktur hierarchicznych i nanowłókien. Ich właściwości zależą ściśle od ich pola powierzchni, średnicy porów jak i również rodzaju mezostuktury (heksagonalna, lamelarna, sześcienna). Pierwszy mezoporowaty nośnik na bazie krzemionki został wykorzystany do dostarczania leku przeciwbólowego - ibuprofenu [37]. Wprowadzono go do nanocząstek krzemionkowych typu MCM-41. Badano wpływ parametrów strukturalnych na ilość i szybkość uwalniania leku. Badania te wykazały, że struktura, topologia jak i również powierzchnia mezofilowych nanocząstek krzemionki wpływają bezpośrednio na szybkość ładowania i szybkość uwalniania in vitro ibuprofenu. Natomiast wielkość porów nie wpływa znacząco na szybkość uwalniania leku.

Ważna grupę nośników stanowią materiały węglowe. Do tej pory zsyntezowano szereg nanomateriałów opartych na węglu o różnorodnych morfologiach i mikrostrukturach takich jak:

nanorurki węglowe [38, 39], fullereny [40], grafen [41], nanodiamenty [42], nanowłókna [43]

jak i również różnego typu struktury hybrydowe [44]. Materiały te przyciągają uwagę naukowców ze względu na szereg zalet takich jak: wysoka odporność mechaniczna związana ze zwartą budową, małe wymiary ułatwiające wejście do komórki, dobre właściwości przewodzące oraz duża powierzchnia umożliwiająca modyfikację lekami bądź ligandami.

Wszystkie te zalety świadczą, iż materiały węglowe posiadają duży potencjał jako systemy dostarczania leków [45]. Rodzaje nanomateriałów węglowych używanych do konstrukcji nośników leków zostały przedstawione na rysunku 4.

23

Rys. 4. Formy występowania materiałów węglowych użytecznych jako nośniki leków (A) fulleren C60, (B) fulleren C70, (C) nanorurki węglowe, (D) nanodiamenty, (E) grafen, (F) nanowłókna [46].

Najczęściej stosowanymi nośnikami węglowymi są nanorurki węglowe (ang. carbon nanotubes CNT). Stanowią one alotropową odmianę węgla o postaci walców o średnicy rzędu nanometrów, powstałych ze zwiniętej płaszczyzny grafenu. Ze względu na ilość warstw budujących ścianę nanorurki, dzielimy je na nanorurki jednościenne (SWNT), dwuścienne (DWNT) oraz wielościenne (MWNT). Nanorurki jednościenne składają się z pojedynczej płaszczyzny grafenowej, która zbudowana jest z sieci heksagonalnej oraz dwunastu pierścieni pentagonalnych. Wśród nanorurek węglowych charakteryzują się największą homogenicznością oraz najmniejszą liczbą defektów sieci. Natomiast nanorurki dwuścienne, ze względu na swoją budowę tworzoną przez dwa zwinięte współosiowo cylindry, cechują się lepszą sztywnością w porównaniu z nanorurkami jednościennymi. Z kolei nanorurki wielościenne skonstruowane są z wielu koncentrycznie ułożonych cylindrów ułożonych w równomierny sposób. Odległości pomiędzy kolejnymi cylindrami są stałe i wynoszą około 0,34 nm. Jednak wartość ta może nieznacznie ulegać zmianie ze względu na powstające defekty sieciowe [47].

Nanorurki węglowe, aby pełniły rolę nośników leków, są funkcjonalizowane różnego typu substancjami biologicznymi i ligandami. Modyfikacja powierzchni nanorurek jest możliwa ze względu na dużą dostępność miejsc wiązania substancji aktywnej na heksagonalnej

24

siatce atomów węgla. Możemy wyróżnić dwa rodzaje funkcjonalizacji CNT: endohedralną i egzohedralną [48]. Funkcjonalizacja endohedralna polega na przyłączaniu substancji do pustych rdzeni nanorurki, z kolei funkcjonalizacja egzohedralna polega na zewnętrznych modyfikacjach powierzchni nanorurki za pomocą wiązań kowalencyjnych bądź oddziaływań niekowalencyjnych. Funkcjonalizacja nanorurek stabilizuje ich strukturę, zwiększa ich biokompatybilność i zwiększa możliwość przenikania przez błony komórkowe [49]. Nanorurki MWNT wykorzystywano między innymi do dostarczania leków przeciwnowotworowych cis-platyny i doksorubicyny. W obu przypadkach otrzymano obiecujące wyniki i zahamowanie wzrostu komórek nowotworowych [50,51].

Pomimo przedstawionych powyżej zalet, nanocząstki nieorganiczne, jako nośniki leków, posiadają również wady i niedoskonałości. Należy pamiętać, iż często wykazują one cytotoksyczność i akumulację w organizmie ludzkim, co może prowadzić do przewlekłych stanów zapalnych tkanek. Mogą również powodować uszkodzenia błon komórkowych i mitochondriów, a w szczególności komórek śródbłonka [52]. Istnieją publikacje wykazujące cytotoksyczny charakter nanocząstek złota, które w konsekwencji powodowały hemolizę i powstawanie skrzepów krwi [53]. Natomiast szeroko stosowane nanorurki mogą powodować agregację płytek krwi [54]. Z kolei nanocząstki na bazie krzemionki, obecne w dużych stężeniach, powodowały stres oksydacyjny tkanek poprzez wzrost ilości wolnych rodników i obniżenie poziomu glutationu [55]. Patrząc na powyższe doniesienia należy stwierdzić, że systemy te wymagają dalszego udoskonalenia i kolejnych badań nad ich toksycznymi, ubocznymi efektami w funkcjonowaniu organizmu.