Герман Кричевский

профессор, вице-президент Нанотехнологического общества России (НОР)

Введение

Всё больше проблем настоящего, прошлого и будущего являются междисциплинарными и межотраслевыми. В связи с этим, поэтому в последнее время появилось множество научно-практических направлений, объединяющих на первый взгляд очень разные направления. Одним из таких гибридных направлений является наномедицина, которая включает в себя научные основы и практику использования в медицине передовых достижений нанотехнологий. В 21-ом веке наномедицина достигла больших успехов в разных областях медицины и, прежде всего, в нанофармации, нанодиагностике и нанотерапии, в комплексном сочетании в одном препарате (лекарстве) и диагностических и терапевтических свойств (тераностика).

Особенно велик вклад нанотехнологий в диагностику и терапию раковых заболеваний. Другие области медицины в меньшей степени используют нанотехнологии. В последние 10-15 лет ведутся активные исследования по применению нанотехнологий в профилактике, диагностике, терапии, вакцинации, разработке индивидуальных средств защиты в случае инфекционных заболеваний различными болезнетворными микроорганизмами, в том числе и вирусом covid-19. Всем этим вопросам посвящён этот обзор.

Автор не медик, не микробиолог, а химик и нанотехнолог, поэтому поднимая междисциплинарную, актуальную проблему, понимает возможность многочисленных замечаний к тексту со стороны коллег смежных специальностей. Обзор включает в себя материалы трехтомника автора «Зелёные и природоподобные технологии – основа устойчивого развития 21-ого века для будущих поколений», в которых проанализированы сотни публикаций на тему «Нанотехнологии в медицине». Кроме того, использованы данные большого обзора по этой теме, вышедшего в 2021 году, в котором приведена обширная библиография (более 200 ссылок).

1. Наномедицина в онкологии.

Нанотехнологии, прежде всего, пришли в онкологию и на сегодня решили многие проблемы, которые накопились в традиционной онкологической терапии. Одним из главных направлений онкологии является химиотерапия, в которой в качестве онкологических препаратов (цитостатиков) применяются различные токсичные соединения, способные подавлять рост и убивать онкологические клетки. Но эти же онкологические препараты также убивают и здоровые клетки, что приводит к сильным побочным эффектам (токсичность), снижающим качество жизни больных, подвергающихся химиотерапии при использовании традиционных цитостатиков, когда их системно вводят в организм внутривенно или перорально (капсулы, таблетки). В этом случае онкологические препараты, прежде чем дойти и попасть в онкологическую опухоль, проходят через весь организм (ткани, органы) по кровеносной и лимфатической системам, накапливаясь в различных важнейших органах (печень, почки, лёгкие и др.), отравляя и убивая в них здоровые клетки.

В середине прошлого века были начаты систематические исследования во всех научных школах по решению проблемы частичного и полного подавления токсического действия онкологических препаратов на здоровые клетки, органы, ткани. Для этого нужно было сделать онкологические препараты селективного, нацеленного (таргентного), адресного действия только на патогенные онкологические клетки и раковые опухоли.

Помогли решить эту чрезвычайно трудную и важную проблему только нанотехнологии, которые к концу прошлого века подошли с большими успехами к разработке технологий производства наночастиц различной природы. Идея использования нанотехнологий для создания таргентных онкологических препаратов заключалась в следующем:

– Использовать наночастицы малого размера (1-100 нм) в качестве носителей онкологических препаратов. Малые размеры нанотранспортера позволяют легко преодолевать различные биологические барьеры (капиллярные стенки, плацентарный, гематоэнцефалический барьеры), прежде чем они дойдут до патогенного органа.

На рис. 1 приведены разные виды нанотранспортеров, используемых для транспортировки, доставки и высвобождения лекарств непосредственно в раковую опухоль.

Рисунок 1. Виды нанотранспортеров.

– Нагрузить нанотранспортёры лекарством – онкологическим препаратом можно, химически связав его с нанотранспортёром или поместить его внутрь структуры нанотранспортёра. На рис. 2 показана для примера структура нанотранспортёра (липосома), нагруженного онкологическим препаратом.

Рисунок 2.

– Недостаточно нагрузить нанотранспортёр онкологическим препаратом, необходимо придать ему адресность по отношению к онкологическим клеткам, точнее сказать к определенным химическим рецепторам на поверхности онкологической клетки. Для этого в структуру транспортера вводят специальную химическую группировку - вектор, имеющий сродство к рецептору на поверхности онкологической клетки.

На рис. 3 показаны схематично таргентные онкологические препараты на основе нанотранспортёра – липосомы.

Рисунок 3.

На рис. 4 показана схема присоединения таргентного онкологического препарата к онкологической клетке.

Рисунок 4.

Проникая через клеточную мембрану онкологический препарат деструктирует репродуктивный аппарат (ДНК, РНК, ферменты и др.) онкологической клетки, тем самым подавляя её размножение, что приводит к её гибели.

Последним достижением наномедицины в онкологии является создание на платформе нанотранспортёра препаратов двойного действия – тераностиков (онкологическая диагностика и терапия). Структура такого таргентного препарата показана на рис.5.

Рисунок 5.

Рисунок 6. Разрушающее действие на клетку катионов серебра и наночастиц серебра.

Для придания таргентному препарату диагностических свойств в его структуру вводят сигнальные наночастицы, обладающее оптическими, электрическими, магнитными свойствами, что позволяет их детектировать непосредственно в онкологической опухоли с помощью специальных приборов.

Принцип адресности онкологических препаратов был достаточно подробно описан, поскольку он может и используется в лечении инфекционных заболеваний.

2. Нанотехнологии, подавляющие инфекционные заболевания

Чрезвычайно полезным свойством наночастиц благородных (Ag, Pt, Au) и тяжёлых (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, и др). металлов является их способность разрушающе действовать на все патогенные микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, дрожжи).

Механизм действия наночастиц металлов представлен на рис. 6 и заключается в следующем. Наночастицы металлов при контакте с клеткой патогенного микроорганизма присоединяется к молекуле гликопротеина, входящего в состав оболочки клетки, разрушает это оболочку и проникает внутрь клетки. Затем происходит нарушение процесса репликации в клетке за счёт деструкции ДНК, РНК, ферментов, рибосом и других компонентов. Это напоминает механизм действия цитостатиков на онкологические клетки, рассмотренный ранее.

Возможности нанотехнологий в подавлении пандемии коронавируса covid-19

Как было сказано ранее, наночастицы металлов способны подавлять практически все виды вирусов, как это показано на рис. 7.

Рисунок 7.

Но в этой статье мы остановимся на самой актуальной проблеме сегодняшнего, а может и завтрашнего дня - на подавлении пандемии, вызванной вирусом covid-19. Официально пандемия началась в марте 2020 года и до сих пор её окончание не просматривается. Про статистику заболевания covid-19, про типичные признаки этого заболевания, про строение и свойства вируса covid-19 написано уже очень много, поэтому остановимся на этом очень кратко, а в основном сосредоточимся на стратегии и тактике подавления пандемии с помощью нанотехнологий.

Заключается это повышении эффективности на всех необходимых этапах борьбы с пандемией с использованием достижений нанотехнологий. Это следующие этапы и мероприятия:

– утилизация средств индивидуальной защиты (далее СИЗ);

– профилактика и защита;

– дезинфекция;

– диагностика;

– вакцинация;

– таргентная терапия;

– совмещение диагностики и терапии;

– экономика и регуляция использования нанотехнологий в борьбе с инфекционными заболеваниями;

– текущие результаты, проблемы и перспективы на будущее.

Все эти этапы и мероприятия важны и дают положительные результаты, но эффективны только при их комплексном использовании.

Несмотря на определённую внезапность этой пандемии, до сих пор точно не установлен начальный источник и природа её распространения. Многое о вирусах подобного строения (коронавирус) было известно (многочисленные штаммы гриппа, вируса Эбола и др.).

Всемирная организация здравоохранения (далее ВОЗ) назвала это «новое» и широко распространяющееся заболевание «коронавирусной болезнью – 2019» (covid-19), а вирусный агент – «тяжёлым острым респираторным синдромом – коронавирусом-2» (SARS-Cov-2). Этот тип коронавируса серьезно влияет на дыхательную систему, вызывая острый иммунный ответ, который является основной причиной смерти с коэффициентом смертности 0,05-19,4%. Вирус приводит к усилению слизистой секреции, забивающей альвеолы лёгких, и подавляет насыщение кислородом крови. Репликация вируса в клетках лёгких вызывает воспаление и цитокиновый шторм (разбаланс иммунной системы). Этот вирус не ограничивается поражением легких и бьёт по «слабым» местам организма (желудок, почки, печень, сердце и др.).

Малый размер вируса (10-50 нм) – это наночастица – позволяет ему легко преодолевать все биологические барьеры и прикрепляться к любой здоровой клетке за счёт сродства и стерической совместимости части шипа вируса и рецептора на поверхности клетки. Далее вирус торит оболочку клетки, проникает внутрь клетки и разрушает её аппарат репликации. При этом РНК вируса саморазмножается в здоровой клетке (паразит) и выходит из неё уже не в одиночку, а целым батальоном вирусов. Механизм взаимодействия коронавируса covid-19 со здоровыми клетками и размножение показан на рис. 8.

Рисунок 8.

Рецепторы для присоединения вектора вируса имеются у всех здоровых клеток, а защита от вирусов в клетке на её поверхности и внутри отсутствуют.

Рецептор здоровых клеток ACE-2 (фермент), вектор вируса представляет из себя набор белков различного вида. Отвечает за присоединение вектора вируса к поверхности клетки особый вид –S-белка. Знание этого интимного механизма взаимодействия необходим для разработки стратегии и тактики борьбы с пандемией, вызванной covid-19.

При разработке стратегии и тактики борьбы с пандемией covid-19 на всех этапах и мероприятиях необходимо учитывать механизм инфицирования здоровых клеток вирусом, которой сводится к следующему:

1. Сами вирусы, основной целью которых как всех живых организмов является размножение, реализовать эту функцию могут только в полноценной клетке «хозяина». В вирусах отсутствует полный набор компонентов для репликации. Они содержат или только РНК или ДНК молекулы, а для репликации необходимо иметь их в паре.

Рисунок 9. Строение covid-19.

2. Для попадания в клетку «хозяина» вирус covid-19 первоначально прикрепляется с помощью вектора –S-белка капсида короны к рецептору на поверхности мембраны клетки «хозяина». Если нет контакта, то нет и проникновения внутрь клетки, нет инфицирования.

3. Попав в клетку «хозяина» вирус сбрасывает с себя оболочку и форме РНК (вирион) совместно с ДНК, ферментом и другими компонентами клетки приступает к воспроизводству себе подобных вирусов.

4. Образовав многочисленные вирусы в клетке «хозяина», истощив её, они покидает её, и клетка погибает.

Рисунок 10.

5. Новые вирусы уже в большом количестве ищут новые клетки «хозяина», чтобы размножаться и убивать здоровые клетки. Этот процесс напоминает механизм радикально-цепных реакций в химии.

Как же с учетом этого механизма ингибировать процесс инфицирования вирусом covid-19?

1. Перехват и инактивация вируса ещё до подхода его к здоровым клеткам. Поскольку основной вход в организм – это носоглотка, то эффективнее всего начинать ловить и обезвреживать вирус следует на этой стадии с помощью спреев в нос и горло. Спрей должен содержать эффективные антивирусные вещества. К сожалению, до сих пор такие вещества только начинают предлагаться мировой фармацией. В этом случае используют нанотехнологии. Как будет показано далее, в качестве таковых будут предложены наночастицы металлов, способные разрушать практически все патогенные микроорганизмы, в том числе и covid-19.

Спреи, содержащие антивирусный вещества, можно использовать как профилактические материалы.

2. Если вирус попал в организм и гуляет по кровеносной и лимфатической системам, проник в ткани и органы, то его необходимо инактивировать системно, то есть вводя антивирусные препараты внутривенно или перорально (таблетки, капсулы). Тогда препарат получит возможность встретиться с вирусом в кровеносной и лимфатической системах, которые разнесут его по всему организму – органам и тканям. И в этом случае можно использовать антивирусные препараты на основе наночастиц металлов.

3. Если вирус уже попал в здоровую клетку «хозяина», то инактивировать его внутри клетки значительно труднее. Но если антивирусный препарат попадёт также и в здоровую клетку, то там он может теоретически ингибировать механизм репликации вируса, но при этом погибнет и здоровая клетка, так как антивирусный препарат разрушит аппарат репликации здоровой клетки. Другими словами, погибнет и вирус, и сама клетка. Зато множество новых вирусов не выйдут из этой клетки.

4. Дезактивация активной части шипа капсида коронавируса, то есть вектора –S-белка. Тогда вирус теряет свою способность прикрепляться к рецепторам ACE-2 мембраны здоровых клеток. Хорошая идея, особенно если её дополнить синтезом рецептора ACE-2 и посадить его на наноразмерную платформу. Такие же подходы сейчас реализуется с помощью нанотехнологии и нанотранспортеров.

5. Дезактивация рецепторов ACE-2 мембраны здоровых клеток теоретически возможно, но только теоретически. В организме человека примерно 30 триллионов клеток. Основная их часть приходится на эритроциты крови. Показано, что дезактивировать их даже малую толику, невозможно и бесполезно.

Эффективность всех вышеперечисленных подходов дезактивации вируса может быть повышено, если антивирусный препарат прикрепить к нанотранспортеру с целью придания ему адресности и возможности проникать во все органы и ткани, преодолевая биологические барьеры.

Рисунок 11.

Средства индивидуальной защиты от проникновения вирусов covid-19 в организм

Начнём с профилактики инфекции с помощью средств индивидуальной защиты (СИЗ). Выбор СИЗ зависит от того, какими путями covid-19 проникает в организм:

1. Прямая передача «воздух-воздух» во время чихания, разговора, кашля.

2. Прямой контакт с загрязнённой поверхностью.

Основными способами профилактики являются средства личной гигиены и СИЗ. Эффективными дезинфицирующими средствами являются этанол (62-71%), перекись водорода (0,5%) и гипохлорит натрия (0,1%).

СИЗ включают изделия из текстиля (маски, головные уборы, халаты, медицинскую форму), очки, перчатки. СИЗ играют чрезвычайно важную роль в борьбе с пандемией. Поэтому необходима эффективная организация их производства, снабжения, хранения, правильного использования и управления зараженными отходами.

Опыт использования СИЗ при борьбе с пандемией covid-19 выявил на примере изделий из текстиля, особенно масок, ряд проблем, главными из которых являются:

– одноразовость масок, их не комфортность особенно в условиях рабочего режима пользователя (трудно дышать);

– проблемы утилизации огромного количества (миллиарды) одноразовых масок, которые могут содержать вирусы.

Это проблема во всём мире не решена, а в РФ она даже не поднимается. Кроме того, обычные маски не обеспечивают эффективную фильтрацию от любых вирусов, поскольку размер вирусов 10-50 нм, что намного меньше, чем микропоры 10-100 микрон текстильного материала масок.

Проблему эффективности масок можно решить тремя путями:

1. изготовлять материал масок из нановолокон;

2. придавать текстильному материалу масок антимикробные и антивирусные свойства. Автор даже в домашних условиях изготовлял для близких и для себя маски из хлопчатобумажной ткани, на которых синтезировал наночастицы серебра, которые дезинфицировали все патогенные микроорганизмы, попадающие на внешнюю поверхность масок;

3. придавать текстильному материалу медицинских халатов и шапочек водоотталкивающие свойства. Это защитит медперсонал от попадания им на кожу физиологических жидкостей инфицированных больных.

Рисунок 12.

На рис. 12 схематично показано действие всех вышеперечисленных факторов. Такая маска, халат, шапочка могут многократно использоваться, выдерживать многократные стирки без потери антимикробных свойств.

Однако и в этом случае проблема утилизации СИЗ не исчезает, правда становится не столь массовый по объёму продукции, подлежащей специализированной утилизации.

В настоящее время разрабатываются самоочищающиеся текстильные материалы, в том числе от микроорганизмов. Для этого текстиль обрабатывается двуокисью титана (TiO₂), обладающего высокой фотоактивностью. На солнечном свету двуокись титана фотогенерирует радикалы и синглетный кислород, которые убивают патогенные микроорганизмы и covid-19 тоже.

Дезинфекция поверхностей от covid-19

Различные химические дезинфицирующие средства широко используются в личных, бытовых и медицинских учреждениях для стерилизации и для личной гигиены во время пандемии. Сюда же относится необходимость придавать устойчивую антимикробность, стерильность поверхностям медицинских приборов.

Однако, практически невозможно постоянно дезинфицировать поверхности, которые будут повторно загрязняться. Дезинфицирующие жидкие средства на основе спирта, фенолов, четвертичных аммониевых веществ, хлорсодержащих веществ, растворов формальдегида не обеспечивают устойчивость антимикробных свойств. В тоже время химики текстильщики имеют большой опыт придания перманентных антимикробных свойств текстильным материалам. Эти технологии основаны на иммобилизации антимикробных препаратов в пленках полимеров. Эти технологии можно использовать для приготовления полимерной композиции, содержащей антимикробные препараты, и нанесения этой композиции на поверхности материалов. В состав таких композиций можно вводить наночастицы металлов, обладающие широким спектром антимикробных свойств. Такими свойствами обладают наночастицы золота, серебра, меди, платины, оксидов железа. Эти наночастицы способны взаимодействовать с s-спайковым белком шипа вируса, разрушая его. В результате вирус не может прикрепиться к рецептору здоровой клетки и проникнуть в неё.

В таблице 1 представлены средства защиты на нанооснове для профилактики covid-19.

Таблица 1. Средства защиты на основе наночастиц для профилактики COVID-19.

№№	СИЗ на нанооснове	Особенности рецептуры	Преимущества СИЗ на нанооснове
1	Нанокластер Ag / кремнезем композитный маски для лица	Серебряное нанокластерное / силикокомпозитное покрытие, нанесенное материал маски для лица	– Сильное антивирусное свойство; – Улучшенное снижение титра SARS-CoV-2; – Высокая безопасность использования в людных местах; – Увеличенный срок службы фильтрации маски; – Уменьшение количества отходов
2	Дезинфицирующее средство для рук	Неоспорин, мупроцин и тетрациклин на основе не спиртовых растворов.	– Обеспечивают эффективное противовирусное действие; – Дезинфицирующие средства для рук, подходящие для кожи;
3	Наноспрей на основе оксида цинка	Наноспрей оксида цинка (II) NP (ZnO-NPs), используемый в качестве дезинфицирующего средства	– Высокая активность против SARS-CoV-2; – Снижение токсичности для клеток хозяина; – Повышенная противовирусная активность против SARS-CoV-2
4	Наночастицы серебра (AgNPs) для хирургических масок	Хирургические маски с пропиткой AgNP	– Сильное снижение количества микробов 99,999% против широкого спектра микроорганизмов; – Повторное использование хирургических масок; – Эффективная дезинфекция
5	Графен	Нанесение покрытия на такие ткани, как маски для лица и перчатки	– Отличная антимикробная устойчивость, эффективность
6	Многоразовые маски из нановолокнистых мембран	Маски, изготовленные из ткани, полученной методом экструзии с раздувом из расплава.	– Дезинфекция и повторное использование масок

Тестирование заболевания вирусом covid-19

Любая болезнь, тем более при пандемии, требует надежных и быстрых методов диагностики и тестирования. Принципы тестирования вируса covid-19 принципиально не отличаются от методов тестирования других вирусов. Но от этого диагностика covid-19 не становится проще. В любом случае необходимо детальное знание строения, морфологии, свойств, механизма инфицирования организма конкретным вирусом. Существуют качественные и количественные методы тестирования; последние более надёжны, но они и существенно дороже.

Задача тестирования заключается в нахождении в биологической жидкости (кровь, слизистая) очень, очень малого «следового» количества инородного для здорового организма вещества, связанного со специфическим строением вируса и продуктами его реакции в организме.

Специфическим веществом в строение вирусов являются нуклеиновые кислоты. В случае с covid-19 это РНК, находящаяся внутри вируса или характерные белки в оболочке вируса. Или специфические антитела, возникающие в организме в результате действия иммунной системы по отношению к конкретному виду вируса. Антитела защищают здоровый организм от инфекции вирусом.

Антитела – это белки специфического строения, способные прикрепляться к поверхности вируса. В таком окружении вирус не способен контактировать своим вектором (мальчик – ключик) с рецептором (девочка – замочек) и, следовательно, проникнуть в клетку хозяина.

Методы тестирования должны быть максимально точными и быстрыми, что не скажешь про те традиционные, через которые мы все проходим. Коротко поговорим о двух наиболее распространенных методах тестирования, прежде чем перейти к описанию использования нанотехнологий и наночастиц металлов для улучшения традиционных подходов.

1. Метод ПЦР основан на использовании полимеразной (фермент) активной цепной реакции. Данный метод ля тестирования covid-19 зарегистрирован ВОЗ 6 марта 2020 года. Метод определяет наличие в биологической жидкости нуклеиновой кислоты РНК, которая содержится в вирусе covid-19. Метод красивый, основан на генной инженерии. В основе лежит реакция цепной полимеризации, катализируемой специфическим ферментом – полимеразой. Выделяют из РНК вируса специфические блоки последовательности нуклеиновых кислот, затем каталитически полимеризуют их до полимера более длинных цепей и более высокой концентрации вещества, которое определяют традиционными аналитическими методами. Конечно, в основе методов ПЦР лежат сложнейшие биохимические реакции, а здесь изложен только упрощённый принцип.

2. Метод определения антител (иммуноферментный анализ – ИФА). Протокольно зарегистрирован ВОЗ для тестирования covid-19 28 февраля 2020 года. Метод основан на знании реального механизма иммунного ответа организма на появление в нём вируса, например, covid-19. Ответной реакцией здорового организма является включение иммунной системы, которая формирует защиту от вирусов в виде специфических белков – антител (иммуноглобулин).

Иммуноферментный анализ, в основе которого лежат специфические реакции антиген-антитело. Антиген – это чужеродные (пришельцы) биомолекулы в организме. Это могут быть болезнетворные микроорганизмы, в том числе вирусы или их части (элемент шипа вируса).

Образующийся комплекс антиген-антитело определяется с помощью фермента в качестве метки для регистрации интенсивности сигнала. Сигнал от комплекса определяют оптическими или электрохимическими методами.

Необходимо определить антитела (белки определённого строения), появившиеся в инфицированном организме, что непросто, метод дорогой. Для этого необходимо на специальную твердую подложку нанести один из элементов поверхности вируса covid-19. Это s-белок шипа вируса, которым он прикрепляется к рецептору здоровой клетки. S-белок синтезируют методом генной инженерии. На подложку, где сидит s-белок. капают кровь и наблюдают за реакцией белка и антител, если они в крови есть. Другими словами, на языке аналитической химии титруют с помощью маркера s-белка специфические для covid-19 антитела. Если антител нет, то реакции нет.

Как и ПЦР тест, тест на антитела описан без деталей, только его принципы.

Несмотря на то, что тесты на антитела количественные, нет точного определения, что такое хорошо по ним сказать трудно, поскольку количественные показатели зависят от множества факторов: персональных данных пациента, времени взятие анализа – до или после инфекции, до или после вакцинирования и др.

Методы тестирования covid-19 с использованием нанотехнологий и наночастиц

Использование нанотехнологий и, прежде всего, наночастиц металлов позволяет повысить надёжность и экспрессивность (скорость) тестирования патогенных микроорганизмов, в том числе covid-19, что критично в условиях пандемии. Такой подход можно считать междисциплинарным, сочетающим успехи в области нанотехнологий, методах биосинтеза наночастиц металлов, микро- и вирусологии, и медицины.

Наночастицы металлов находят применение в диагностике различных заболеваний (онкология, гинекология), в том числе в детекции различных болезнетворных микроорганизмов и вирусов, в том числе и covid-19. Это обусловлено уникальными оптическими, магнитными, электрическими свойствами, способностью изменять эти свойства в биологических средах.

Наночастицы металлов, особенно золота – Au, используются для детекции вирусов различной природы, вызывающих серьёзные, очень серьёзные инфекционные заболевания (гриппы, гепатиты, герпес, ВИЧ, различные лихорадки, covid-19 и другие коронавирусы.)

Очень важным свойством наночастиц металлов дополнительно к их сигнальным свойствам является их склонность вступать в реакции с биологическими молекулами ДНК, РНК, белки, ферменты и др., часть из которых входит в состав вирусов, а часть возникает, когда вирусы проникают в организм.

Вирусы – это природные наночастицы, и наблюдать непосредственно вирусы, имеющие очень малые размеры, можно только с помощью электронной микроскопии (рис. 13).

Рисунок 13.

Первая удачная попытка использовать наночастицы золота в диагностике была проведена в 1990 году для детекции вируса папилломы человека. В настоящее время наночастицы золота эффективно используются для тестирования практически всех видов вирусов.

Успех наночастиц золота в детекции вирусов определён их свойствами: способность определяться методами масс-, атомная спектроскопии, с помощью электронной микроскопии, методом светорассеяния, фотометрически, флуорометрический, проявлять каталитические, электрические свойства, способность легко взаимодействовать с биологическими молекулами.

На рис.14 показана роль использования наночастиц золота в детекции вирусов различной природы.

Рисунок 14.

На рис.15 для примера показана принципиальная схема детекции вирусов типа SARS с помощью наночастиц золото.

Рисунок 15.

На рис.16 показана принципиальная схема обнаружения вирусов различной природы с помощью наночастиц золота, основанная на колористической реакции при взаимодействии частиц вируса и наночастиц золота.

Рисунок 16.

Традиционные методы обнаружения вирусов весьма трудоемки и недостаточно точны. Использование нанотехнологий и наночастиц металлов позволяет перейти к тестированию в режиме реального времени. Это можно делать в течение нескольких минут непосредственно в больницах, не отправляя пробы в специальные лаборатории. Это существенно снизит риск передачи инфекции от инфицированного, пока он будет ждать несколько дней результата анализа.

Наночастицы металлов используются в диагностических наборах, которые позволяют в течение нескольких минут точно определить факт инфицирования человека.

Наночастицы металлов способны извлекать РНК вируса из пробы крови и образовывать окрашенные комплексы.

Ведутся работы по созданию комплекса биосенсорной системы – смартфона, в котором сенсор проводит анализ, а программа смартфона интерпретирует результаты.

В таблице 2 приведены примеры диагностических систем для обнаружения вируса covid-19.

Таблица 2.

№№	Наносистемы	Особенности наноформулирования	Преимущества наноформ
1	Двухфункциональный плазмонный фототермический биосенсор	Двумерные наночастицы золота (AuNP), функционализированы дополнительными рецепторами ДНК	– Высокая чувствительность обнаружения выбранных последовательностей РНК;
2	Графеновые транзисторы с эффектом биосенсорных устройств	Датчики на основе графеновых наночастиц, покрытые специальным антителами против белка SARS-CoV-2 S	– Специфическое нацеливание на S-белок; – Обнаружение низких концентраций; – Высокочувствительный, быстрое обнаружение
3	Экспресс-тест на covid-19	НЧ золота, встроенные в тест-полоску из нитроцеллюлозы	– Высокая чувствительность и надежность визуального обнаружения; – Используется в местах оказания медицинской помощи (на месте); – Значительная экономия времени и средств; – Легко использовать и читать
4	Набора для ПЦР теста, умное обнаружение SARS-CoV-2	Нанобиоматериал олигонуклеотидных праймеров и зондов, помеченных флуоресцентными репортерными красителями	– Обнаружение одновременно 3-х различных образцов – Эндогенный контроль
5	Хиральные циркониевые наборы	Нанокристаллы для оптического детектирования, синтезированные с использованием L (þ) -аскорбиновой кислоты	– Более высокая чувствительность, чем у обычных методов ИФА
6	Наборы на основе CRISPR анализа	Использование синтетических, транскрибированных in vitro генных мишеней SARS-CoV-2 (РНК в воде, свободной от нуклеаз)	– Быстрая (~ 30 мин.); – Недорогая и точная; – 90% чувствительность и 100% специфичность при обнаружении; – Отсутствие перекрестной реактивности для соответствующих коронавирусных штаммов
7	НЧ, легированные лантаноидами	Самособирающиеся наночастицы полистирола, легированного лантаноидами, дозируется рекомбинантным нуклеокапсидом фосфопротеина	– Быстрый и чувствительный иммуноанализ; – Удобство при отслеживании прогресса и оценке; - положительная реакция пациентов на лечение
8	Магнитные НЧ для извлечение и изоляция РНК	Синтез аминомагнитных наночастицы с полимерным покрытием	– Быстрое обнаружение; – Позволяет обрабатывать ~ 10 000 тестов в день; – Гарантия охвата широкого диапазона населения

Вакцинация, как и использование СИЗ, является основным профилактическим мероприятием, требующим массовое производство эффективных вакцин и организацию массового охвата в сложнейших условиях пандемии.

Поскольку все вирусы и коронавирусы (SARS, MERS) похожи по структуре и свойствам, то эффективные вакцины, разработанные для них ранее, были в первую очередь опробованы и для covid-19. Это понятно. Пандемия нагрянула внезапно и необходимо было как можно быстрее её подавить. Было испытано 44 вида известных вакцин, ряд из которых показали хорошие результаты (Pfizer, Спутник V, Modernа). Исходя из строения коронавирусов, механизма инфицирования ими здоровых клеток предлагаемые вакцины подразделяются на следующие типы:

– неактивные или ослабленные вирусы;

– вирусоподобные частицы;

– вирусные векторы, за счёт которых они крепятся к оболочке здоровой клетки;

– на основе белков, ДНК, РНК вирусов.

Принцип действия вакцин сводится к тому, что они должны как чужеродные частицы вызывать природную реакцию иммунной системы инфицированного организма. Иммунная система генерирует антитела (иммуноглобулины), которые обволакивая оболочку вируса, препятствуют его сорбции на поверхности оболочки мембраны здоровой клетки.

Надо с удовлетворением отметить, что предложенные и в настоящее время широко используемые вакцины разработаны в беспрецедентно краткие сроки (полгода) в условиях жесточайшей пандемии.

Однако эти вакцины имеют ограниченную эффективность действия против нового патогена вируса covid-19. Это недостаточная стабильность в крови, короткий или недостаточный иммунный ответ, что требует высоких доз вакцинации. Кроме того, они имеют плохую иммуногенность, медленную абсорбцию вирусом. Они требуют особых условий хранения (очень низкие температуры) и транспортировки.

Нановакцины. Нанотехнологии и нанотранспортеры способны повысить эффективность действия традиционных вакцин, устранить их недостатки. Если традиционные вакцины прикрепить или наполнить ими нанотранспортёры, то такие вакцины приобретут строение и свойства наночастиц:

– способность преодолевать биологические барьеры;

– адресность (таргентность) доставки вакцины;

– снижение системной токсичности.

Сложность создания вакцин против covid-19 заключается в очень высокой частоте вирусных мутаций, требующих модификации вакцин с учётом особенностей строения новых штаммов вируса.

Наноформы вакцины по сравнению с традиционными вакцинами вызывают более сильный и стабильный иммунный отклик.

Нанотранспортеры различного строения можно нагрузить активным веществом вакцины высокой концентрации, которая будет пролонгировано высвобождаться адресно в нужном месте организма.

Нановакцины можно выпускать в ингаляционной форме, которая по дыхательным путям дойдёт до лёгких. Назальные формы вакцин очень удобны в применении, обеспечивая местный и системный иммунитет.

Нановакцины разрабатываются различными фармацевтическими фирмами разных стран.

Нановакцинам предстоит пройти сложную процедуру национальных и международных регистраций, но безусловно за ними будущее, как менее токсичных и эффективных вакцин.

Терапия вирусных заболеваний. Наиболее слабым звеном в комплексной системной борьбе с пандемией covid-19 является антивирусная терапия. К сожалению, традиционные подходы по созданию антивирусных препаратов конкретно против вируса covid-19 не дали явных положительных результатов, даже при том, что принципиальные подходы для их создания сформулированы на основании знания механизма инфицирования. Первоначально были испытаны антивирусные препараты, созданные для борьбы с коронавирусами других типов.

Такой подход перепрофилирования известных антивирусных препаратов имеет право на существование. Особенно в случае внезапного появления пандемии, когда надо выиграть время. Для этих препаратов были раннее изучены их свойства, уровень безопасности использования, токсичность и так далее. Были получены обнадеживающие результаты, для некоторых из них и для лечения больных covid-19.

На рис. 17 показаны схемы возможных механизмов использования нанотехнологий на разных стадиях вирусного клеточного цикла инфицирования.

Рисунок 17.

Безусловно путь перепрофилирования ранее известных антивирусных препаратов позволил снизить смертность тяжелобольных covid-19, сократить время пребывания больных в стационарах, но кардинально не решил проблемы терапии covid-19.

Второй подход к терапии вирусного заболевания covid-19 заключается в создании новых антивирусных препаратов, специализированных под борьбу с этим конкретным вирусом. И этот подход, конечно, более трудоёмкий и быстро не реализуется. Но он должен привести к созданию более эффективных препаратов.

Значительный вклад в создание новых антивирусных препаратов вносят нанотехнологии и наночастицы металлов и другие виды наночастиц (графен, углеродные нанотрубки).

Наночастицы могут выступать в роли нанотранспортеров или сами проявлять антивирусные свойства.

Как и в случае традиционных методов терапия больных, инфицированных covid-19, основывается на знании механизма инфицирования здоровых клеток.

На рис. 18 и 19 показано как прикрепляется белок шипа вируса к рецептору клетки. Приведены электронные фотографии того как вирус атакует клетки (вибропластов человека).

Рисунок 18.

Рисунок 19.

Опыт предшествующих пандемий с преимущественным поражением легких (2002 и 2015 годов, вирусов Эбола и др.) пригодился и в борьбе с пандемией covid-19. В любом случае используем ли мы антивирусные препараты традиционного типа или переведённые в наноформу, принципы ингибирования вируса covid-19 остаются близкими и основанными на знании полного цикла инфицирования:

1. Использование антител, нейтрализующих коронавирус covid-19. Ранее было сказано, что природная иммунная система организма при появлении в нём чужих патогенных частиц вырабатывает антитела (иммуноглобулины), нейтрализующие вирусы, взаимодействуя с s-белками шипа короны.

Следовательно, если произвести такие антитела в отдельном эксперименте (производстве) и ввести их в организм, то он будет превентивно защищать его от вируса covid-19. Нужно только, чтобы антитела были специфического строения, способные взаимодействовать с вирусом covid-19. Для массового производства антител используют культуру бактерий, дрожжей, клетки насекомых, микробиологическую технологию. Другой путь – иммунизация животных крупного рогатого скота. В их организм вводят белок covid-19 и организм животного вырабатывает определённые антитела. Их выделяют, очищают и используют для производства антивирусных препаратов. Пока это технология носит пилотный характер.

Интересной модификацией этой технологии является использование донорской крови переболевших covid-19, в которой содержатся антитела. Но этот метод не может быть массовым. Зная механизм связывания s-белка вируса с рецептором здоровой клетки (фермент ACE-2), производят этот фермент и связывают его с белком (иммуноглобулин). Такой комплексный препарат блокирует белок вируса и нейтрализует его.

Наконец можно синтезировать, произвести s-белок шипа коронавируса и заблокировать рецептор здоровой клетки.

Антивирусные препараты с использованием нанотранспортеров. Как и в случае других мероприятий по борьбе с пандемией (СИЗ, вакцинация, диагностика) терапия, то есть создание и использование антивирусных препаратов может быть улучшена с использованием нанотехнологий. Преимущества нанотехнологий и в этом случае заключаются в использовании нанотранспортеров или лекарств или их комбинаций, имеющих очень малые наноразмеры. Эти препараты преодолевают все биологические барьеры и попадают во все ткани, органы и клетки организма, в том числе патогенные. Если антивирусным препаратам придать адресность, таргентность, то они будут доставляться только в инфицированные органы, ткани и клетки.

Антивирусные адресные нанопрепараты обладают меньшей токсичностью, чем традиционные препараты, потому что не задерживаются в здоровых органах и тканях.

Использование наночастиц металлов в качестве антивирусных препаратов. Уникальность наночастиц благородных металлов золота, серебра и платины, и тяжёлых металлов заключается в их способности подавлять рост и убивать всё патогенные микроорганизмы, в том числе вирусы всех видов. Дополнительно к этому наночастицы металлов не вызывают у микроорганизмов резистентности (привыкания) к лекарству, как это происходит в случае антибиотиков, которые к тому же не способны бороться с вирусными заболеваниями.

Микроорганизмы, в том числе патогенные, склонны образовывать на биологических поверхностях колонии в форме плёнок, чрезвычайно устойчивых к многим антимикробным препаратам. Наночастицы металлов способны уничтожать патогенные микроорганизмы даже виде плёнок колоний.

Биоцидность наночастиц металлов зависит от природы металла, формы и размера частиц, от природы окружающей частицы среды и др. Механизм антимикробного (широкого спектра) действия наночастиц металлов показан на рис. 20, 21.

Рисунок 20.

Рисунок 21.

Механизм антимикробного действия заключается в следующем:

– наночастицы металлов могут начать взаимодействовать с вирусом ещё до подхода того к здоровой клетки, экранируя мембрану клетки;

– как и вирус, наночастицы металлы способны проникать внутрь клетки и уже внутри клетки деструктировать ДНК или РНК вируса.

На рис.22 представлена электронная микрофотография: а) вируса, б) взаимодействия наночастиц серебра с вирусом.

 

а)                                                           б)

Рисунок 22.

Создание традиционных антивирусных препаратов очень трудоёмкая, сложная работа (тонкий органический синтез), которая занимает годы от лаборатории до выхода препарата на рынок.

Производство наночастиц металлов биотехнологиям, которым владеет автор этого текста, экологически чистое, экономичное. Это технология природоподобная и зелёная. Это значит, что в природе похожие биохимические процессы происходят в растениях и микроорганизмах. Если в организм растения или микроорганизма попадёт (из почвы, из водоёма) соль металла, то она диссоциирует в водной среде и катионы металла соли Meⁿ⁺ начнут восстанавливаться до нейтральных атомов металла Me⁰, которые начнут ассоциироваться (объединяться) до наночастиц металлов размером 10- 200 нм. Биовосстановителями катионов в растениях и микроорганизмах выступают продукты обмена веществ (низкомолекулярные и высокомолекулярные спирты, фенолы, аминокислоты, белки, ферменты, ДНК, РНК и др.). Можно каждым из них пользоваться для биосинтеза наночастиц металлов.

Для биосинтеза наночастиц металлов могут использоваться даже отходы продуктов питания (фрукты, овощи, зерновые и др.).

На нашем производстве ООО «Колетекс» при производстве антимикробных гелей и аппликаций мы в качестве биовосстановителей применяем гидрогели полисахаридов.

Совмещение нанодиагностики и нанотерапии (тераностика)

Дополнительным преимуществом наномедицины перед традиционной является возможность совмещать диагностику с терапией.

Уже во многих областях медицины, особенно в онкологии, это совмещение реализуется следующим образом: к нанотранспортёру, используемому в качестве носителя противоракового препарата (цитостатика), прикрепляется дополнительное вещество, чаще всего наночастицы металлов (чаще всего золота), обладающие сигнальными оптическими, магнитными и электрическими свойствами. Кроме того, нанотранспортер содержит химическую группу и вектор, придающие всему препарату адресность (таргентность). Такой препарат доберется до патогенного органа, ткани, онкологической опухоли, расположится на них и позволит себя обнаружить сигналом, покажет размер, геометрию бедствия, высвободит лекарство цитостатиков и приступит к химиотерапии рака.

Точно так же можно создать и создают антивирусные тераностические препараты, в которых нанотранспортер нагружен сигнальной, лечебной и адресной группами. Такой препарат можно отправить в организм, где он найдёт инфицированные органы и ткани, и начнет бороться адресно с вирусом covid-19.

В заключение приведём некоторые сводные таблицы, рисунки, иллюстрирующие основные положения, изложенные в тексте.

Таблица 3. Антивирусные препараты на основе наночастиц для лечения COVID-19.

№№	Наноформулирование	Особенности наноформулирования	Преимущества наноформ
1	Дексаметазон с биомиметическими наночастицами	Инкапсуляция дексаметазона с лейкоцитарными производными липосомы	– Значительное преимущество в выживаемости; – Улучшенный иммунный ответ; – Улучшение терапевтической деятельности из-за дексаметазона
2	Ингаляционная липосомальная форма	Препарат, инкапсулированный в липосомы для ингаляционного применения	– Улучшенная фармакинетика; – Эффективная доставка в виде аэрозоля; – Целевые уровни антивирусных препаратов с более низкой эффективной дозой и меньшой частотой применения; – Продолжительное высвобождение; – Снижение общего системного воздействия на организм
3	Препараты с наночастицами металлов	Адсорбция препарата на наночастицах Ag, Au, AgAu и Pt.	– Снижение побочных эффектов; – Низкая токсичность; – Повышенная противовирусная активность.
4	Липосомальный лактоферрин	Лактоферрин (Lf), многофункциональный гликопротеин, загружен в липосомы	– Неинвазивное пероральное и интраназальное применение; – Повышенная противовирусная активность.
5	Наногубки (клеточные наноспоры)	Клеточные наногубки, полученные из клетки мембраны человека, прикрепленные макрофагами	– Имитирует ACE-2, подавляет проникновение и прикрепление вируса; – нейтрализация SARS-CoV-2, невозможность заражения; – Дозозависимое ингибирование вируса
6	Нанотранспортер золота, функционализированный пептидом	AuNP функционализирован новым пептидом	– Образует наиболее стабильный комплекс с рецептором; – Большой потенциал для подавления рецептора SARS-CoV-2 – Хорошие противовирусные средства против COVID-19
7	Мембраные наночастицы с большим содержанием ACE2	Наночастицы из мембран клеток с большим содержанием ACE2	– Предотвращение связывания вируса с клетками-хозяевами через конкурентное ингибирование; – Эффективное анти-SARS-CoV-2 средство; - Легко производить
8	Липосомы, нагруженные ремдесивиром	Аэрозольный нанолипосомальный носитель ремдесивира	– Прямое введение в легкие; – Существенно минимизированы побочные эффекты; – Повышенная эффективность; – Легкость использования дома; – Эффективная альтернатива при лечении COVID-19.

Таблица 4. Новые вакцины против covid-19.

№	Новая платфор-ма вакцин	Особенности наноформуляции	Разработчик/ Организация	Статус
1.	Белковая	SARS-CoV-2 rS/ Matrix M1-адъювант (полноразмерная рекомбинантная вакцина против наночастиц гликопротеина SARS-CoV-2)	Новавакс	Клиническая – Фаза 3
2.	Вакцина на основе ДНК	Covigenix VAX-001 – ДНК-вакцины + протеолипидная транспортная формула	Энтос Фармасьютикалз Инк.	Клиническая – Фаза 1
3.	Белковая	Рекомбинантный спайковый белок Sars-CoV-2, алюминиевый адъювантный (Nanocovax)	Наногенная фармацевтическая биотехнология	Клиническая – Фаза 1/2
4.	Вирусоподобная частица	Оболочка вирусоподобной частицы (eVLP) гликопротеина и адъюванта фосфата алюминия SARS-CoV-2 и адъюванта фосфата алюминия	VBI Vaccines Inc.	Клиническая – Фаза 1/2
5.	Вакцина на основе РНК	Самовоспроизводяющаяся мРНК-вакцина, разработанная в виде липидной наночастицы	СТАРЫЙ CIMATEC	Клинический -Фаза 1
6.	Вакцина на основе ДНК	Плазмидная ДНК, наноструктурированный RBD	Национальный институт химии, Словения	Доклинических
7.	Вирусный вектор	Лентивирусный вектор	Университет Сорбонна	Доклинических
8.	Белковая	Белок рецептора в нанотранспортере	Университет штата Огайо/Казахский национальный аграрный университет	Доклинических
9.	Белковая	S субъединая интраназальная липосомальная формула.	Университет Вирджинии	Доклинических
10.	Белковая субъединь	Рекомбинантный белок, наночастицы (на основе S-белка и других эпитопов)	Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт вакцин и сывороток	Доклинических
11.	Вакцина на основе РНК	LNP-инкапсулированный коктейль мРНК	Университет Фудань / Шанхай Цзяоонг Унивэрсити /RNACure Biopharma	Доклинических
12.	Вакцина на основе РНК	Липосомно-инкапсулированная мРНК	БИОКАД	Доклинических
13.	Вакцина на основе РНК	Самоамплификационная РНК-вакцина, инкапсулированная в LNP, которая кодирует несколько антигенов, включая спайковый (S) белок	Вакцины Ziphius и Гентский университет	Доклинических

Выводы.

1. Нанотехнологии позволяют существенно повысить эффективность диагностики и терапии в разных областях медицины и устранить временной разрыв между ними.

2. Использование нанотехнологий позволяет существенно повысить эффективность борьбы с пандемией, вызванной вирусом covid-19 на всех её стадиях и мероприятиях.

3. В РФ использование нанотехнологий в медицине существенно отстаёт от продвинутой части в этой области в таких странах как Китай, Индия, Израиль, США, Германия.

4. В связи с явной междисциплинарностью большинства проблем в области медицины назрела необходимость создания на федеральном уровне института «Наномедицина». Направление с таким названием возникло в мире в конце прошлого века; существует, активно развивается и приносит большую реальную пользу в системе мирового здравоохранения.

Литература

1. Г.Е. Кричевский. Трехтомник «Зелёные и природоподобные технологии - основа устойчивого развития цивилизации, для будущих поколений». Том 1 и 2. Изд-во «Lambert Academic Pbl.» (Германия), 2020.

2. A.T. Yayehard, E.A. Sirai. Couldn't help to end the fight against covid-19. Int.Journal. of Nanomedicine 29, 7, 2021, 5713-5744.