Наш организм — как огромный город, где каждое лекарство должно попасть точно по адресу. Но что, если посылка теряется в пути или доставляется не по тому адресу, и почему вообще происходят такие сбои ? В поиске ответа на этот вопрос — ключевая причина того, почему в фармакологии бурно развиваются технологии «умной» доставки, которые играют роль идеального курьера, доносящего груз без ошибок.
Как лекарства попадают в наш организм?
Введение лекарственных средств в организм может осуществляться разными способами, и каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и особенности применения. В целом пути введения делятся на энтеральные — когда препарат проходит через желудочно-кишечный тракт, и парентеральные — когда желудок и кишечник обходятся стороной.
К энтеральным путям относятся:
- пероральный путь — наиболее распространенный, когда лекарство принимается внутрь в виде таблеток, капсул, сиропов или растворов;
- сублингвальный путь — введение препарата под язык, где активное вещество быстро всасывается через слизистую прямо в кровь, минуя печень и желудок;
- буккальный путь — размещение препарата за щекой. Он похож на сублингвальный, но обеспечивает более длительное, постепенное всасывание;
- ректальный путь — введение лекарства в форме свечей или микроклизм через прямую кишку .
Парентеральные пути включают методы, при которых лекарство вводится, минуя желудочно-кишечный тракт, обеспечивая быстрое и точное действие:
- внутривенный путь — позволяет доставить препарат непосредственно в кровоток, обеспечивая мгновенный эффект;
- внутримышечный путь — введение лекарства в толщу мышцы, где оно постепенно всасывается в кровь;
- подкожный путь — введение под кожу, откуда вещество медленно поступает в системный кровоток. Так вводят, например, инсулин;
- интрадермальный путь — введение в верхние слои кожи, обычно для проведения диагностических проб или вакцинации;
- ингаляционный путь — поступление лекарства через дыхательные пути, когда вещество в виде аэрозоля попадает в легкие и быстро всасывается в кровоток;
- трансдермальный путь — доставка активного вещества через кожу с помощью пластырей или гелей.
Каждый путь введения подбирается в зависимости от свойств препарата, цели лечения и состояния пациента. Однако несмотря на все разнообразие форм, традиционные методы не всегда позволяют лекарству проявить максимальную эффективность. Почему так происходит?
Что такое биодоступность препарата?
На эффективность действия препарата влияет множество факторов: скорость и полнота всасывания, разрушение вещества в желудке или печени, взаимодействие с другими лекарствами, индивидуальные особенности обмена веществ. Даже то, что кажется незначительным — прием пищи, уровень кислотности желудка или состояние микрофлоры кишечника — может существенно повлиять на то, сколько действующего вещества действительно попадет в кровь.
Показатель биодоступности отражает, какая часть введенного препарата действительно достигает кровотока в активной форме и может подействовать на организм. Проще говоря, это процент «груза», который не потерялся по пути.
Для разных способов введения этот показатель отличается: при внутривенном введении он равен 100%, ведь лекарство сразу попадает в кровь, минуя все барьеры. Чем выше биодоступность, тем эффективнее действует препарат и тем меньшая доза требуется для лечения. Именно повышение такой эффективности лежит в основе современных систем доставки лекарств (Drug Delivery Systems, DDS), которые помогают веществу попасть точно по адресу — быстро, безопасно и с максимальным результатом.
Кто первым предложил доставлять лекарство точно по адресу?
Изначально лекарственные формы были предельно простыми — таблетки, порошки, мази, инъекции. Их главная задача заключалась лишь в том, чтобы ввести вещество в организм. Однако со временем стало ясно: важно не только ввести лекарство, но и управлять тем, как оно действует — где, когда и с какой скоростью высвобождается.
Первым человеком, который выдвинул идею направленного транспорта лекарственных средств, или «волшебной пули», является немецкий врач, ученый Пауль Эрлих (1854–1915). По его мнению, «волшебная пуля» — это идеальное лекарство, которое способно самостоятельно найти источник болезни или очаг заболевания и поразить их, не затрагивая здоровые органы и ткани организма. Однако его идея долго оставалась лишь теоретической: химия и фармакология на тот момент не обладали нужными знаниями, методами и инструментами для исследований. Слишком мало было известно о том, как устроены «мишени» в организме и как действуют на них лекарства. Но с появлением новых методов изучения идея Эрлиха получила второе дыхание.
Так в середине XX века появилась концепция контролируемого высвобождения — идея о том, что лекарство может «работать по расписанию», высвобождая активное вещество постепенно, в нужной концентрации и в нужном месте. Этот момент можно считать отправным в развитии современных систем доставки лекарственных средств. Сегодня такие системы можно разделить на три поколения.
- Первое поколение систем доставки (1950-1980) началось с создания препарата с замедленным контролируемым высвобождением. В 1952 году американская фармацевтическая компания Smith, Kline & French разработала капсулу для постепенного 12-часового высвобождения декстроамфетамина (прим. ред.: стимулятор нервной системы). С этого момента и до конца 1970-х годов ученые постепенно сформировали базовое понимание того, как можно управлять высвобождением лекарства. Они выделили несколько механизмов: растворение, диффузия, осмос и ионный обмен. Эти технологии использовались для создания систем доставки лекарств первого поколения, которые принимали перорально один или два раза в день, а также трансдермальных пластырей, которые меняли ежедневно или раз в неделю.
- Во втором поколении систем доставки лекарств появились более сложные технологии. Были созданы «умные» полимеры и гидрогели, которые реагируют на изменения среды — например, кислотность, температуру или уровень глюкозы — и высвобождают лекарство только тогда, когда это нужно. Также стали использовать биоразлагаемые микрочастицы, твердые имплантаты и имплантаты, образующие гель in situ (прим. ред.: в месте нахождения), которые могли доставлять пептиды и белки на протяжении нескольких месяцев. Примером стал гормональный препарат Zoladex® Depot для лечения гормонозависимых заболеваний, представленный в 1989 году британской фармацевтической компанией Zeneca Pharmaceuticals. Это первый имплантат для длительной доставки ацетата гозерелина в течение 3-х месяцев. Но, несмотря на успех, за десятилетие было выпущено меньше десяти подобных продуктов для других белков и пептидов — это показывает, насколько сложна разработка таких систем.
- Сегодня можно говорить о начале использования третьего поколения систем доставки лекарств, основанных на нанотехнологиях. С помощью наночастиц размером от 1 до 100 нанометров лекарство доставляется непосредственно в больные клетки. Эти частицы могут быть изготовлены из биосовместимых полимеров, липидов или металлов. Такой подход все ближе подводит ученых к воплощению идеи «волшебной пули» — лекарства, которое быстро находит свою цель, объединяя в себе три главных принципа: точность, безопасность и эффективность.
Как лекарство находит нужную дорогу в организме?
Все зависит от типа системы, но общий принцип один: лекарство упаковывают в особую «оболочку» или конструкцию, которая помогает ему пройти через барьеры организма и попасть точно туда, где оно нужно. Разберем основные типы систем доставки лекарств.
1. Умные дозаторы с постепенным высвобождением
Традиционно лекарство может разрушаться или терять активность еще до того, как достигнет цели, например, в желудке. Поэтому его помещают в полимерную матрицу или капсулу, которая:
- защищает вещество от разрушения;
- постепенно «отпускает» лекарство;
- поддерживает нужную концентрацию в крови.
На самом деле этот тип систем не ищет конкретный «адрес» в организме. Его задача — помочь лекарству пройти через барьеры организма и работать дольше и стабильнее. То есть «курьер» не знает, куда идти, но он гарантирует, что препарат не разрушится и не «исчезнет» раньше времени, а будет высвобождаться медленно и равномерно, создавая постоянную концентрацию лекарства в крови.
Примеры таких препаратов:
- Таблетки с пролонгированным (замедленным) действием
- Капсулы с контролируемым высвобождением — препараты железа, витаминов, гормонов.
- Трансдермальные пластыри, которые медленно выделяют вещество через кожу.
- Имплантаты — Implanon® для гормональной контрацепции или Zoladex® Depot для гормональной терапии.
В целом такие системы применяются там, где важно долговременное действие или постоянный уровень препарата в крови. То есть это больше умные дозаторы, а не «точечные курьеры».
2. Таргетные системы доставки
Иногда лекарству нужно не просто попасть в организм, а точно найти «нужную клетку» — например, опухолевую или зараженную вирусом.
Для этого используют химическую навигацию: лекарства снабжают специальными «адресами» — фрагментами, которые распознают конкретные клетки по их рецепторам, у каждой клетки — свой «молекулярный замок», и лекарство подбирает к нему «ключ».
Такие препараты называют таргетными системами доставки (от англ. target — цель).
Они действуют точечно, практически не затрагивая здоровые ткани, поэтому побочные эффекты становятся минимальными.
Одни из самых известных «умных» носителей — липосомы и наночастицы.
- Липосома — крошечный пузырек, окруженный двойным слоем липидов – жиров, очень похожим на клеточную мембрану.
Внутрь липосомы помещают лекарство, и она защищает его от разрушения до момента доставки. - Наночастицы — структуры размером от 1 до 100 нанометров, в тысячи раз меньше толщины волоса, сделанные из жиров, полимеров или металлов.
Они могут работать по-разному: просто накапливаться в нужных тканях – пассивное таргетирование, или точно узнавать клетки, если снабжены «адресными» молекулами – активное таргетирование.
Примеры таких препаратов:
- Doxil® — липосомальная форма доксорубицина, которая лечит опухоли.
- Ambisome® — липосомальный препарат против грибковых инфекций.
- Abraxane® — наночастицы паклитаксела для терапии рака груди, легких и поджелудочной железы.
Помимо липосом и наночастиц, лекарства могут быть заключены в разные структуры — микрокапсулы, наногели, ДНК-носители или «умные» полимеры, которые реагируют на изменения среды и высвобождают вещество при нужных условиях. При этом такие системы не существуют отдельно, а входят в состав привычных форм — таблеток, инъекций, гелей или пластырей.
Таким образом, таргетные системы доставки — это как курьер с навигатором и прочной упаковкой. Они защищают лекарство в пути, помогают ему найти «нужный адрес» и высвободить действующее вещество только там, где оно действительно нужно.
Прорывы науки: как создаются умные лекарственные системы
Сегодня внимание ученых все чаще привлекают «умные» системы, которые могут реагировать на изменения окружающей среды — например, температуры, кислотности или химического состава тканей.
Одну из таких инновационных разработок представила группа под руководством заведующего лабораторией функциональных органических и гибридных полимерных систем химического факультета МГУ Дмитрия Иванова: исследователи создали новый тип биомиметических нанокапсул.
Это крошечные структуры, похожие на мешочки или органеллы внутри клеток, сделанные из жидкокристаллических амфифильных молекул. Простыми словами, такие молекулы одновременно «любят воду» и «не любят воду», благодаря чему они могут формировать стабильные наноструктуры, похожие на природные мембраны.
По сравнению с традиционными полимерными капсулами стенки этих нанокапсул гораздо тоньше — сопоставимы с толщиной естественного липидного бислоя, который образует клеточные мембраны. Это делает их потенциально более эффективными для доставки лекарств внутрь клеток. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Colloid And Interface Science.
Ученые из Курчатовского института и Санкт-Петербургского университета разработали новые безопасные и разлагающиеся в организме носители для доставки генетических материалов — ДНК и микроРНК. Эти носители сделаны из сополимеров гиалуроновой кислоты и полилизина — то есть соединения природного полисахарида и синтетического белка, которые могут связывать генетический материал и переносить его внутрь клеток.
Особенность этих носителей в том, что они биосовместимы – не вызывают вредных реакций в организме, и биодеградируемы – разлагаются на безопасные вещества. Они хорошо связывают нуклеиновые кислоты и постепенно высвобождают их там, где нужно. Благодаря этим свойствам такие носители могут быть использованы для разработки лекарств для генетической терапии и лечения рака.
Но инновации в области доставки препаратов не ограничиваются нанотехнологиями. Ученые ищут решения и для более привычных форм, делая их удобнее и безопаснее для пациента. Так, исследователи из Мордовии разработали трансдермальный пластырь для профилактики аллергии, который может заменить ежедневный прием таблеток. Главный плюс метода — длительный эффект, потому что препарат постепенно высвобождается и поддерживает постоянную концентрацию действующего вещества в крови. По словам разработчиков, новая лекарственная форма решает проблему частого приема препаратов и позволяет заменить курс таблеток одним пластырем.
Пластырь будет водостойким, его нужно менять не чаще одного раза в неделю. Сейчас ученые определили состав лекарства, проводят испытания на лабораторных животных и работают над улучшением свойств. Планируется, что препарат будет внедрен в ближайшее время.
****
Современные системы доставки лекарств уже давно вышли за рамки традиционных таблеток и уколов. Сегодня это целый мир технологий — от наночастиц, которые «узнают» больные клетки, до имплантатов и пластырей, способных дозировать препарат неделями. Общая цель у них одна — сделать лечение максимально точным, безопасным и удобным для человека. И, похоже, будущее медицины все ближе к мечте Пауля Эрлиха о «волшебной пуле» — лекарстве, которое безошибочно находит свою цель и действует именно там, где нужно.
Автор текста Анастасия Будаева
Изображение на обложке: Freepik
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
