Нанотехнології в нейрохірургії: стан проблеми і перспективи розвитку

Після ключової доповіді Фейнмана були зроблені численні контрольні відкриття, які визначали прогрес у даній області знань [23].

Один нанометр є однією мільярдною метра, тобто 10-9 метра або 10 атомарних діаметрів. Для порівняння: діаметр подвійної спіралі ДНК складає приблизно 2 нм, товщина листку паперу – приблизно 100 000 нм, а найменші представники клітинних форм життя – бактерії мікоплазми – мають довжину близько 200 нм. Нанорозмірні матеріали і прилади, тобто ті, розміри яких знаходяться в межах 1 – 100 нм мають унікальні фізичні, хімічні і біологічні властивості. Вони не поводять себе аналогічно відповідним «грубим» матеріалам чи їх атомам, молекулам; цей факт робить можливим нове, унікальне їх використання.

Визначають термін «нанотехнологія» по-різному, оскільки суть полягає в тому, що це є галузь фундаментальної науки, предметом якої є контроль матерії на атомному і молекулярному рівні. В нанотехнології використовуються два фундаментальні підходи: від меншого до більшого («bottom-up» approach), коли матеріали, прилади збираються самостійно згідно з принципами хімії і молекулярного розпізнавання; і від більшого до меншого («top-down» approach), коли нанооб’єкти конструюються більшими приладами без контролю на атомарному рівні. Технологія MEMS («microelectromechanical systems») дозволяє створювати в ході єдиного технологічного процесу мікросистеми, які складаються як з електронних, так і з механічних елементів. Розміри їх вимірюються мікронами. NEMS («nanoelectromechanical systems») є по суті ті самі MEMS, які містять нанорозмірні компоненти.

На думку Elder і співавторів [9], загальні покращення комп’ютерної, оптичної техніки матимуть суттєвий вплив на нейрохірургію. Нейрохірурги майбутнього стануть свідками широкого впровадження новітніх технологій, які базуватимуться на досягненнях нанотехнологій, що нині розвиваються. Наприклад, покращені процесори дозволятимуть тривимірну реконструкцію анатомічних структур у реальному часі, дозволять поєднувати їх із нейронавігацією; новітні елементи оптики зроблять можливим значне зменшення розмірів ендоскопів і інкорпорацію в них нових інструментів чи засобів морфологічної діагностики у реальному часі та ін. Таким чином, сучасні тенденції використання мінімально інвазивних діагностичних і хірургічних втручань будуть доповнені і покращені за допомогою нанотехнологій.

Процедурою, що повторюється під час нейрохірургічних втручань ― є періодичне зрощення операційного поля фізіологічним розчином з метою його очищення від біологічних рідин та інших органічних залишків. Ellis-Behnke і співавтори запропонували наногель [12], який наноситься як рідина і створює захисну прозору плівку, попереджуючи, таким чином, рух крові та інших речовин в оперовану рану і з неї; автори називають це «кришталево-чистою хірургією». Попередні результати використання методики на тваринах, зокрема, при операціях на спинному мозку, багатообіцяючі.

Як відомо, нейрохірургія є «мистецтвом гемостазу», який забезпечується переважно коагуляцією, прокоагулянтами, адгезивними речовинами або зварюванням тканин. Тим не менш, гемостаз є суттєвою проблемою, зокрема у пацієнтів із тяжкою травмою. Нещодавно запропоновано ефективний і нескладний метод, що забезпечував негайний (менш ніж за 15 секунд) гемостаз пептидним нановолоконним бар’єром, який наносили безпосередньо на рану в головному і спинному мозку, стегновій артерії, печінці або шкірі ссавців [11]. Цей метод забезпечує зупинку кровотечі без тиску, каутеризації, вазоконстрикції, коагуляції чи адгезивних речовин. Описані нановолокна не є токсичними чи імуногенними, а їх продукти розпаду – амінокислоти, які сприяють відновленню тканин в місці пошкодження. Таким чином, мова йде про першу нанотехнологічну розробку, яка може фундаментально змінити об’єм крововтрати при хірургічних втручаннях.

Для закриття кісткових дефектів при нейрохірургічних операціях може застосовуватися розроблений українськими вченими біокерамічний нанокомпозит «Синтекость», основу якого становлять різні види біоактивних керамік, які дозволені для застосування в медичній практиці [1]. Це є синтетичний матеріал, який сприяє повному відновленню структури природної кістки.

Не дивлячись на те, що ендоскопія широко використовується у сучасних нейрохірургічних клініках, якість візуалізації є гіршою за ту, що отримується при класичній «відкритій» операції. На думку Elder і співавторів [9] використання технології мікродзеркальних схем в нейрохірургічних приладах дозволить отримувати високоякісні тривимірні зображення, а використання нанотехнологій в ендоскопічному обладнанні зменшить фізичні розміри їх частин. Це є суттєвим, бо більшу частину ендоскопа складає оптика з освітленням та іригатор, а місця для потрібного інструментарію залишається надто мало. Автори передбачають використання наносенсорів у ендоскопах, використання яких дозволятиме проводити миттєву гістопатологічну інтраопераційну діагностику і генетичний аналіз. Покращення технології комп’ютерних мікросхем збільшить швидкість обробки інформації, що в результаті дозволить отримувати в реальному часі тривимірну реконструкцію при ендоскопічних операціях і поєднувати її з нейронавігацією. Більш того, зменшення фізичних розмірів ендоскопів і комп’ютерних мікросхем зробить можливим їх інкорпорацію у звичайні інструменти, наприклад, у коагуляційний пінцет. Такі заходи призведуть до значного покращення точності і акуратності нейрохірургічних втручань.

Відомо, що пошкодження нервової тканини, обумовлене вільними радикалами, має місце при ішемії, травмі, пухлинних і нейродегенеративних процесах, а отже, є безпосередньою причиною гибелі нейронів при численних нервових захворюваннях. Останнім часом фулерени досліджуються як нейропротекторні речовини. Dugan і співавтори [6, 7] вивчали на культурах кортикальних клітин новітні антиоксиданти, створені на базі фулеренів. Це дві полігідроксильовані молекули похідні С60 – C60(OH)n, n = 12, і C60(OH)nOm, n = 18-20, m = 3-7, які показали прекрасні антиоксидантні властивості. Ці водорозчинні речовини знижували на 80% загибель нейронів, обумовлену NMDA токсичністю, на 65% – AMPA токсичністю і на 50% – токсичністю каїнової кислоти. Крім того, ці речовини пригнічували апоптоз нейронів. Системне застосування С3 ізомеру карбоксифулерену призводило до затримки моторних розладів і смерті у мишиних моделей сімейного латерального аміотрофічного склерозу [8]. Фулерени є ефективними сміттярами вільних радикалів, вони знижують індуковане рецепторами NMDA підвищення рівня Ca2+, що є одним із механізмів нейропротекторної дії цих речовин [18]. Таким чином, водорозчинні похідні фулеренів є унікальним класом речовин з потенційними антиоксидантними властивостями. Вони здатні елімінувати супероксидний аніон, гідроперекис і водночас ефективно інгібують перекисне окислення ліпідів, являючи собою потенційні засоби для лікування нейродегенеративних розладів.

Для того, щоб досягти регенерації аксонів після пошкодження нервової системи, слід здолати кілька суттєвих перешкод – таких як утворення рубцевої тканини, «щілин» у місцях загиблих клітин, які утворюються після фагоцитозу, і власне нездатність зрілих нейронів ініціювати ріст аксонів. Ellis-Behnke і співавтори створили пептидний нановолоконний «ешафот» [10], який створював умови не лише для проростання аксонів через ділянку гострого пошкодження, але і з’єднував ушкоджену нервову тканину. В цьому дослідженні хом’якам пересікали зоровий нерв, після чого вдавалося досягти функціонального повернення зору – тварини поводилися орієнтовано щодо зорових стимулів.

У дослідженні Silva і співавторів [29] нервові стовбурові клітини були інкапсульовані у тривимірну структуру з нановолокон, сформовану амфіфільними молекулами, що збираються самостійно. Самостійна зборка молекул ініціюється змішуванням клітинної суспензії з розведеним водянистим розчином молекул, причому, клітини залишаються живими після зборки нановолокон навколо них. Штучний нановолоконний ешафот обумовлював дуже швидку диференціацію клітин у нейрони, інгібуючи при цьому розвиток астроцитів; це обумовлено ампліфікацією біоактивними епітопами, які презентувалися клітинам нановолокнами (ILE-LYS-VAL-ALA-VAL амінокислотна послідовність).

Основними перешкодами на шляху генної терапії є погане клітинне захоплення носія і швидкий розпад ДНК в організмі реципієнта. Хітозан є натуральним біосумісним полісахаридом, який розпадається; він здатний формувати нанокомплекси з ДНК, що захищає її від розпаду, безпечно і ефективно транспортує в клітини як в культурі, так і в живому організмі [24]. Він може використовуватися для генної терапії нервових хвороб.

З огляду на значні успіхи експериментальної клітинної терапії, використання стовбурових клітин з метою корекції та заміщення пошкоджених клітинних популяцій на даний час стане клінічною реальністю. Оскільки для ефективної клітинної терапії потрібна можливість визначати розміщення і розподілення клітин неінвазивним шляхом [4, 20]. Використання при магнітно-резонансній томографії в якості контрастних речовин нанорозмірних суперпарамагнетиків, таких як частинки окису заліза, робить можливим таке неінвазивне визначення реальним [31]. Розвиток і використання цих методик прискорить розвиток клітинної терапії нервових хвороб і дозволить детально вивчати клітинну біологію у живих організмах. На сьогодні FDA затвердило використання покритих декстраном наночастинок оксиду заліза для клітинної магнітно-резонансної візуалізації (препарат FERIDEX®, Bayer Healthcare Germany). Майбутнє клітинної МРТ дозволятиме оцінювати точну локалізацію і розподіл у тканинах трансплантованих клітин, мічених перед введенням, зіставляти ці данні з клінічними наслідками лікування.

Загалом, частинки оксиду заліза можуть використовуватися для багатьох цілей. Наприклад, залізовмісні контрастні речовини були використані для діагностики ішемії. Відомо, що на клітинному рівні постішемічне запалення забезпечується резидентною мікроглією і макрофагами та моноцитами/макрофагами, що потрапляють у мозкову тканину з циркулюючої крові. Нанорозмірні частинки оксиду заліза після ін’єкції поглинаються циркулюючими макрофагами, потім мігрують у зону ураження, призводячи до типових змін МР сигналу [16, 17]. Крім діагностики ішемії, визначення міграції мічених макрофагів може використовуватися для діагностики і для вивчення інших нервових хвороб, перш за все, новоутворень та множинного склерозу, адже метод дозволяє чітко визначати просторові і тимчасові особливості імунної реакції, оцінювати активність вогнищ, прогноз захворювання та ефективність лікування [27].

Sykova і співавтори вводили мічені частинками оксиду заліза стовбурові клітини кісткового мозку, мезенхімальні стовбурові клітини і людські CD34+ -клітини щурам із спинномозковими або церебральними пошкодженнями [34] (моделі травми спинного мозку та інсульту, відповідно). Їх вводили або внутрішньовенно, або інтрацеребрально з боку, протилежному ураженню. Через тиждень після трансплантації, імплантовані клітини мігрували до вогнищ ураження і візуалізувалися на МРТ у вигляді гіпоінтенсивного сигналу, що утримувався протягом, принаймні, 30 днів.

Нанорозмірні суперпарамагнетики можуть використовуватися для мічення молекул, які зв’язуються з туморспецифічними маркерами, і використовуватися таким чином для діагностики пухлин. Neumaier і співавтори [25] показали, що МРТ із потужністю поля 1.5 T дозволяє виявляти ці молекули, які зв’язані з відповідними антигенами як в живому організмі, так і в пробірці, а інтенсивність сигналу залежить від щільності розміщення антигенів на клітинній поверхні.

Нанорозмірні суперпарамагнетики можуть використовуватися в радіології і судинній нейрохірургії як контрастні речовини для магнітно-резонансної ангіографії [3].

Незадовільна регенерація аксонів після пошкодження центральної нервової системи і погане функціональне відновлення після травм периферичних нервів ― є давніми і суттєвими проблемами нейрохірургії і нейробіології в цілому [32]. В дослідженні Chang et al. [5] для операцій на периферичних нервах застосовувався нітрид-кремнієвий наноніж із кривизною в 20 нм. Після анестезії у лабораторній миші були виділені периферичні нерви, розміщені на мікроплатформі з стимуляційними електродами, наноніж утримувався спеціальними мікроманіпуляторами. Інструмент був здатний прогресивно зрізати нерв таким чином, що поступово згасали викликані моторні відповіді, які записувалися з цільового м’язу, а сам процес добре контролювався зором. Зрізи були чисті і кращі ніж ті, що зроблені лезом. Крім того, цей наноніж дозволяв хірургу виконувати безпрецедентно мініатюрні процедури, наприклад, висікати та ізолювати маленькі сегменти єдиного аксону. Нітрид-кремнію не викликав гострої нейротоксичності, що підтверджувалося нормальним ростом оперованих аксонів in vitro. Таким чином, використання подібних мікроінструментів в нейрохірургії дозволяє впровадження нових операцій на клітинному і субклітинному рівнях.

Gobin et al. [15] досліджували золоті нанооболонки з кремнієвим ядром в якості екзогенних світлопоглиначів для полегшення лазерного зварювання тканин. Ці новітні наночастинки можуть використовуватися як поглиначі світла у спектрі, близькому до інфрачервоного. Вони забезпечують більш виражену ефективність поглинання в порівнянні з тією, що досягається сучасними хімічними хромофорами без фотовідбілювання. Зварювання золотими нанооболонками зменшує абсорбцію оточуючими тканинами, захищаючи їх від пошкодження і є достатньо надійним в плані міцності для використання у хірургії периферичних нервів.

ГЕБ є нездоланною перешкодою для численної кількості ліків, а саме, антибіотиків, протипухлинних засобів і великої кількості речовин, що впливають на ЦНС, особливо нейропептидів. Наночастинки є тими речовинами, що можуть допомогти здолати цю перешкоду; так, це вже зроблено для деяких пептидів, лопераміду, тубокурарину, доксірубіцину та ін. речовин [2]. Наночастинки, виготовлені з полібутілцианоакрілату чи полулактокогликолієвої кислоти (PBCA і PLGA відповідно), вкриті полісорбатом-80 чи полоксамером-188 можуть забезпечувати транспорт цитостатиків, наприклад доксірубіцину, через ГЕБ [21]. Більше того, ці частинки суттєво знижували дозозалежний токсичний вплив на статеві залози і кардіотоксичність. Ці «навантажені» доксірубіцином і вкриті полісорбатом-80 наночастинки, які вводили внутрішньовенно щурам із гліобластомою 101/8, призводили до 40% виліковування [22]. Вважають, що механізмом проходження частинок через ГЕБ є опосередкований ендотелієм ендоцитоз аполіпопротеїну Е, який адсорбується на поверхні наночастинок і маскує їх як ліпопротеїди низької щільності; але ймовірно, що мають місце й інші процеси. Лікарські речовини можна «навантажувати» у наночастинки шляхом абсорбції, інкапсуляції або ковалентного зв’язування.

Sun і співавтори [33] представили у своїй роботі біосумісний нанозонд, який складався з вкритих поліетиленгліколем (ПЕГ) частинок оксиду заліза; цей зонд здатний зв’язуватися з клітинами гліом завдяки прикріпленому до нього специфічного білку ― хлоротоксину. За допомогою МРТ було показане накопичення нанозондів у тканині 9L гліоми (тобто підсилення пухлини), а послідуючий гістологічний аналіз не виявив токсичних ефектів у зоні накопичення. Автори роблять висновок, що висока специфічність нанозондів і доброякісна біологічна відповідь на їх введення роблять ці структури добрими кандидатами для діагностики і лікування гліом та інших нейроектодермальних пухлин.

Veiseh і співавтори [35] доповідають про мультифункціональний нанозонд, накопичення яких у пухлинній тканині можливе не лише за допомогою МРТ, але й за допомогою флюорисцуючої мікроскопії. Він так само являє собою оксид заліза, вкритий ПЕГ і функціоналізований хлоротоксином і флюорисцуючою молекулою Cy5.5. Такі нанозонди можуть використовуватися не лише для діагностики, а і для візуалізації зони резекції пухлини при відкритій операції; при цьому доопераційні знімки відповідали інтраопераційній картині з розподільною здатністю на рівні єдиної клітини.

Більше того, наночастинки і квантові крапки можуть використовуватися як фотосенситизатори для фотодинамічної і променевої терапії злоякісних пухлин [19], в тому числі і нервової системи. Взагалі наночастинки оксиду заліза мають досить велику поверхню і можуть бути функціоналізовані туморспецифічними лігандами для діагностичного і лікувального використання [26]. Синтетичні «невірусні» матеріали набувають дедалі більшої популярності в якості перспективних векторів для генної терапії нервових хвороб. Roy і співавтори [28] доповідають про органічно модифіковані кремнієві наночастинки, які ефективно переносили гени у нейрони in vivo. Вони можуть використовуватися для лікування нейродегенеративних хвороб. Для забезпечення орган-специфічної трансфекції нановекторів можуть використовуватися магнітні поля [9].

Як вже вказувалося вище, оксидативний стрес і вільнорадикальне пошкодження мають місце при різних патологічних станах у нервовій тканині, проте вони відіграють основну роль при нейродегенеративних хворобах. Singh і співавтори [30] пишуть про антиоксидантні властивості наночастинок церію оксиду, які подовжували життєздатність клітин, організму, захищали від вільно радикальних пошкоджень та індукованого травмою нейронального пошкодження.

Відомо, що іони металів накопичуються у нервовій тканині в процесі старіння і при ряді нейродегенеративних хвороб. Zhengrong Cui і співавтори [36] вказують на те, що в нещодавніх дослідженнях все частіше звертають увагу на накопичення цинку, міді при хворобі Альцгеймера (ХА) і заліза при паркінсонізмі; більше того, взаємодія амілоїду з залізом, ймовірно, лежить в основі прогресування ХА. Автори вивчали дію D-пеніциламіну ковалентно зв’язаного з наночастинкою. Виявилося, що цей комплекс здатний проникати ГЕБ і ефективно зв’язувати іони металів. Вони роблять висновок про те, що такий «нанокон’югований» пеніциламін здатний не лише запобігати накопиченню амілоїду, але і резорбувати депозити металів при нейродегенеративних захворюваннях.

Прямі нервові інтерфейси (надалі ПНІ, синоніми: «мозково-машинні» або «мозково-комп’ютерні інтерфейси») – забезпечують прямий зв'язок мозку людини або тварини, чи культури нервових клітин із зовнішнім приладом. Зменшення фізичних розмірів протезів за допомогою нанотехнологій, зокрема NEMS, дозволить імплантувати їх з мінімальним пошкодженням через малі краніотомії, і вміщувати на одній мікросхемі більшу кількість функціональних блоків.

Відомо, що суттєвою проблемою при імплантації протезів у нервову тканину є формування гліального рубця. Zhong і співавтори [37] запропонували нітроцелюльозне покриття для тривалого і цільового вивільнення дексаметазону (НЦПДМ); при випробуваннях in vitro препарат виділявся протягом 16 днів із піком дози в перші 3 дні. Електроди, вкриті НЦПДМ, імплантували у мозок щурам і потім вивчали реакцію нервової тканини. Виявилося, що препарат ефективно пригнічує формування рубцевої тканини у місці імплантації і не впливає негативно на функціонування електродів.

Elder і співавтори [9] вказують на можливість використання нанотехнологічних приладів в якості моніторів для мінімально інвазивного моніторингу: біосенсори, виготовлені на основі карбонових нанотрубок, можуть виявляти специфічні послідовності ДНК, які вказують на злоякісне переродження; шунти можуть бути модифіковані сенсорами, які б вказували рівні лейкоцитів, білку, глюкози; NEMS і MEMS сенсори, що здатні виявляти бактерії та ін. Карбонові нанотрубки і наносенсори, розроблені для визначення тиску і швидкості плину ліквору, можуть бути імплантовані на різних рівнях шунту з тим, щоб оцінювати прохідність його і визначати ділянку дисфункції. Подібні інновації можуть бути застосовані до великої кількості нейрохірургічного обладнання.

Таким чином, нанотехнології суттєво змінять медицину, зокрема, нейрохірургію у найближчому майбутньому [9]. Цілий ряд нанотехнологічних розробок існують у «робочому» вигляді вже сьогодні, як, наприклад, візуалізація частинками оксиду заліза, новітні нейропротези і ін.

Цимбалюк В.І., Кремець К.Г.
ДУ «Інститут нейрохірургії ім. А. П. Ромоданова АМН України», м. Київ

Список літератури

1. Розенфельд Л.Г, Москаленко В.Ф, Чекман І.С, Мовчан Б.О. Нанотехнології, наномедицина: перспективи наукових досліджень та впровадження їх результатів у медичну практику //Укр. мед. часопис — 2008 — №5 (67). — С. 63–68.
2. Alyautdin R.N, Petrov V.E, Langer K, Berthold A, Kharkevich D.A, Kreuter J. Delivery of loperamide across the blood-brain barrier with polysorbate 80-coated polybutylcyanoacrylate nanoparticles //Pharm Res — 1997 Mar — V.14, N3. — P.325-328.
3. Bremerich J, Bilecen D, Reimer P. MR angiography with blood pool contrast agents //Eur Radiol. — 2007 Dec — V.17, N12. — P.3017-3024.
4. Bulte J.W, Kraitchman D.L. Monitoring cell therapy using iron oxide MR contrast agents //Curr Pharm Biotechnol — 2004 — Dec; V.5, N6. — P.567-584.
5. Chang W.C, Hawkes E.A, Kliot M, Sretavan D.W. In vivo use of a nanoknife for axon microsurgery //Neurosurgery — 2007 Oct — V.61, N4. — P.683-691; discussion 691-2.
6. Dugan L.L, Gabrielsen J.K, Yu S.P, Lin T.S, Choi D.W. Buckminsterfullerenol free radical scavengers reduce excitotoxic and apoptotic death of cultured cortical neurons //Neurobiol Dis — 1996 Apr — V.3, N2. — P.129-135.
7. Dugan L.L, Lovett E.G, Quick K.L, Lotharius J, Lin T.T, O'Malley K.L. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders //Parkinsonism Relat Disord — 2001 Jul — V.7, N3. — P.243-246.
8. Dugan L.L, Turetsky D.M, Du C, Lobner D, Wheeler M, Almli C.R, Shen C.K, Luh T.Y, Choi D.W, Lin T.S. Carboxyfullerenes as neuroprotective agents //Proc Natl Acad Sci U S A —  1997 Aug — 19; V.94, N17. — P.9434-9439.
9. Elder J.B, Liu C.Y, Apuzzo M.L. Neurosurgery in the realm of 10(-9), Part 2: applications of nanotechnology to neurosurgery--present and future //Neurosurgery — 2008 Feb — V.62, N2. — P.269-284; discussion 284-5.
10. Ellis-Behnke R.G, Liang Y.S, You S, Tay D.K, Zhang S, Schneider G, So K. Peptide nanofiber scaffold for brain repair and axon regeneration with functional return of vision. Where do we go from? //Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine — 2005 — V.2, N4. — P.317.

Повний список літератури знаходиться в редакції