Рисунок 10.2
Схема мицеллообразования.
Мицеллы имеют коллоидные размеры и содержат большое количество молекул (до 200). Размеры мицелл ограничиваются силами электростатического отталкивания между сближенными полярными группами и Ван-дер-Ваальсовыми силами притяже-ния между неполярными группами. В результате образуется неполярное ядро с гидрофильной оболочкой. Мицеллы обладают объемной емкостью, т.е. имеют пустоты, которые могут быть заполнены другими молекулами без нарушения термодинамической стойкости системы.
В зависимости от свойства вещества его солюбилизация в водной среде осуществляется по одному из трех возможных способов.
Рисунок 10.3
Возможные способы солюбилизации (растворения)
А. Неполярного вещества.
Б. Вещества с полярной и гидрофобной частью.
В. Вещества без гидрофобной части, содержащих несколь-ко полярных групп.
1. Механизм растворения (солюбилизации) неполярных органических (А) веществ в присутствии ПАВ в водной среде с ПАВ представляет собой проникновение молекул этого вещества внутрь неполярных гидрофобных групп мицеллы ПАВ.
2. Соединения, содержащие полярную группу и достаточ-но большой углеводородный радикал (Б), при солюбилизации в водной среде располагаются так, что их углеводородный "хвост" находится внутри мицеллы, а полярная группа была обращена наружу. Причем, неполярные группы таких соединений проникают между молекулами ПАВ внутрь мицелл и занимают там свое место параллельно или почти параллельно неполярным гидрофобным группам молекул ПАВ.
3. Для соединений, содержащих несколько полярных групп (В), наиболее вероятна их адсорбция на поверхности мицелл.
Экспериментально установлено, что солюбилизация углеводородов падает с ростом длины цепи, солюбилизирующая способность ПАВ в пределах одного гомологического ряда возрастает по мере увеличения числа углеводородных атомов. Неионогенные соединения отличаются меньшей солюбилизирующей активностью по сравнению с ионогенными. Исключительно высока солюбилизирующая активность холата и дезоксихолата натрия.
В неводных растворителях (углеводородных) структура мицеллы «обратна» по отношению к структуре мицелл в воде: углеводородные цепи направлены наружу, к поверхности раздела мицелла - вода, а полярные группы находятся внутри или в ядре мицеллы. Солюбилизация в неводных средах называется "обратной солюбилизацией".
Рисунок 10.4
Схема «обратной солюбилизации»
Процесс обратной солюбилизации также используется в фармацевтической практике для создания лекарств, облада-ющих пролонгированным действием (например, масляный раствор витамина В12).
Установлено, что на процесс солюбилизации влияют такие факторы, как температура, природа и концентрация ПАВ, добавление электролитов, алифатических спиртов и других веществ.
Принципиального различия в механизме процессов солюбилизации и гидротропии нет, так как в основе обоих процессов лежит межмолекулярное притяжение растворителя и растворяемого вещества. Разница в количествах гидротропного вещества и ПАВ, необходимых для повышения растворимости труднорастворимых веществ, объясняется различием структуры их (истинных и коллоидных) растворов. ПАВ в растворе образуют коллоидные агрегаты – мицеллы, которые и обеспечивают растворение. Гидротропные вещества создают истинный раствор, в котором молекулы равномерно распределе-ны по всему объекту. Отрыв молекулы труднорастворимого вещества от твердой фазы в первом случае осуществляется молекулярным агрегатом - мицеллой, во втором - накоплением довольно значительного количества отдельных молекул гидротропного вещества вокруг молекул труднорастворимого вещества.
Типичными солюбилизированными препаратами являются ихтиол (тифеновое масло солюбилизировано аммонийной солью сульфоихтиоловой кислоты), вазолименты (вазелиновое масло солюбилизировано в спиртовой среде аммониевым мылом), мыльно-крезоловые препараты и многие другие.
В настоящее время широко используется возможность получения солюбилизированных препаратов. Наиболее эффек-тивными солюбилизаторами оказались твины. Установлено, что растворимость бензойной, салициловой, ацетилсалициловой кислот, рибофлавина, кодеина, стрептоцида и сульфаниламидов возрастает в 2-5%-ных растворах различных твинов в 1,2 - 2,3 раза. С помощью солюбилизации получены водные растворы синтомицина (0,6 - 0,9%), дибазола (1,9%), фурацилина (0,09 - 1,0%).
В последнее время предложены солюбилизированные препараты нитрофурановых соединений (фурагина, фурадонина, солафура) в концентрации до 1,5%.
ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ ПРИГОТОВЛЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ.
Наночастицы или нанокапсулы получают путем полимеризации ряда мономеров с последующим образованием мицеллы, включающей (неводный) липофильный раствор лекарственного вещества. Первоначально солюбилизацию лекарственного вещества проводят с помощью веществ, способных в дальнейшем к полимеризации:
- производные алкилцианакрилатной и метилакрилатной кислот;
- из природных веществ - это альбумины сыворотки крови, желатин и другие.
Впоследствии в систему вводят полимеризующий агент и (или) процесс полимеризации индуцируют с помощью лучей, УФ - облучения. Образующиеся мицеллы - наночастицы - размером от 10 до 1000 нм, удельной поверхности 10 м2/г. В центральной полости таких нанокапсул находятся липофильные лекарственные вещества. Гидрофильные вещества чаще адсорбируются на поверхности наночастиц.
Скорость высвобождения лекарственных веществ из наночастиц связана со скоростью разрушения этих частиц и может контролироваться выбором соответствующего мономера или природного материала.
Диспергированные в воде для инъекций наночастицы вследствие их малого размера образуют прозрачные или опалесцирующие растворы, применяемые для парентерального введения.
На фармацевтическом факультете Парижского универси-тета разработан способ получения наночастиц размером 200-300 нм путем полимеризации изобутилцианакрилата - последний при контакте с водой самопроизвольно полимеризуется с образованием биоразрушающегося полимера.
По сравнению с известными наночастицами на основе метилметакрилата и полиалкил-2-цианакрилата предложенные нанокапсулы обладают рядом преимуществ. Их получение проводят при комнатной температуре и рН близкому к нейтральному показателю среды, что повышает стабильность многих лекарственных веществ. Очень высока степень захватывания активного вещества липофильного характера центральной полостью нанокапсулы. Полученные наночастицы стабильны, их можно стерилизовать автоклавированием, такие частитцы из полиизобутилцианакрилата биоразрушаются и нетоксичны.
ЛИПИДНЫЕ МИКРОСФЕРЫ
Одной из разновидностей наночастиц являются наночасти-цы, приготовленные на основе лецитина, пальмитиновой кислоты, казеината натрия, гликолята натрия и соевого масла с растворенными в последнем лекарственными веществами: противовоспалительными веществами, кортикостероидами, простагландинами и др.
Эти наночастицы получили название липидных микросфер. Они (подобно липосомам) захватываются клетками (эндоцитоз) моноцитами и фагоцитами, тем самым могут явиться средством доставки лекарственного вещества непосредственно к органу-мишени - в органы ретикулоэндотели-альной системы (печень, селезенка и др.). Причем такие наночастицы накапливаются вокруг эндотелиальных клеток кровеносных сосудов и проникают в них.
Липидные микросферы, изготовленные из пальмитиновой кислоты, казеината натрия, гликолята натрия и включенными растворами цитостатиков в соевом масле с добавкой яичных фосфолипидов, используются для в/в введения как транспортные системы для доставки лекарственных веществ в лимфатические узлы и в саму опухоль.
К преимуществам таких систем относятся их биоразруша-емость, возможность промышленного производства ввиду их высокой стабильности.
К недостаткам - необходимость проведения дополнитель-ных клинических и технологических испытаний.
НИОСОМЫ
Наночастицы, приготавливаемые из неионогенных ПАВ и их смесей, и холестерина (в неводной среде) с включением водорастворимых веществ получили название ниосомы – пузырьки, размером от 300 до 900 нм. Предполагают, что ниосомы, как неионные системы, менее токсичны, чем частицы, образованные ионогенами или даже амфотерными ПАВ. Ниосомы ведут себя как и липосомы, продлевают время циркуляции в крови удерживаемого ими лекарственного вещества, и могут быть использованы в качестве контейнеров для направленного транспорта лекарственных веществ к отдельным органам.
Для повышения избирательности направленного транспорта лекарственных веществ с помощью наночастиц, таких как ниосомы, липидные микросферы, к их поверхности присоединяются (моноклональные) антитела, различные молекулы – посредники, обладающие сродством к пораженному органу, например молекулы гликопротеинов, которые впоследствие активно связываются с рецепторами гепатоцитов, щитовидной железы, половых желез, лейкоцитов, ретикулоцитов, фибробластов.
Подобный подход использован для повышения эффектив-ности тромболитических (фибринолитических) препаратов за счет придания им увеличенного сродства к субстрату - тромбу. К поверхности наночастиц несущих тромболитические лекарственные вещества (фибриноген), были прикреплены с помощью ковалентных связей молекулы поликлональных антител, что способствовало сродству наночастиц, начиненных фибриногеном, к тромбу, образующемуся, в кровеносном русле при определенных заболеваниях.
В качестве молекул-посредников, обладающих сродством и к поверхности наночастицы и к пораженному органу, в институте экспериментальной кардиологии ВКНЦ АМН СССР предложили использовать природные соединения гликопро-теины – авидин, что повысило эффективность направленного транспорта на 30 – 50% в сравнении с использованием для этой цели антител.
Эффективность доставки в печень противоопухолевых лекарственных веществ, включенных в наночастицы или липосомы, может быть повышено при покрытии последних галактолипидами, орозомукоидом, лактозилцерамидом, характе-ризующимися сродством к галактозным рецепторам печени. При этом наблюдается избирательное накопление лекарствен-ных веществ в опухоли в печени.
Транспорт лекарственных веществ к органу-мишени с помощью наночастиц можно активировать с помощью различ-ных внешних воздействий: магнитного поля, локальной гипотермии и др.
Для транспорта и локальной доставки лекарственных веществ в организме к органу (ткани) – мишени, создания в органе-мишени лекарственного депо, рекомендованы магнито-управляемые системы.
Магнитоуправляемые системы - это включения в полимер-ную матрицу или в липосому, наночастицу магнитных частиц на основе железа, хрома, марганца, углерода и кремния. Использу-ются для транспорта и доставки лекарственных веществ к органу (ткани) - мишени, создания в органе-мишени лекарствен-ного депо, обеспечивающего пролонгированное высвобождение действующего вещества.
Помещение магнитоуправляемых систем (МУС) в переменное магнитное поле приводит к попеременному расширению и сжатию пор матрицы, что сопровождается ускорением высвобождения лекарственных веществ в десятки раз. На ускорение высвобождения лекарственных веществ существенное влияние оказывает расстояние между внешним магнитом и магнитом внутри матрицы или нанокапсуле (изменение амплитуды колебаний), мощности используемых внутренних магнитов, ориентации магнитных частиц, а также механические свойства полимера (высвобождение ускоряется при пониженном модуле эластичности).
Магнитоуправляемые системы найдут широкое применение при лечении злокачественных новообразований, сердечно-сосудистых и других заболеваний.
Уже в настоящее время можно ожидать значительного прогресса в разработке систем введения и локального транспорта лекарственных веществ в организме человека к органам (тканям) – мишеням. В таких системах, обеспечивающих точность дозирования, безопасность, широкий спектр действия лекарственного вещества, высвобождения лекарственного вещества будет происходить путем программирования его распределения с учетом уровня лекарственного вещества в крови.
В наиболее перспективных системах будет осуществляться саморегулирование распределения действующего вещества на основе замкнутого цикла обращения при участии сенсоров. Принцип сенсорного регулирования может осуществляться за счет гормонов, ферментов, электролитов, содержащихся в организме, значения рН, соотношения глюкозы и гликогена в печени.
ЛИПОСОМЫ
Липосомы - это двуслойные или многослойные сферичес-кие образования (мицеллы) получаемые при определенных, чаще всего механических воздействиях на дисперсии фосфолипидов в воде. Двуслойные липосомы (моноламелярные липосомы) состоят из двойного слоя фосфолипидов с водной фазой внутри. Размер их порядка нескольких сотен нм - 200-300 нм. Многослойные липосомы (т.н. мультиламелярные липосо-мы) состоят из нескольких концентрических бислоев фосфолипидов с внутренней полостью, заполненной водными растворами лекарственных веществ. Размер их до многих сотен нм и даже до 1 мкм.
Фосфолипиды - это ПАВ, представляющие фосфатзаме-щенные эфиры различных органических многоатомных спиртов (глицерина, сфингозинов, диолов). Их строение рассматривается в курсе биохимии.
Как правило, в технологии липосом чаще используются фосфоглицериды, в которых одна из гидроксильных групп глицерина этерифицирована насыщенной жирной кислотой, вторая - ненасыщенной, а третья - фосфатидной кислотой. Во всех фосфолипидах (фосфоглицеридах) фосфатидная кислота (остаток - фосфатидил) через группировку – ОН – соединена с каким-либо (спиртовым) остатком – этаноламином (фосфогли-церид носит тогда название фосфатидилэтаноламин), холином (фосфатидилхолин), серином (фосфатидилсерин) или даже фосфатидилглицерином (кардирлипин).
Таким образом, фосфоглицериды имеют неполярную часть, т.е, остаток диацилглицерина, и полярную часть, представленную фосфатом и спиртовыми остатками.
Благодаря полярному гидрофильному концу фосфоглице-риды обладаютнекоторой растворимостью в воде, образуя в водной среде мицеллы. В мицеллах гидрофобные радикалы жирных кислот группируются, образуявнутреннюю гидрофоб-ную зону мицеллы. Гидрофильные участки располагаются по внешней поверхности мицеллы, обращенной в водную фазу.
При механической или ультразвуковой обработке смеси, состоящей из диспергированных в воде фосфолипидов и растворенных в этой воде лекарственных веществ образуются сферические мицеллы - липосомы, оболочка которых состоит из двойного слоя молекул липида, в котором гидрофильные полярные группы обращены к водному раствору лекарственных веществ, а гидрофобные - друг к другу.
Многослойная мицелла фосфолипида.
Размеры таких липосом от 250 до 300 нм в диаметре, а толщина около 50 нм.
1. Наиболее распространенная техника получения бислойных липо-сом заключается в приготовлении жировой эмульсии из какого-либо фосфоглицерида в воде, например, фосфатидилхолина или фосфатидной кислоты с помощью ультразвука, внесение в такую эмульсию водного раствора лекарственного вещества и последующей обработке системы ультразвуком низкой энергии. Обычно удается включить в липосомы от 1 до 15% находящегося в водном растворе вещества. После окончания формирования самих липосом производится многократная отмывка их от некапсулированного лекарствен-ного вещества. Лекарственное вещество полностью сохраняет свою активность в форме липосом.
При этом способе формирования липосом вследствие озвучивания ультразвуковой установкой в присутствии воздуха и часто даже в атмосфере инертных газов липиды подвергаются деструкции - может произойтигидролиз и аутоокисление липида.
2. Поэтому в 1973 г. предложен метод получения липосом путем диализа. Смесь фосфолипидов в растворе с присутствием одновалентных ионов (например, дезоксихолата натрия) подвергают диализу в буферный раствор - образуются бислой-ные липосомы; в присутствии двухвалентных ионов образуются многослойные липосомы. При таком способе не наблюдается окисление липосом.
3. Многослойные липосомы можно получить методом многократного замораживания суспензии фосфолипидов с помощью жидкого азота и последующего оттаивания.
МЕТОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЛИПОСОМ:
Барботирование фосфолипидов через распылительную форсунку в буфер содержащий лекарственные вещества - газодисперсный метод.
Моноламелярные липосомы диаметром 120-200 нм, характеризующиеся большим объемом внутренней водной фазы, можно получить путем метода "обращение фаз". Раствор фосфолипида в органическом растворителе в присутствии водного буферного раствора, содержащего включаемое лекарственное вещество, гомогенизируют ультразвуком, а затем органический растворитель испаряют при пониженном давлении.
В липосомах лекарственное вещество находится в липидной или водной фазе самих липосом, и в виде свободной фракции, растворенной в среде формирования липосом. Чтобы получить липосомальную форму с максимальным количеством вещества, включенного в липосомы, необходимо освободиться от фракции, присутствующей в среде. Для этого применяют гель-фильтрацию через сефадексы и сефарозы 4В, диализ, ультрацентрифугирование и ультрафильтрацию.
ПУТИ ВВЕДЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ЛИПОСОМ.
Вводят липосомы в организм внутривенно, внутрибрюшинно, подкожно, перорально, внутритрахеально, внутрисуставно, накожно. Попав в организм липосомы под действием различных систем разрушаются, высвобождая содержимое.
Поскольку липосомы по своей структуре являются сравнительно крупными липидными частицами, они быстро захватываются клетками системы фагоцитов, в первую очередь макрофагами печени (в основном захватываются мультиламе-лярные), тогда как моноламелярные липосомы могут захватываться и паренхиматозными клетками.
Липосомы, будучи гидрофобными системами, способны взаимодействовать с цитоплазматической мембраной и мембра-нами внутриклеточных структур и в результате этого процесса либо проникают в клетки в интактном виде, либо обеспечивают доставку содержимого липосомы внутрь клетки путем диффу-зии, возможен механизм эндоцитоза липосом с последующим слиянием с лизосомами и лизисом липосомальной мембраны.
Применение липосом позволяет использовать пероральный путь, для введения инсулина при сахарном диабете, гепарина при антикоагулянтной терапии и др.
Показано повышение эффективности противовоспалитель-ных препаратов при внутрисуставном введении липосом.
Используют липосомы для приготовления кровезамените-лей и различных диагностических препаратов, при лечении аллергических и вирусных заболеваний, иммунотерапии опухолей и др.
Активный захват липосом макрофагами и возможность обеспечения внутриклеточной доставки лекарственных веществ является предпосылкой для применения липосом в терапии инфекционных заболеваний.
Лечение лейшманиоза (амастиготные паразиты постоянно обитают в вакуолях ретикоэндотелиоцитов печени) липосомами способствует не только снижению токсичности принимаемых лекарственных веществ, но и способствует инокуляции этих веществ и тем самым подавлению активности паразитов в 290 раз в среднем.
Использование липосом позволяет повысить антимикробную активность препаратов, применяемых для лечения криптококкоза, кандидомикоза, цитомикоза и других заболеваний, вызванных внутриклеточными паразитами, вследствие обеспечения внутриклеточной доставки химиотера-певтических препаратов.
Липосомы амфотерицина весьма эффективны при лечении системных кандидомикозов.
Повышение эффективности химиотерапевтических препа-ратов путем включения их в липосомы, обусловленные изменением фармакокинетики лекарственных веществ, замедле-нием их инактивации и снижением токсичности, обеспечение внутриклеточной доставки, позволяет сделать вывод о перспективности использования липосомальной формы в антимикробной и противоопухолевой терапии. При этом липосомы не только обеспечивают локализацию инфекционного агента, но и стимулируют иммунную систему.
Липосомальные препараты можно превращать в порошок путем лиофилизации, а при необходимости (для в/в введения) вновь возвращать в исходное состояние. Липосомы могут быть нагружены молекулами как гидрофильных, так и липофильных веществ. Можно получить «пустые» липосомы и нагрузить их лекарственными веществами непосредственно перед использованием.
Липосомы являются практически идеальными носителями для транспорта лекарств в организм. Благодаря особенностям их структуры липосомы используются для целенаправленной доставки гидрофильных и гидрофобных лекарственных веществ к очагу заболевания; их можно использовать для внутриклеточ-ной доставки лекарственных веществ, т.к. липосомы, сливаясь с клеточной мембраной, способствуют проникновению вещества внутрь клетки. Вводят липосомы как перорально, так и парентерально.
Созданы липосомы с изониазидом, стрептомицином, инсулином, АТФ, различными ферментными препаратами – глюкооксидазой, пероксидазой, цитохромоксидазой, гексокина-зой и др.
Накоплено много данных о возможности реального использования липосом с ферментами. Так, включенная в липосомы глюкоцереброзидаза оказалась исключительно эффективной для лечения болезни Гоше, связанной с наруше-нием метаболизма глюкоцероброзидов, которые накапливаются в печени, в клетках ретикулоэндотелиальной системы в результате дефицита соответствующего лизосомального фермента - глюкоцереброзидазы. Лечение нативным ферментом неэффективно, т.к. последний не может проникнуть внутрь клетки и попасть в лизосомы. В то же время липосомы с включенным ферментом, проникая внутрь клетки дают ярко выраженный положительный эффект, в частности уменьшение размеров печени.
Фермент уреаза в результате включения в липосомы приобретает повышенную устойчивость к изменениям рН и температуры. При этом на 10 мг липида удается ввести около 1 мг фермента уреазы, что обеспечивает наряду с эффективностью фермента его пролонгирующее действие.
Применение липосом при введении хелатных веществ, используемых при отравлении тяжелыми металлами, повысило эффективность антидототерапии. Хелатные вещества – этилен-диаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) и диэтилентриамин-пентауксусная кислота (ДТРА) - широко использовались в терапии связывания металлов в тканях вследствие образования стабильных комплексов. Однако ограниченная проницаемость клеточной мембраны для них приводила к накоплению этих комплексов в печени, что вызывало патологические изменения или образование опухолей. Поэтому практическое использова-ние хелатных агентов в терапии отравлений тяжелыми металлами было ограниченным. При внутривенном введении инкапсулированных в липосомы ЭДТА, происходит весьма быстрое выведение тяжелых металлов из организма, причем резко уменьшается концентрация металла в печени и в скелете (например, стронция).
Введение в организм актиномицина Д в форме липосом, повышает эффективность противоопухолевой терапии последнего по сравнению с введением неинкапсулированной формы актиномицина Д. Как известно, актиномицин Д активный ингибитор роста опухолей, обладает токсичным действием на все делящиеся клетки организма. Введение липосом с этим веществом привело к значительному (в 2-3 раза) снижению его токсичности и пролонгированию действия.
Следует отметить, что независимо от способа введения, от фосфолипидного состава оболочки, размера и заряда липосомы поглощаются клетками ретикулоэндотелиальной системы, находящимися в печени и селезенке. Таким образом, транспорт лекарственных веществ с помощью липосом оказывается особенно перспективным для лечения заболеваний ретикуло-эндотелиальной системы, в первую очередь связанных с поражением печеночной ткани и селезенки.
В то же время, если требуется осуществить доставку содержимого липосомы в другие органы и ткани или просто обеспечить длительную циркуляцию липосом в кровотоке, то создают защищенные от преждевременного поглощения печенью липосомы. Для этой цели поверхность липосом покрывается веществами, предохраняющими липосому от взаимодействия с клетками, формируют липосомы из аналогов фосфолипидов, не подвергающихся расщеплению ферментами типа фосфолипидацилгидролаз или фосфолипидацил-трансфераз.
Показано, что липосомы с адсорбированными на их поверхности неспецифическими иммуноглобулинами классов М, более интенсивно и избирательно захватываются лейкемическими клетками.
Липосомы, покрытые прикрепленными к поверхности фракциями антител, способны транспортировать лекарственные вещества в зону экспериментального инфаркта миокарда.
В последние годы показана возможность введения лекарственных веществ, а именно ферментных препаратов, внутрь частично гемолизированных эритроцитов («тени») с последующим восстановлением целостности их мембран. Так, в эритроциты введены ферменты - глюкозидаза, галактозидаза и др. При этом включенные в эритроциты ферменты по свойствам напоминают липосомы, они стабильны к изменениям рН, не подвергаются действию природных ингибиторов и протеаз, способны к медленному выделению из эритроцита. Поскольку мембрана заполненных лекарственным веществом эритроцитов остается практически неизмененной, их циркуляция в крови приближается к таковой для натуральных эритроцитов, и они медленнее, чем липосомы, выводятся из циркуляции печенью. Описаны успешные результаты использования включенной в «тени» эритроцитов глюкоцереброзидазы для лечения болезни Гоше.
Отмечено заметное увеличение времени сохранения в циркулирующей крови активности включенных в эритроциты ферментов аспарагиназы и глюкоронидазы.
Таким образом, в технологии лекарственных форм наметиласьтенденция перехода от классических к созданию новых лекарственных форм, особенно специальных систем направленного транспорта лекарств в органы, что может принципиально видоизменить многие из существующих сейчас методов лечения сердечно-сосудистых, онкологических и др. заболеваний.
Лекция 11
