Новые системы доставки (полимерные системы)

Основное свойство полимерных систем доставки - постепенное высвобождение ЛС. Как правило, используют биодеградируемые материалы, полимеры синтетического и природного происхождения, среди которых наибольшее развитие получили полиэфиры - полилактиды, полилактидгликолиды, полиэтиленгликоль, полиангидриды, полиортоэфиры, полисахара (крахмал, декстран, хитозан), и в последние годы - полигидроксиалканоаты. Биодеградируемые носители лекарственных препаратов постепенно разрушаются в организме. При этом на скорость биодеградации полимерного матрикса и, соответственно, высвобождение ЛВ влияют многие факторы: химическая структура и состав, расположение мономеров, наличие ионных групп и случайных мономеров или дефектов в полимерной цепи, пространственная структура, молекулярный вес, наличие низкомолекулярных включений, параметры процесса изготовления, стерилизация, условия хранения, форма и место имплантации, адсорбируемые и абсорбируемые включения (вода, липиды, ионы и др.), физико-химические факторы (ионный обмен, ионная сила, рН), физические факторы (изменения формы и размера, коэффициента диффузии, разрушение вследствие растворения или давления), механизм гидролиза. Полимерные системы широко используют в самых различных областях медицины: контрацепция, химиотерапия, лечение аритмий. Эти системы позволяют не только контролировать высвобождение, но и осуществлять целевую доставку ЛС.

Основные механизмы высвобождения препарата из полимерных систем

Основные механизмы высвобождения препарата из полимерных систем - диффузия, химическая реакция и активация.

Диффузия

Диффузия из резервуара или капсулы - один из самых распространенных механизмов высвобождения ЛВ из полимерных систем (рис. 1, А). В настоящий момент исследуются системы доставки, содержащие кетотифен, Левотироксин^♠ и др. Высокой эффективностью обладают противозачаточные средства Norplant^♠, Monoplant^♠ - контрацептивы длительного действия, имеющие диффузионный механизм высвобождения ЛС. Левоноргестрел, синтетический прогестин, хранится в небольших силиконовых трубочках, имплантированных в предплечье. Препарат медленно диффундирует через полимерную капсулу в течение 5 лет, обеспечивая эффективную длительную контрацепцию. Однако, к сожалению, такие резервуарные системы ограничены размером молекулы ЛС, которая должна быть менее 300 Да.

Также широко используют матричную систему, в которой ЛС содержится не в одном большом резервуаре, а в комплексе взаимосвязанных пор внутри полимера (рис. 1, Б). Эта система менее ограничена размером молекул ЛС, потому что каждая пора может разместить молекулы с молекулярной массой в несколько миллионов дальтон. Скорость диффузии между порами, а следовательно, внутри матрицы и из матрицы наружу системы, контролируется архитектурой матрикса - плотные перетяжки и решетки между порами предотвращают быстрое высвобождение хранящегося там препарата. Такую систему используют в клинической практике для введения аналога гонадотропин-рилизинг-гормона (ГнРГ). Аналог ГнРГ - пептидный гормон, ингибирующий продукцию гормонов передней доли гипофиза (ЛГ и ФСГ), эффективен при лечении гормонально-зависимых заболеваний, таких как рак простаты. Главным ограничением этого терапевтического подхода in vivo был короткий период полуэлиминации аналога ГнРГ при внутримышечном введении. Однако при включении препарата в микрокапсулы полимера при внутримышечном введении период полуэлиминации ГнРГ значительно увеличивается, и терапевтическая концентрация сохраняется в течение 1-4 мес. Помимо диффузии, высвобождение ЛС из микрокапсул может осуществляться с помощью химической реакции между полимером и водой (рис. 1, Г).

Химическая реакция

В полимерных системах, основанных на химической реакции, предусмотрено, что часть полимера с течением времени будет подвержена деградации. Этот процесс осуществляется за счет химической или ферментативной реакции. В некоторых конструкциях различные химические связи, соединяющие препарат с полимером, расщепляются в организме за счет эндогенных ферментов (рис. 1, В). Обычно используются эфирные связи, так как карбоксильная и гидроксильная группы имеются в большинстве препаратов. Иногда использование эфирных связей невозможно, потому что они могут быть легко гидролизированы эстеразами, повсеместно распространенными в организме. Амидные связи, которые также часто используются, обладают относительно бо́льшей стабильностью фермента, чем эфирные связи. Особый интерес представляют пептидные связи, избирательно расщепляющиеся в тканях. Например, катепсин (лизосомальная цистеиновая протеаза) вырабатывается в опухолевых клетках в бо́льших количествах, чем в нормальных, следовательно, и концентрация препарата в опухоли будет значительно выше, чем в крови. Подобное действие имеет система доставки метотрексата, в которой используются связи, чувствительные к матричной металлопротеиназе-2.

Большинство нерастворимых полимеров способно подвергаться эрозии, в результате чего появляются большие поры, и структура становится неустойчивой и губкоподобной. При таком способе деградации достаточно тяжело достичь постоянной скорости высвобождения препарата, что создает потенциальный риск побочного и токсического действий, связанных с одномоментным высвобождением большой дозы ЛВ. Для решения этой проблемы были разработаны системы, в которых для оптимизации деградации были использованы гидрофобные мономеры, соединенные между собой ангидридными связями. Таким образом, деградации подвергается только поверхность матрицы. При этом скоростью деградации можно управлять с помощью комбинирования мономеров с более гидрофобными мономерами. В результате время, в течение которого полимер сохраняется, определяется соотношением используемых мономеров, а равномерно распределенный в такой полимерной матрице препарат будет высвобождаться длительно и с постоянной скоростью. Такие системы доставки находятся в экспериментальной стадии исследований для лечения эпилепсии, хронических ран, остеопороза. Первым фармакологическим средством с таким контролируемым высвобождением ЛС, прошедшим все фазы клинических испытаний, стал противоопухолевый препарат Gliadel^♠. После хирургического удаления мультиформной глиобластомы, агрессивной формы опухоли мозга, в месте опухоли размещается до восьми небольших пластин-полимеров с противоопухолевым препаратом кармустином . В процессе разрушения поверхности полимера, который длится в течение 1 мес, кармустин медленно высвобождается, при этом концентрация препарата в опухоли поддерживается на достаточном высоком уровне для обеспечения противоопухолевого действия, в то время как негативных системных эффектов удается избежать. Такой принцип лечения значительно продлевает жизнь пациентов с этой формой рака.

Активация

Этот механизм высвобождения ЛС из полимерных систем доставки обеспечивается активацией растворителя, который, не вступая в реакцию с полимером химически, инициирует высвобождение ЛС посредством набухания полимера (рис. 1, А) или осмоса (рис. 1, Б).

Рис. 1. Полимерные системы доставки лекарственных веществ (пояснения в тексте)

Примеры такой системы - пероральные лекарственные формы с пролонгированным высвобождением некоторых блокаторов кальциевых каналов, адреноблокаторов, органических нитратов и др. ЛС смешивается с осмотически активным веществом, таким как соль, и покрывается мембраной, проницаемой для воды и не проницаемой для препарата. Затем с помощью лазера в капсуле (мембране) проделывается небольшое отверстие. После приема внутрь постоянный осмотический приток воды через мембрану заставляет препарат высвобождаться через отверстие, тем самым обеспечивая длительную постоянную концентрацию ЛС в крови. По сравнению с обычными (немедленного высвобождения) пероральными лекарственными формами такая система доставки способна вызывать у пациентов больший эффект при лечении ишемической болезни сердца с меньшим количеством побочных действий. Аналогичная система используется в препарате Concerta^♠ с пролонгированным высвобождением метилфенидата для лечения детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности.

Интеллектуальные системы доставки

Существуют ситуации, при которых для обеспечения эффекта необходимо импульсное, непостоянное высвобождение ЛС . На такой основе функционирует вышеупомянутый небулайзер с системой ААD. Суть этого принципа состоит в том, чтобы постоянно адаптироваться к изменениям дыхания пациента и высвобождение ЛС осуществлять только во время вдоха, что исключает выделение аэрозоля во время выдоха, а также создает основу для более точной дозировки. На этом принципе основана импульсная система доставки инсулина, которая обеспечивает дополнительное болюсное введение гормона сразу после еды и тем самым предотвращает внезапное, чрезмерное повышение концентрации глюкозы в крови. Один из примеров регулируемой системы доставки - система доставки инсулина, содержащая специальные магнитные шарики, включенные в полимерную матрицу. В эксперименте на крысах данная система была имплантирована подкожно, инсулин медленно высвобождался путем диффузии из матрицы, как было уже описано выше. При внешнем воздействии переменного магнитного поля движение магнитных гранул в матрице вызывало повреждение пор, в которых находился инсулин, таким образом эффективно вытесняя его из матрицы, при этом доза инсулина напрямую зависела от величины приложенного магнитного поля. Другие методы увеличения скорости диффузии препарата из полимерной матрицы основаны на применении ультразвука либо электрического тока. Ультразвуковые системы доставки, используя волны определенной частоты, способны вызвать эффект, схожий с магнитными системами. Ультразвук вызывает кавитацию в полимере, разрушая пористую архитектуру полимера, обеспечивая быстрое высвобождение ЛС. Использование электрического тока может вызвать электролиз воды на поверхности некоторых полимеров, местно снижая рН и нарушая водородные связи внутри комплекса. Вследствие этого полимер разлагается быстрее, высвобождая большие дозы препарата. Импульсная доставка также может быть достигнута за счет различных условий окружающей среды. Например, могут быть разработаны гидрогели, чувствительные к изменению температуры или рН.

Оригинальная система доставки была создана на основе силиконовых микрочипов, обеспечивая более точный контроль за скоростью высвобождения ЛС. Каждый микрочип содержит до 1000 крошечных резервуаров с ЛС, покрытых тонким слоем золота. Применение небольшого внешнего напряжения на отдельный имплантированный резервуар электрохимически растворяет золото, высвобождая хранящийся там препарат. При этом резервуары можно наполнять и открывать по отдельности, что дает почти безграничные возможности для дозирования одного препарата в отдельности или при сочетании нескольких препаратов.

Целенаправленная доставка

Точная адресная доставка ЛС позволяет обеспечить высокую концентрацию препарата в патологическом очаге или в ткани без риска системных токсических эффектов. Наиболее простой способ целевой доставки - анатомическое размещение полимерной системы, как было описано при применении пластин-полимеров с противоопухолевым препаратом кармустином, размещенных в месте опухоли. Существуют и другие препараты, которые за счет анатомического расположения обеспечивают адресную доставку ЛС, среди них наиболее значимые - Estring^♠, Nestorone^♠ (вагинальное кольцо, обеспечивающее поступление эстрадиола непосредственно в слизистую оболочку влагалища для контрацепции или лечения постменопаузного синдрома), Озурдекс^♠ (глазной имплантат, содержащий триамцинолона ацетонид, для лечения отека сетчатки при тромбозе центральной вены сетчатки), стенты (металлическая или пластиковая конструкция, помещенная в просвет полых органов для расширения участка, суженного патологическим процессом) при ангиопластике, которые изготавливаются со специальным лекарственным покрытием (импрегнация гепарином; алмазоподобное углеродное, фосфохолиновое, силиконкарбидное покрытие; золото, покрытие сиролимусом, эверолимусом) для профилактики рестеноза. Также в стадии разработки находятся такие перспективные препараты, как система доставки наносеребра для лечения хронических ран, фактора роста тромбоцитов (рlatelet-derived growth factor - PDGF) для повышения регенерации костной ткани, целый ряд препаратов для лечения болезней сетчатки, противовирусные препараты и др.

Ко многим тканям доступ возможен только через кровь, что значительно усложняет адресную доставку ЛС. Существуют пассивные и активные методы целенаправленной доставки полимерных систем при внутривенном введении. При пассивной адресной доставке используют различия в проницаемости сосудов между нормальной и патологической тканью. Например, полимер, содержащий ЛС с высокой молекулярной массой, в большей степени накапливается в опухолевых тканях, чем в нормальных, так как капилляры опухоли имеют большую проницаемость. Таким образом, вместо использования хотя и меньших доз низкомолекулярных противоопухолевых препаратов, но обладающих большим объемом распределения, выгоднее применять высокие и более эффективные дозы препарата с высокой молекулярной массой комплекса "ЛС-полимер" для целенаправленной доставки к опухолям. Кроме того, полимер с ЛС может быть сконструирован таким образом, чтобы ферментативное расщепление препарата осуществлялось после выхода полимерного комплекса из кровотока и захвата его опухолевыми клетками. В одной из таких систем противоопухолевый препарат доксорубицин сопряжен с растворимым в воде неиммуногенным полимером за счет пептидных связей (см. рис. 1, В). Такой комплекс полимера с ЛС накапливается в опухоли меланомы мыши в концентрациях до 70 раз больше, чем в нормальной ткани, за счет высокой проницаемости сосудов опухоли. Оказавшись внутри клетки опухоли, пептидные связи расщепляются под действием лизосомальных протеаз, высвобождая цитотоксический препарат. При этом полимерная часть комплекса либо биодеградируется, либо удаляется из организма через почки.

Существует несколько методов активной целевой доставки ЛС. Например, человеческие IgM-антитела против опухолевого антигена могут быть использованы для транспорта полимерного комплекса с доксорубицином в злокачественные ткани. Связанный с полимером с помощью кислотнолабильных связей, доксорубицин избирательно будет высвобожден в кислой среде опухоли. В другой системе галактоза используется для транспорта полимера с ЛС в печень через асиалогликопротеиновые рецепторы клеточной поверхности гепатоцитов.

Кроме того, к активным методам целевой доставки относят целенаправленную доставку ЛС через гематоэнцефалический барьер. ГЭБ представляет собой непреодолимое препятствие для проникновения большого количества ЛС, в том числе антибиотиков, противоопухолевых препаратов и множества препаратов с нейротропной активностью. Такая избирательная проницаемость ГЭБ обусловлена не только морфологическим строением (выраженная базальная мембрана, плотные соединения между эндотелиоцитами, наличие астроцитов, микроглии), но и другими факторами, например наличием специального белка Р-гликопротеина, осуществляющего обратный транспорт веществ, проникших через ГЭБ (см. главу "Фармакокинетика лекарственных веществ"). Одним из решений проблемы проникновения через ГЭБ было создание полимерных наночастиц. Наиболее успешными показали себя полибутилцианоакрилатные и полилактид-ко-гликолидные наночастицы. Данные наночастицы, нагруженные различными ЛС, способны транспортировать препараты через ГЭБ в ЦНС. В эксперименте была показана способность целенаправленно доставлять в головной мозг такие терапевтические средства, самостоятельно неспособные проникать через ГЭБ, как Гексапептид даларгин^♠, противопухолевый препарат доксорубицин, лоперамид, Тубокурарин^♠ и др. Несмотря на то что механизм проникновения таких наночастиц через ГЭБ пока до конца не изучен, перспективы их клинического применения велики и являются широким полем для будущей деятельности ученых и клиницистов.

Липосомальные системы доставки

ЛС, связанные с полимером, - стабильная структура, которая может циркулировать в крови в течение длительного периода времени. Тем не менее эти полимеры могут содержать только небольшое количество препарата, тем самым ограничивая дозу введенного вещества. Способность липосом включать в себя самые разные вещества практически без каких-либо ограничений в отношении их химической природы, свойств и размера молекул дает большие возможности для решения множества проблем доставки ЛС через кровь. Высвобождение ЛС из липосомы осуществляется несколькими способами: эндоцитоз, слияние с клеточной мембраной, биодеградация липосомы и др. Основные свойства, которыми должны обладать липосомы, - специфическая тропность к определенным тканям-мишеням и защита от иммунной системы. Ввиду размера липосом наибольшей тканевой тропностью к ним обладают клетки ретикулоэндотелиальной системы. Наряду с этим возможно и целенаправленное высвобождение ЛС из липосом, например при локальном воздействии температуры, рН, а также ультразвука. Для повышения специфичности можно использовать антитела, аналогичные тем, которые используются для активной целевой доставки комплекса "полимер-ЛС". Например, антитела к протоонкогену HER2, стимулирующему рост злокачественных клеток молочной железы и других видов рака, в настоящее время изучаются в качестве высокоспецифического транспорта ЛС к опухоли. Антитела против E-селектина (гликопротеин, находящийся на клеточной поверхности эндотелиоцитов) могут быть использованы для целенаправленной доставки ЛС к сосудистым эндотелиальным клеткам. Защита липосомы от клеток ретикулоэндотелиальной системы может быть достигнута путем добавления водорастворимых полимеров, таких как полиэтиленгликоль (ПЭГ), на липосомальную поверхность, что сделает липосомы более гидрофильными и менее подверженными захвату клетками органов ретикулоэндотелиальной системы. Свойство "пегилированных" липосом быть "невидимыми" дало им образное название "липосомы-невидимки" (stealth Liposomes) аналогично известному самолету-невидимке "стелс". Эти принципы были использованы для разработки липосом, содержащих даунорубицин, доксорубицин, паклитаксел, для лечения некоторых видов опухолей. Пегилирование используют для пролонгирования действия иммуноглобулинов при лечении гепатита В и С. В настоящее время су ществует целый ряд ЛС в липосомальной форме: кларитромицин, амфотерицин В, циклоспорин, паклитаксел, алпростадил, серотонин, противовоспалительные, антиревматические препараты и др. Кроме того, липосомы с вирусными антигенами используют в качестве вакцин. Такие липосомы накапливаются в лимфатических узлах, активируя клеточный и гуморальный иммунитет. Липосомы как средства доставки молекул ДНК внутрь клетки используют при генной терапии.

Системы доставки лекарственных веществ на основе вирусов

Вирусные векторы способны обеспечить эффективную доставку ДНК в клетки пациента при наследственной патологии. В качестве примера будет рассмотрен алипогена типарвовек (далее АТ, торговое название - Глибера). АТ является первым в мире препаратом для генной терапии - в ноябре 2012 г. был зарегистрирован Европейским агентством по лекарственным средствам. Этот препарат был создан для лечения наследственного дефицита липопротеинлипазы (ЛПЛ). Эта патология характеризуется значительным увеличением содержания в крови хиломикронов ("молочная" плазма крови) и сопровождается выраженной гипертриглицеридемией, а также риском развития рецидивирующего и потенциально фатального панкреатита.

Патогенетической причиной наследственного дефицита ЛПЛ является мутация гена, кодирующего этот фермент. ЛПЛ в норме синтезируется преимущественно в мышцах и жировых клетках, транспортируется через эндотелий сосудов и фиксируется на клеточной мембране, обращенной в просвет сосуда, где расщепляет триглицериды хиломикронов. Мутация гена, кодирующего ЛПЛ, приводит к резкому снижению его ферментативной активности. Традиционные гиполидемические средства не обеспечивают адекватной терапии и не устраняют риск развития панкреатита. Патогенетической терапией заболеваний, обусловленных генетическим полиморфизмом, является корректировка генома. Эффективны механизмом доставки генетического материала, кодирующего ЛПЛ, оказался аденоассоциированный вирус (ААВ), имеющий размер 25 нм и содержащий линейную одноцепочечную ДНК. В организме, ввиду отсутствия собственной ДНК-полимеразы ААВ находится в латентном состоянии. В присутствии вируса-хелпера (аденовирус или вирус герпеса человека) ААВ вступает в продуктивную фазу, характеризующуюся репликацией генома, экспрессией вирусного генома и продукцией вирионов. При этом в процессе репликации ААВ вирус герпеса "предоставляет" для синтеза "свою" полимеразу и геликазу. Векторные лекарственные средства на основе ААВ лишены способности к латентному существованию.

Вследствие тканевой специфичности векторный носитель на основе ААВ является идеальным для транспорта генетического материала в мыщцы, так как проникает в клетку-мишень, связываясь с рецептором для гепарин сульфат протеогликана. Интернационализация вектора увеличивается за счет взаимодействия с одним из ко-рецепторов (α_vβ₁-интегрином, рецептором к фактору роста фибробластов, рецептором к фактору роста гепатоцитов). При внутримышечном введении основная часть препарата проникает в клетки без значимого резорбтивного действия.

Пациенты с гомозиготной мутацией ЛПЛ получают 1×10¹¹ или 1×10¹³ копий генома/кг. Препарат вводится под спинномозговой анестезией внутримышечно 40-60 раз по 500 мкл. Было показано, что к 12-й неделе у всех пациентов уровень триглицеридов снизился по сравнению с исходным, а у половины испытуемых это снижение превысило 40%. Однако полученный эффект был преходящим и статистически значимо отмечался в течение 18-31 нед. Иммунологическая реакция является серьезной проблемой при использовании ААВ-вектора. Наличие нейтрализующих антител, появившихся как результат предшествующих инфекций, может осложнить использование этого вектора.

Клиническая эффективность АТ стала доказательством того, что вирусные векторы обеспечивают целенаправленную доставку генетического материала в ткани c целью последующего синтеза белков. Однако высокая стоимость АТ не позволила его использовать после успешных клинических испытаний. В настоящее время зарегистрирован еще один препарат на основе вектора ААВ - воретигена непарвовек для генной терапии наследственного офтальмологического заболевания "амавроз Лебера".