Nanočástice, nanotoxikologie, nanomedicína: definice pojmů, perspektivy v otorinolaryngologii

Súhrn

Nanočástice jsou částice menší než 100 nm, jejichž studiem se zabývají dva příbuzné spolupracující obory – nanotoxikologie a nanotechnologie. Nanočástice jsou v prostředí všudypřítomné a vzhledem k jejich velmi malým rozměrům mají jiné vlastnosti než částice stejného materiálu velikosti v řádech mikrometrů (chemická a fyzikální reaktivita, interakce s buňkami a živými organismy). Jejich toxické působení in vitro a in vivo zkoumá nanotoxikologie. Nanotechnologie se zabývá vývojem materiálů s novými vlastnostmi a funkcemi, které vycházejí z jejich malé velikosti. Nanomedicína pak využívá poznatků nanotechnologie a farmakologie k vývoji nových léčiv a terapeutických postupů. Autoři v práci shrnují současné poznatky o vlastnostech nanočástic, jejich vlivu na dýchací cesty a možnosti využití nanotechnologií v otorinolaryngologii.

Klíčová slova:
nanočástice, nanotoxikologie, nanotechnologie, nanomedicína

ÚVOD

Nanočástice jsou definovány jako částice v jednom či více rozměrech menší než 100 nm a větší než 1 nm (obr. 1). To, co je odlišuje od částic mikro- a větších rozměrů, jsou vlastnosti, jichž částice daného materiálu nabývají typicky pod kritickou velikostí 100 nm (3, 36). Nanočástice jsou předmětem rozsáhlého studia, zejména v posledních letech rychle se rozvíjejícího vědního oboru, který lze v angličtině nejlépe pojmenovat jako “nanoscience”. Tento pojem zastřešuje dvě hlavní nano-disciplíny – nanotechnologii a nanotoxikologii (28). V současné době se s pojmem „nano-“ často setkáváme v souvislosti s novými farmaky, technologiemi i aplikací nanotechnologie u řady onemocnění. Domníváme se však, že i odborné veřejnosti chybí základní informace o „nanosvětě“ –  co jsou nanočástice, jaké mají vlastnosti a jaké je jejich působení na živý organismus či jejich potenciální terapeutické využití. Cílem článku je proto podat základní přehled pro orientaci v této problematice nejen pro otorinolaryngology.

NANOTECHNOLOGIE, NANOMEDICÍNA A NANOTOXIKOLOGIE

Nanotechnologie se zabývá vývojem materiálů na úrovni atomů, molekul a makromolekul, zkoumá jejich vlastnosti a vytváří a využívá struktury, zařízení a systémy s novými vlastnostmi a funkcemi, které vycházejí z jejich malé velikosti (The Nanoscale Science, Engineering, and Technology Subcommitee, 2000). Nanotechnologie je multidisciplinární obor, v němž se spojují poznatky základního i aplikovaného výzkumu v biofyzice, molekulární biologii a bioinženýrství a lze předpokládat, že v budoucnu bude mít zásadní dopad na rozličná odvětví medicíny a farmakologie. Nanotechnologie poskytuje nové systémy, zařízení a materiály pro zlepšení možností aplikace nových farmak. V souvislosti s tím dochází k rozvoji oboru farmaceutická nanotechnologie, která se zabývá aplikací poznatků „nano-vědy“ ve farmakologii (nanomateriály, systémy cíleného transportu léčiv, diagnostické a zobrazovací systémy, biosenzory aj.) (18). Náplní oboru nanomedicíny, který spojuje a využívá poznatků nanotechnologie a farmakologie, je diagnostika, léčba a prevence chorob a zranění, léčba bolesti a snaha o uchování či zlepšení lidského zdraví s využitím znalostí struktury lidského těla a fyziologických pochodů na molekulární úrovni a terapeutických a diagnostických nástrojů vycházejících z nanotechnologie (11, 35). 

Nanotoxikologie je odvětvím toxikologie, které studuje vlastnosti nanočástic a nanomateriálů a jejich toxické působení in vitro a in vivo (28). Z hlediska toxicity se částice rozdělují na primární (cíleně syntetizované) a sekundární (vznikající jako vedlejší produkt v nejrůznějších fyzikálních a chemických procesech). Posuzováním rizika expozice nanočásticím a zkoumáním možností prevence nežádoucích účinků terapeutických nano-produktů pak podporuje rozvoj nanotechnologie a nanomedicíny (40, 46).

NANOČÁSTICE – VÝSKYT A VLASTNOSTI

Výskyt nanočástic

Nanočástice jsou v prostředí všudypřítomné. Jedná se o částice na bázi uhlíku (např. saze), ale také anorganické částice, nejčastěji ve formě oxidů kovu (železo, chrom, nikl, hliník, měď, zinek, titan aj.).  Kromě přírodních procesů (vulkanická činnost, lesní požáry) jsou jejich významným zdrojem antropogenní činnosti: metalurgický průmysl, doprava, kouření, smažení aj. S rychlým rozvojem nanotechnologií a pronikáním syntetizovaných nanomateriálů nejen do nejrůznějších výrobků denní potřeby (kosmetika, barviva, baterie, výroba aut aj.), ale také medicínských přípravků (např. koloidní stříbro), roste význam zkoumání potenciálního toxického vlivu také těchto záměrně produkovaných nanočástic (17). 

Vlastnosti

Nanočástice mají vzhledem ke svým velmi malým rozměrům většinou jiné vlastnosti než částice stejného materiálu o velikosti v řádech mikrometrů. Pro jejich chování a ev. toxické působení je důležitá zejména velikost částic, jejich tvar a krystalická struktura. Se zmenšující se velikostí částic se mění jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Platí, že čím menší je částice, tím větší je její biologická aktivita a potenciální toxicita, a to i u materiálů, kdy mikročástice stejného složení toxické vlastnosti nevykazují (30). Nanočástice totiž mají na velmi malou hmotnost obrovský celkový povrch (tab. 1). Na povrchu molekul je odhaleno větší procento atomů a se zmenšujícím se rozměrem roste exponenciálně počet potenciálně reaktivních skupin. Nemusí proto platit přímý vztah toxického účinku na dávce (koncentraci) látky jako u částic mikro-rozměrů (7, 29, 32). Dále nanočástice se zmenšující se velikostí vykazují zvýšenou difuzivitu, a tím pádem i opožděnou sedimentaci. Tím se prodlužuje doba jejich setrvání v ovzduší (39). 

TOXICKÉ PŮSOBENÍ NANOČÁSTIC NA ORGANISMUS

Hlavní branou vstupu nanočástic do organismu, kromě kůže a gastrointestinálního traktu, jsou dýchací cesty a plíce. Nanočástice jsou schopné penetrovat paracelulárně i skrz buňky do krve, redistribuovat se v organismu, akumulovat se v různých orgánech, např. v plicích, mozku, játrech, ledvinách či slezině, a vyvolávat v nich patologické změny (14, 28). Do buněk vstupují jednak endocytózou, jednak ne zcela jasným non-vezikulárním mechanismem (28). Možnost jejich degradace pomocí lyzosomálního systému je ale omezená. Nanočástice se tak mohou v buňkách hromadit a vyvolávat změny na úrovni buněčných organel i na úrovni genetické informace buňky (14, 42).

Přesný mechanismus jejich genotoxického účinku prozatím není znám. Většina prací poukazuje na jejich genotoxické působení spuštěním oxidativního stresu, a s tím spojenou indukci apoptózy, zánětu a zástavy buněčného cyklu (2, 13, 15, 17, 18, 31, 48). Prostřednictvím oxidativního stresu tedy mohou způsobovat zlomy v DNA, nestabilitu chromozomů a narušení mechanismů mitózy, což může vést k maligní transformaci buňky. Nové studie ale také ukazují, že nanočástice mohou pronikat do buněčného jádra a přímo interagovat s DNA (1, 5, 21).

Složení nanočástic přítomných v prostředí, které vstupují do organismu, je různé. Jako příklad uvádíme výsledek studie Zeleníka a kol. (2012), kteří zkoumali přítomnost a složení nanočástic v patrových tonzilách. Převládajícími nalezenými kovy byly železo, chrom, nikl, hliník a měď (50). 

STUDIE ZABÝVAJÍCÍ se TOXICKÝM PŮSOBENÍM NANOČÁSTIC V DÝCHACÍCH CESTÁCH

Toxické působení nanočástic v dýchacích cestách je v současnosti intenzivně zkoumáno především in vitro, případně na hlodavcích či modelech. 

V několika studiích na krysách a na lidských buňkách in vitro byl již prokázán toxický účinek uměle vpravených nanočástic na plicní tkáň ve smyslu vyvolání akutních i chronických zánětlivých změn (akutní alveolitida, bronchiální hyperreaktivita, poškození mukociliárního transportu, dysfunkce plicních makrofágů, formace mikrogranulomů) (16, 17, 33, 42). Byla také studována jejich přítomnost, distribuce a akumulace v různých etážích dýchacích cest, a to jak na hlodavcích, tak pomocí počítačových modelů. Pomocí počítačového modelování bylo zkoumáno chování nanočástic při distribuci v tkáních při jejich vdechování. Předpokládá se, že se řídí jinými zákonitostmi než částice větších rozměrů. Nejvíce nanočástic se stejně jako mikročástice zachycuje v nosní dutině na skořepách, ale na druhém místě je u nanočástic hltan; větší částice mají tendenci deponovat se spíše v hrtanu (12, 49). Zatím bylo provedeno jen velmi málo klinických studií zkoumajících přítomnost a působení nanočástic na sliznice dýchacích a polykacích cest, např. výše zmíněná studie Zeleníka a kol. (50).

Klinické studie zabývající se nanotoxicitou a nanopatologií prozatím narážejí na omezené možnosti stanovení koncentrace nanočástic ve vyšetřovaných tkáních, neboť jejich detekce v tkáni se provádí na zcela jiném principu než u větších částic; v nano-měřítku nelze tkáň jednoduše mapovat a přítomnost nanočástic statisticky hodnotit (50). Pokud se v budoucnu podaří tento problém vyřešit či obejít, lze na tomto poli předpokládat velmi rychlý rozvoj.

MEDICÍNSKÁ NANOTECHNOLOGIE

Medicínská nanotechnologie se ve smyslu praktického uplatnění v otorinolaryngologii prozatím proti nanotoxikologii jeví jako slibnější pole působnosti. Nanomateriály a nanokompozita jsou již v medicíně s úspěchem využívány, zejména v posledním desetiletí. Koloidní stříbro pro své antimikrobiální účinky v hojení chronických ran a k povrchové úpravě katetrů, kanyl či protéz k zamezení vzniku biofilmů; nanostruktury vzniklé oxidací titanu na povrchu kloubních náhrad či zubních implantátů ke zlepšení osteointegrace; oxid zinečnatý jako přísada do mastí pro svou fungicidní aktivitu; zlato ve spojení s biologickými ligandy v diagnostice, v zobrazovacích technikách či k cílené protinádorové terapii (8, 29, 37, 51). V otorinolaryngologii nicméně nanotechnologie prozatím běžně využívány nejsou.

Rinologie

V rinologii je perspektivní např. využití nanočásticových nosičů pro některé léky u chronických rinosinusitid. Nanočásticemi se specifickými vlastnostmi obalené léčivo lépe proniká i skrz hustý hlen k patogenům a déle setrvává ve sliznici (22), případně se může využít nano-nosiče pro některé toxické léky a přesně tak zacílit léčbu na infekční fokus bez nežádoucích systémových účinků (např. amfotericin B) (35). Ellis-Behnke pak v experimentech na zvířatech úspěšně použil k hemostáze uměle vyrobený biodegradabilní, netoxický a neimunogenní peptid (N-hydroxysulfosukcinimin) spontánně vytvářející síť nanovláken, s perspektivou využití při terapii epistaxe (10). Existují také studie na hlodavcích, které ukazují možnost obejití hematoencefalické bariéry pomocí transportu léčiv vázaných na nanočásticové nosiče (např. risperidonu) přes čichové nervy přímo do centrálního nervového systému (20, 34), případně vakcinace intranazálně podanými nanočásticemi exprimujícími povrchové antigeny pneumokoka (47).

Laryngologie

V laryngologii se jeví jako slibný vývoj syntetických analog extracelulární matrix s využitím např. k augmentaci hlasivek, ev. jako „náhradní díly“ pro rekonstrukční chirurgii (35). Nanočástic by také mohlo být využito jako nosičů léčiv, jež by umožnily delší setrvání účinné látky v tkáních hrtanu – např. Kolachala referoval o potenciálním využití lipidových nanočásticových nosičů, které umožní delší setrvání aktivních látek (např. růstových faktorů) v tkáních hlasivek (19). 

Otologie

Velký potenciál má využití nanomateriálů jako nosičů léčiv v otologii při senzorineurálních poruchách sluchu a onemocněních vestibulárního ústrojí, kde jsou dosavadní léčebné možnosti velmi omezené. Léčiva navázaná na biodegradabilní polymerní nosič dle experimentálních výsledků lépe přecházejí k cílovým buňkám statoakustického ústrojí než léčivo bez nosiče. Např. Sakamoto na myších se ztrátou sluchu na podkladě akustického traumatu prokázal, že betametazon navázaný na obal z polylaktátu a polyethylenglykolu se oproti samotnému léčivu preferenčně akumuluje a dosahuje vyšších koncentrací v poškozených tkáních, tj. ve vnitřním uchu (38). Perspektivní je také využití nano-nosičů k cílené genové terapii při aplikaci léčiva přes foramen rotundum do scala tympani (8, 35, 44). Buckiová a kol. referovali o potenciálním využití liposomových a polymerosomových nanočásticových nosičů pro cílený transport léčiva při injekční aplikaci do foramen rotundum (4). Jinou možností cíleného transportu léčiva k vnitřnímu uchu může být využití feromagnetických nanočástic usměrňovaných zevním magnetickým navaděčem (41). Podobně jako u kloubních náhrad se jeví potenciál využití nanopolymerů (zejména sloučenin stříbra) u kochleárních implantátů za účelem jejich lepší integrace (43). 

Protinádorová terapie

Významnou roli mohou v budoucnu nanočástice hrát v onkologii při protinádorové terapii zacílené specificky na maligní buňky, např. ve smyslu cíleného transportu chemoterapeutika vyžadujícího fotoaktivaci přímo do nádoru, nebo ve smyslu individualizované imunoterapie (6, 16, 35, 37), případně podobně jako u chorob vnitřního ucha využití nanočásticových nosičových systémů (9, 52). Liu a kol. také referovali o možném využití pH-senzitivních nanočásticových systémů v cílené protinádorové terapii (26).

ZÁVĚR

Nanotoxikologie i nanotechnologie jako vědní obory mají v budoucnu v medicíně velkou perspektivu. Zejména nanotoxikologie je prozatím hlavně v otorinolaryngologii opravdu „pole neorané“ a představuje velkou výzvu jak pro výzkumníky, tak klinické pracovníky. Nanotechnologie již dnes otevírají zcela nový svět netušených možností – v budoucnu lze očekávat jejich významné uplatnění v cílené léčbě nádorových onemocnění, léčbě onemocnění vnitřního ucha, včetně senzorineurální hluchoty, či další rozvoj jejich využití v diagnostice a biomedicínské technice.  Nakolik optimističtí můžeme být a hledat odpovědi a řešení v „nanosvětě“, to ještě musí v budoucnu prověřit klinické studie. 

Práce vznikla s podporou Institucionální podpory MZČR č. 2 RVO-FNOs/2013.

Adresa ke korespondenci:

MUDr. Lenka Čábalová

Klinika ORL a chirurgie hlavy a krku FN Ostrava

tř. 17. listopadu 1790

708 52  Ostrava

e-mail: lenka.cabalova@fno.cz