TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Inhalace
Regionální mízní uzliny Bronchiální epitel
NPs
Neutrofil
Alveolární epitel
Intersticium
Oběh
Monocyt
Imunitní systém
Ledviny Epitel. tekutina
Srdce Plod
Makrofág
Mozek
Játra Neutrofil
Moč
Yi Zhang et al., Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 3762--3809
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Selektivní záchyt v orgánech •
Pravá srdeční komora – malý plicní oběh (cévy 2–13 µm) – levá srdeční komora orgány
•
Ledviny – póry glomerulu (5-6 nm) a záchyt v mesangiu (± 75 nm)
•
Játra – sinusoidy (průměr 5-10 µm, póry 100-150 nm), Kupfferovy buňky – vliv povrchového náboje a pružnosti NP, hepatocyty – internalizace částic do 90 nm, vylučování žlučí – částice větší než 6 nm
•
Slezina – záchyt částic > 200 nm, podlouhlý nepravidelný tvar, malá pružnost
Bertrand N., Leroux J.Ch., Journal of Controlled Release 161 (2012) 152–163
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS EPR efekt (Enhanced permeation and retention) Angiogeneze v tumoru
Defektní nebo penetrované cévy v tumoru
Extravasace a záchyt NPs v tumoru
NPs injektované do krve - pasivní přestup do tumoru – EPR efekt
Spojení buněk epitelu normálních cév
Lymfatický oběh
A.M.Jhaveriand and V.P.Torchilin, Frontiers in phramacology 2014, doi: 10.3389/fphar.2014.00077
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Intersticium Alveolární Interakce NPs s epitel imunitním systémem •
makrofágy v epitelu alveol po interakci s NPs uvolňují cytokiny → přestup přes endotel do cév a vznik lézí
•
NPs přestoupí přes intersticium a interagují s makrofágy endotelu → uvolnění cytokinů → přestup do cév a vznik lézí
•
NPs přestoupí přes intersticium a endotel → interakce s krevními destičkami → uvolnění cytokinů → vznik lézí
Endotel
NPs z jiných míst vstupu
Vznik trombů
Cytokiny Uvolňování cytokinů
Yi Zhang et al., Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 3762--3809
Imunitní buňky Krevní destičky
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Interakce NPs s imunitním systémem MHC-I Buněčná imunita - zánět
Nanočástice Th1 MHC-II Th0
Mikročástice
Látková imunita Th2
•
NPs pohlceny fagocytujícími buňkami IS – uvolnění cytokinů – dozrávání Th0 na Th1- buněčná imunita
•
mikročástice zachyceny na povrchu fagocytujících buněk IS – uvolnění cytokinů – dozrávání Th0 na Th2 – humorální (látková) imunita Yi Zhang et al., Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 3762--3809
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS ABC efekt (Accelerated blood clearance) První fáze - senzibilizační •
přímá interakce NPs s B-lymfocyty ve slezině
•
sekrece protilátek
Druhá fáze - efektorová •
2-4 dny po prvním kontaktu výrazně vzroste koncentrace specifických protilátek v krevní plazmě
•
rychlá opsonizace NPs – záchyt v Kupfferových buňkách v játrech
•
podstatné zkrácení doby cirkulace NPs v krvi, efekt trvá 2-4 týdny
•
efekt výraznější pro PEGylované částice
Zhang X. et al., Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 100, 155 –162 (2012)
ANTIMIKROBIÁLNÍ ÚČINKY Ag-NPs 1. Ag+ uvolněné z Ag NPs vyvolá tvorbu ROS 2. Ag NPs interagují s membránovými proteiny a mění jejich funkci 3. AgNPs se akumulují na povrchu buněčné membrány a mění její propustnost 4. Ag NPs přestupují do buňky, kde generují ROS, uvolňují Ag+ a poškozují DNA
–
vzniklé ROS mohou též poškodit DNA, integritu buněčné membrány a membránové proteiny
–
uvolněné Ag+ - poškození DNA a membránových proteinů (Damm et al. 2008; Neal 2008) Marambio-Jones C., Hoek E.M., Journal of Nanoparticle Research 12, 1531-1554 (2010)
OSNOVA PŘEDNÁŠKY •
Tvoří nanomateriály z hlediska toxikologie a farmakologie zvláštní skupinu?
•
Jaké děje probíhají na rozhraní nanomateriál – buněčná membrána?
•
Jaké parametry ovlivňují biologickou aktivitu nanočástic?
•
Jaké jsou hlavní typy nanočástic používané v medicíně?
•
Jaké jsou hlavní přínosy a rizika jejich používání?
OSNOVA PŘEDNÁŠKY •
Tvoří nanomateriály z hlediska toxikologie a farmakologie zvláštní skupinu?
•
Jaké děje probíhají na rozhraní nanomateriál – buněčná membrána?
•
Jaké parametry ovlivňují biologickou aktivitu nanočástic?
•
Jaké jsou hlavní typy nanočástic používané v medicíně?
•
Jaké jsou hlavní přínosy a rizika jejich používání?
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Liposomy •
dvojvrstva amfifilních fosfolipidů vyplněná vodnou fází
•
unilamelární, multilamelární, multivezikulární
•
kationické, anionické, neutrální
•
transfekční systémy v genové terapii – přenos vybraných úseků DNA či siRNA do jader eukariotních buněk
•
cílený transport léčiv do dýchacích cest, zadního segmentu oka, mozku a vnitřních vrstev kůže (např. doxorubicin)
A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Liposomy •
nízká přepravní kapacita, předčasné uvolňování látek, náchylnost k agregaci při skladování, vychytávání makrofágy (PEGylace)
•
toxicita souvisí s povrchovým nábojem a se složením kladně nabité nejtoxičtější zejména imunotoxicita související s opsonizací, hepatotoxicita - tvorbou ROS
•
nutnost systémového přístupu při posuzování toxicity léčiv
Doxorubicin
Doxil- liposomální forma Doxorubicinu – šetrnější terapie rakoviny prsu – nižší kardiotoxické účinky – jiná toxikokinetika
A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII
https://www.doxil.com/hcp/mechanism-of-action
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Celoživotní kumulativní dávka doxorubicinu do srdeční příhody (medián) lipAC - Liposomální doxorubicin/cyklofosfamid 60/600 mg.m2 AC - konvenční doxorubicin/cyklofosfamid 60/600 mg.m2
L. Petruželka / Remedia 17 (2) (2007) 197–200
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII ADEPT – Antibody Directed Enzymatic Prodrug Therapy
Fab fragmet Enzym
1 – bez liposomů Ochranný obal
Enzym Protilátka
Proléčivo Aktivní léčivo
liposom
Proléčivo Nádorová buňka
Fab – fragment antigen binding Aktivní léčivo
2 – s liposomy
Antigen
Nádorová buňka
Shaheen S.M. et al./ Pakistan Journal of biological sciences 9 (6) (2006) 1181–1191
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Dendrimery •
nanočástice složené z rozvětvěných makromolekul s přesně definovanou strukturou
•
vnitřní jádro obklopené soustřednými vrstvami – generace dendrimeru (G1-G10 – 10-12 nm) – vysoce monodisperzní systém
•
hydrofilní povrch a hydrofobní jádro – transport léčiv málo rozpustných ve vodě
•
polymery PAMAM (polyamidoamin), PPI (polypropylenimin) a PLL (polyL-lysin)
•
postupné uvolňování léčiv
PAMAM G0 A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
PLL
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Dendrimery •
PAMAM dendrimery - cílený transport cytostatik – cis-platina - vyšší rozpustnost ve vodě, nižší cytotoxicita, vyšší akumulace v solidních tumorech – neprostupují amnionem (blána zárodečného obalu) vaginálně aplikované léky nepoškozující plod
•
volné - NH2 na povrchu dendrimerů - kladný náboj spojený s vysokou cytotoxicitou – perforace buněčné membrány - únik enzymů z cytosolu buněk – hemolytické účinky - zejména vyšší generace
•
teoreticky možné postupy snížení toxicity – monomery, které jsou produktem přirozených metabolických drah – povrchová úprava - PEGylace, sacharidy, aminokyseliny – zvýšení efektivity cíleného transportu A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Uhlíkové nanotrubice (CNTs) •
jednostěnné (SWCNTs) → průměr 0,7 – 1,5 nm; vícestěnné (MWCNTs)→ průměr 2 – 50 nm
•
povrchová úprava nezbytná pro dosažení dostatečné rozpustnosti a biologické dostupnosti
•
biosenzory, skafoldní systémy, nosiče léčiv
Parametry ovlivňující toxicitu •
průměr, délka, povrchová úprava → mechanismy průchodu přes buněčnou membránu → intracelulární lokalizace (prostá difúze → cytosol; endocytóza → endosomy a lysosomy; přímá penetrace funkcionalizovaných CNTs přes buněčnou membránu → mitochondrie)
•
vláknitý charakter CNTs → in-vivo - plicní fibrózy, in-vitro – maligní konverze lidských epiteliálních plicních buněk
C. Fisher et al. / Journal of Nanomaterials (2012), ID 315185
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII MDR – Multidrug resistence P-gp – P-gykoprotein GO – grafenoxid ADR – adriamycin
Wu J. et al./ Nanotechnology 23 (2012) 355101
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Fullereny •
kulovitá struktura složená z uhlíkových atomů (C60 C70 C76 C78 C80)
•
endohedrální a exohedrální fullereny
•
transport léčiv – antivirotika, antibiotika, protinádorové léky
•
protektivní účinky proti oxidativnímu stresu – vychytávání volných radikálů
•
produkce ROS po fotoaktivaci – protinádorová léčba
•
stimulace imunitního systému - produkce specifických protilátek
•
nebezpečí znečišťujících látek (zbytky katalyzátorů – Ni, Co) – vysoká cena purifikace
A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
NPs V MEDICÍNĚ A FARMACII Superparamagnetické částice (SPION) •
jádro - magnetit (Fe3O4) a maghemit (γγFe2O3)
•
povrch - zlato, silika, fosfolipidy, polysacharidy apod.
•
magnetickým polem řízené hromadění v omezeném prostoru, kontrolovaný ohřev
•
kontrastní látky pro MRI; magneticky řízené nosiče léčiv, magnetickým polem řízená foto-termální terapie nádorů
•
uvolňování Fe2+ → Fentonova reakce – (Fe2+ + H2O2 → .OH + OH-)
•
cytotoxicita redukována povrchovou úpravou → PVA, dextran
•
genotoxicita (ne cytotoxicita) SPION potažených DMSA
•
kometový test na lidských buňkách plicního epitelu – maghemit méně genotoxický než magnetit
A. Surendiran et al. / Indian J. Med. Res. 130 (2009) 689–701
FOTOKATALÝZA – TiO2 Antimikrobiální aktivita •
anatas (Eg = 3,2 eV), ruVl (Eg = 3,02 eV) → 387,5 a 410 nm (3% intenzity slunečního světla)
•
viry > gram-negativní bakterie > gram-pozitivní bakterie > endospory > kvasinky > vláknité houby
•
kompletní fotokatalytická destrukce buněčných komponent (za 75 h)
Rezistence •
Huang Z. a kol. (2000) - E. coli – produkce enzymů SOD (konverze O2- na H2O2) a katalázy (konverze H2O2 na H2O a O2)
•
Tsai T.-M. a kol. (2010) - není korelace mezi odolností vůči antibiotikům a TiO2, odolnost vůči TiO2 v některých případech spojena s tvorbou plasmidů
Markowska-Szczupak A. a kol., Catalysis Today 169 (2011) 249–257
FOTOKATALÝZA – TiO2 Rozklad škodlivin •
pokusy s odstraňováním VOCs, PAHs a NOx v laboratorních podmínkách → koncentrace v ppm (α α - konstantní, účinnost oxidace závislá na β); v reálných podmínkách koncentrace v ppb (význam α >β) >β
•
prudký pokles rychlosti oxidace při koncentracích < jednotky ppm
•
oxidace směsí → např. inhibiční účinek SO2
•
vliv vzdušné vlhkosV → např. snížená adsorpce škodlivin, vysoká koncentrace meziproduktů vytlačovaných vlhkostí do plynné fáze (nedokonalá mineralizace)
•
Gunschera J. a kol. (2009) – mezi typické produkty fotooxidace VOCs na TiO2 patří formaldehyd, formaldehyde, furfural, acetophenon, n-butylbutyrát, n-butyl-i-butyrát, n-butylpropionát, 4heptanon, kyselina octová, i-butyraldehyd a krotonaldehyd
•
Auvinen J. a kol. (2008) – zdrojem toxických produktů fotooxidace může být i degradace organické složky nátěrové hmoty Markowska-Szczupak A. a kol., Catalysis Today 169 (2011) 249–257
Děkuji za pozornost
