Болезнь Альцгеймера является одним из наиболее распространенных заболеваний головного мозга, поражающих население пожилого возраста во всем мире, и, по прогнозам, станет серьезной проблемой здравоохранения с серьезными социально-экономическими последствиями в ближайшие десятилетия. Сегодня общее число людей, страдающих болезнью Альцгеймера (БА) во всем мире, составляет около 15 миллионов человек, и ожидается, что к 2050 году это число вырастет в четыре раза
В этом обзоре рассматриваются некоторые подходы, основанные на нанотехнологиях, которые разрабатываются для раннего выявления и точной диагностики болезни Альцгеймера, ее терапевтического лечения и профилактики. Эти потенциальные решения, предлагаемые нанотехнологиями, иллюстрируют растущее значение, которое она имеет для борьбы с заболеваниями мозга в целом.
Диагностика болезни Альцгеймера: нанотехнологические разработки
Патогенез БА характеризуется потерей нейронов и синапсов, что приводит к общей атрофии в нескольких областях мозга. Болезнь в настоящее время трудно надежно диагностировать, особенно на ранних стадиях, когда ее часто принимают за нормальные изменения, связанные с возрастом или стрессом. В то время как точный диагноз может быть получен только после смерти (путем исследования ткани головного мозга при вскрытии), современные клинические методы, включающие визуализацию мозга и нейропсихологическое тестирование, точны только на 85%, и только на более поздних стадиях .
Раннее выявление заболевания важно, поскольку оно может определить, насколько эффективным будет любое лечение, а также послужить оценке экспериментального лечения. Клинические симптомы БА (в форме снижения познавательной способности и (или) памяти) в значительной степени обычно появляются после того, как нервная ткань начинает ухудшаться. Следовательно, необходимы надежные и чувствительные молекулярные подходы, чтобы обнаружить начало нейродегенерации, лежащей в основе БА, как можно раньше.
Растворимые олигомеры, называемые ADDL, которые участвуют в патогенезе БА, распознаются как потенциально надежный биомаркер, указывающий на наличие БА, демонстрируя значительную разницу в концентрации цереброспинальной жидкости (CSF). У субъектов с диагнозом БА изначально очень низкая концентрация таких биомаркеров, соответственно очень сложно обнаружить заболевание с помощью традиционных анализов с иммуноферментными связями.
Но недавно разработанный сверхчувствительный метод, известный как анализ био-штрих-кода, показывает хороший потенциал для этих исследований. При этом методе используются наночастицы золота (NP) и магнитные микрочастицы, взвешенные в растворе, которые оба конъюгированы с антителом, специфичным для БА, в то время как каждый NP золота также прикреплен к большому количеству нитей ДНК со штрих-кодом.
Используя этот новый анализ, повышенная концентрация ADDL была продемонстрирована в случаях CSF при БА по сравнению со здоровыми субъектами. Изучается также возможность адаптации метода амплификации биологического штрих-кода к образцам крови, а не к сложному получению CSF 5 , что поможет упростить этот многообещающий диагностический инструмент.
Другой потенциальный диагностический подход, нацеленный на биомаркер ADDL, использует оптическое свойство, которым обладают наночастицы благородных металлов, таких как золото и серебро, называемое локализованным поверхностным плазмонным резонансом (LSPR) .
Систематический анализ с участием треугольных наночастиц серебра (полученных с помощью наносферной литографии) с использованием УФ-видимой спектроскопии показал обнаруживаемые сдвиги в максимальной длине волны экстинкции при добавлении ADDL (даже при низких наномолярных концентрациях) через изменения показателя преломления, а также значительно отличающиеся реакции мозга и образцов CSF от больных пациентов и от контрольной группы .
Помимо этих двух примеров, существует ряд других исследований, в которых рассматриваются наноматериалы для использования в новых методах визуализации, которые могут предоставить in vivo средства для обнаружения или изучения патологических маркеров заболевания, в частности амилоидных бляшек. Такие методы визуализации могут даже служить для оценки клинической эффективности новых лекарств, разработанных для очистки токсичных бляшек.
Потенциальные нано-включенные маршруты к терапии для БА
В настоящее время не существует лекарства, которое могло бы обратить вспять нейродегенерацию, вызванную развитием AD. Препараты, доступные на рынке сегодня, в основном предназначены только для симптоматической пользы, например, для улучшения нарушенной коммуникации между клетками мозга, но не могут остановить процесс дегенерации.
Тем не менее, в настоящее время предпринимаются исследовательские усилия по разработке стратегий, «модифицирующих заболевание», то есть тех, которые могут выявить коренные причины БА с целью замедления или остановки прогрессирующей деградации мозга .
Основное препятствие связано с существованием так называемого гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), который препятствует эффективному транспорту терапевтических препаратов (агентов) в мозг через кровоток . BBB, который по сути является двусторонним селективным фильтром между кровеносными капиллярами и нервной тканью, выполняет полезную функцию, предотвращая попадание в мозг «чужеродных веществ», таких как вызывающие заболевания вещества и токсины, циркулирующие в крови, но в то же время также останавливает транспортировку большинства крупных активных молекул, даже тех, которые, возможно, имеют терапевтическое значение, в ткани мозга. Таким образом, необходимы стратегии для преодоления этого естественного физиологического барьера.
В этом контексте исследуются различные возможности конструирования наноразмерных «носителей», наделенных желаемыми поверхностными свойствами, чтобы облегчить эффективную, целевую и безопасную доставку активных молекул через ГЭБ и их замедленное высвобождение в мозге. Маскируя физико-химические характеристики встроенных (инкапсулированных) терапевтических агентов, эти наносистемы могут действовать как «троянские кони», предоставляя средства для доставки таких молекул через ВВВ.
Более того, защищая инкапсулированные молекулы от ферментативного расщепления и, таким образом, увеличивая их период полураспада, такие наноносители могут увеличить их биодоступность в мозге. Это, естественно, повысило бы их эффективность и потребовало бы меньшего количества терапевтического агента.
Резюме и будущие направления
Нанотехнология предлагает потенциал для разработки новых наноразмерных материалов и устройств с контролируемыми функциональными свойствами. В контексте лечения болезни Альцгеймера такие наноконструктуры могут, с одной стороны, обеспечивать средства для эффективного переноса и доставки лекарств, а также других терапевтических (нейропротекторных) молекул в мозг, а с другой, их также можно адаптировать для более непосредственного устранения патогенных факторов, лежащих в основе расстройства (такие как ненормальная агрегация белка в олигомеры и фибриллы). Наноматериалы также начинают использоваться в качестве основы для решения важной проблемы чувствительного и раннего выявления БА.
Помимо этого, существует вопрос о непреднамеренных побочных эффектах, которые следует иметь в виду, так же, как это должно быть при оценке любого приложения на основе нанотехнологий, медицинского или иного, имеющего непосредственное отношение к человеку.
В частности, в очень сложной биохимической среде центральной нервной системы нельзя игнорировать возможность применения наноразмерных систем, особенно не биоразлагаемых, с нежелательными цитотоксическими последствиями (помимо предполагаемой функции). Таким образом, их общая безопасность и биосовместимость должны быть тщательно оценены, прежде чем любое такое применение появится в клинических испытаниях.