09/04/2025
Medycyna przyszłości wykorzystuje nowe osiągnięcia i technologie w leczeniu i profilaktyce chorób, zwłaszcza w inżynierii tkankowej, mikrochirurgii i medycynie regeneracyjnej z użyciem komórek macierzystych, w diagnostyce i leczeniu nowotworów oraz wakcynologii. Podobnie jak w medycynie człowieka, także w medycynie małych zwierząt nowe technologie są coraz powszechniej stosowane (4).
Nowy rozdział w medycynie i weterynarii należy do nanomateriałów i nanobiotechnologii (10). Nanocząsteczki ze względu na swoją unikatową strukturę i właściwości fizykochemiczne są coraz powszechniej wykorzystywane jako nośniki leków przeciwnowotworowych, ułatwiające wnikanie leków do wnętrza nowotworu, a w przypadku wielu leków pozwalają na uzyskanie efektu przedłużonego działania, względnie na otrzymanie rozpuszczalnej postaci leku (6). Niektóre mają właściwości adiuwantów (19), umożliwiając łatwiejsze wniknięcie kompleksu antygen–nanocząsteczka do układu chłonnego, przez co zwiększają skuteczność szczepionek (12). Nanomateriały są też stosowane w obrazowaniu zmian patologicznych tkanek i narządów, wykrywaniu znaczników chorobowych (biomarkerów), regeneracji tkanek. Niektóre nanobiomateriały mogą stanowić wewnętrzne rusztowanie dla struktury uszkodzonych tkanek. Najnowsze osiągnięcia inżynierii nanotechnologicznej są stosowane w leczeniu nowotworów, choroby sercowo-naczyniowej, chorób neurologicznych (11).
Wykorzystanie nanotechnologii w najbliższej przyszłości będzie rozszerzone, zwłaszcza we wczesnej diagnostyce i leczeniu chorób zakaźnych, wakcynologii, infekcjach wywołanych przez lekooporne drobnoustroje, niszczeniu biofilmów i celowanej dystrybucji leków w organizmie (1, 7). Ponadto w medycynie i weterynarii nanomateriały będą wykorzystywane jako substytuty krwi i mikrobivory (mikrobożerne twory) (10).
Nanocząsteczka (od 1 × 10-9 do 1 × 10-7 m) składa się z atomów różnych pierwiastków połączonych w sposób niespotykany w środowisku naturalnym. Nanomateriały zbudowane z nanocząsteczek mają różne postacie – od emulsji, rurek (ryc. 1) przez studzienki kwantowe, nanopowłoki polimerowe, klastry atomów metali szlachetnych, nanonitki i nanodruty metali, grafen i jego pochodne, do różnorodnych kompozytów wzmacnianych nanocząsteczkami i różnego rodzaju nanonośników leków. Efektem połączenia nanocząsteczek z substancją biologicznie aktywną, taką jak leki lub antygeny, są nanonośniki o dużej stabilności, kontrolowanym uwalnianiu substancji czynnej i selektywnym ukierunkowaniu, na przykład na odpowiednie typy nowotworów albo gatunki drobnoustrojów (2).
Ryc. 1. Nanocząsteczka grafenowa – nanorurki grafenowe są m.in. mało toksyczne, nie ulegają degradacji w organizmie i są pozbawione właściwości immunogennych.
Nanomateriały o rozmiarach 5-20 nm, dzięki strukturze zbliżonej do różnego typu receptorów komórkowych, ligandów, DNA i białek, z łatwością wchodzą w interakcję z błonami komórkowymi i zmienionymi chorobowo tkankami (20). Lipidowe nanonośniki są z łatwością fagocytowane, szybko ulegają degradacji w organizmie, jednocześnie szybko pobudzając organizm do odpowiedzi immunologicznej (3). Unikalne magnetyczne, luminescencyjne i katalityczne właściwości nanocząsteczek połączonych z przeciwciałami anty-Escherichia coli pozwalają na określenie antybiotykooporności E. coli 0157:H7 w ciągu 20 minut. Dzięki spektroskopowemu przekształceniu w czasie reakcji chemicznej, które wykorzystuje polimorfizm pojedynczego nukleotydu w systemie opartym na macierzach, możliwe jest odróżnienie gronkowca złocistego opornego na metycylinę (MRSA) od szczepów wrażliwych na ten antybiotyk. Supermagnetyczne nanosondy z tlenku żelaza pozwalają na szybką identyfikację i określenie ilości Mycobacterium avium spp. paratuberculosis w mleku i krwi.
Respirocyty i nanodrobnokrwinki pełnią funkcję czerwonych i białych krwinek. Respirocyty (syntetyczne mikrocząsteczki imitujące czerwone krwinki i zdolne przenosić tlen) dostarczają tlen i usuwają dwutlenek węgla w sposób ściśle kontrolowany dzięki specjalnym czujnikom, podczas gdy microbivory fagocytują i niszczą enzymatycznie drobnoustroje (10). Techniki te są powoli wprowadzane do praktyki lekarskiej ze względu na wymagane badania przedkliniczne i kliniczne. Nie należy jednak oczekiwać, że w przyszłości całkowicie zlikwidują umieralność na sepsę.
W XXI wieku choroby zakaźne, oprócz chorób krążenia i nowotworów, są jedną z głównych przyczyn zgonów ze względu na lekooporność drobnoustrojów na dotychczas znane antybiotyki. Jedynym rozwiązaniem, zwłaszcza w przypadku superbakterii, takich jak enterokoki oporne na wankomycynę (VRE), Staphylococcus aureus oporny na wankomycynę (VRSA) i S. aureus oporny na metycylinę (MRSA), a także bakterii i grzybów opornych na wiele antybiotyków, są nowe leki o dużej skuteczności, małej toksyczności, dużej stabilności w organizmie, nie inicjujące oporności i tanie. Te wymagania spełniają nanoantybiotyki – nanocząsteczki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym (antimicrobial nanoparticles). Nanostruktury pozwalają na poprawę właściwości farmakokinetycznych leku, polepszenie kinetyki rozpuszczania, jego szybszą absorpcją oraz osiągnięcie terapeutycznego stężenia w tkance docelowej.
Nanoantybiotyki w iniekcji dożylnej ze względu na małe wymiary są z łatwością transportowane przez nabłonki i śródbłonki i gromadzą się w okrężnicy, płucach, szpiku kostnym, wątrobie, śledzionie oraz narządach limfatycznych, a podane w formie inhalacji, gromadzą się w płucach, wątrobie, sercu, śledzionie i mózgu. Klasyczne antybiotyki nie wszędzie docierają (na przykład na skutek istnienia bariery krew–mózg lub do kości). Pobudzają do fotokatalitycznej produkcji reaktywnego tlenu, który uszkadza bakterie i wirusy, uszkadzają błony i ścianę komórki bakteryjnej, zaburzają przepływ energii, hamują aktywność enzymów i syntezę DNA w komórce. Takim działaniem cechują się nanoantybiotyki oparte na siarczku kadmu, srebrze, złocie, tlenku cynku, tlenku tytanu, nanorurkach węglowych, nanoemulsjach i liposomach.
Nanokompleksy penicyliny lub doksycyliny niszczą komórki sfagocytowane przez makrofagi, łącznie z Brucella melitensis. Bruceloza to przewlekła i zakaźna bakteryjna choroba różnych gatunków zwierząt domowych i dzikich, jak również ludzi, mająca znaczenie w medycynie człowieka. U ludzi najcięższy przebieg choroby obserwuje się w zakażeniach Brucella melitensis i B. suis.
Zwiększoną skuteczność, większą stabilność, kontrolowane uwalnianie i ukierunkowane działanie antybiotyków na określone mikroorganizmy uzyskuje się po ich skoniugowaniu z nanonośnikami. Nanocząsteczki srebra (5-40 nm) zwiększają działanie penicyliny G, erytromycyny i wankomycyny. Fotokatalityczne przeciwbakteryjne działanie nanocząsteczek dwutlenku tytanu polega na pobudzeniu tworzenia wolnych rodników hydroksylowych i nadtlenku, natomiast silne bakteriobójcze działanie nanomateriałów zawierających tlenek miedzi jest spowodowane zaburzeniem syntezy aminokwasów i DNA w komórce bakteryjnej (15). Przeciwbakteryjna aktywność fullerenów (ryc. 2), które są odmianą alotropową węgla, a zwłaszcza karboksyfullerenów, wiąże się z niszczeniem błon bakteryjnych. Nanocząsteczki srebra i cynku cechują się wysoką aktywnością przeciwbakteryjną w stosunku do 650 szczepów bakterii, przy czym działanie bójcze jest natychmiastowe. Wartość MIC nanocząsteczek srebra dla Staphylococcus aureus i Proteus vulgaris izolowanych z przypadków klinicznych wynosi 150 ± 5 μg/ml i 100 ± 5 µg/ml, nanocząsteczek cynku odpowiednio 20 ± 5 µg/ml i 30 ± 5 µg/ml, a dla Escherichia coli 30 ± 5 µg/ml i 20 ± 5 µg/ml (8).
Ryc. 2. Fulleren, pełniąc rolę nośnika leku, ułatwia jego wnikanie do wnętrza patologicznie zmienionych komórek (na przykład nowotworowych), a ponadto w przypadku wielu antybiotyków pozwala na uzyskanie efektu przedłużonego działania, względnie na otrzymanie rozpuszczalnej postaci.
Klebsiella pneumoniae NDM (New Delhi), superbakteria, która wywołuje groźne dla życia zapalenie płuc, układu moczowego, pokarmowego, opon mózgowo-rdzeniowych, jest oporna na działanie wszystkich antybiotyków. Na świecie i w Polsce są już setki nosicieli tego zarazka, a zakazić można się łatwo. Ma on „gen superoporności” (gen NDM-1 – New Delhi-Metallo-beta-laktam-1) kodujący przede wszystkim metalo-beta-laktamazy, unieszkodliwiający antybiotyki beta-laktamowe, a więc praktycznie nawet antybiotyki „ostatniej szansy”. Koniugat merkaptopyrimidyny z nanocząsteczkami złota (na przykład Vitacolloids Nano – Złoto + Nano – Srebro Koloida) działa bakteriobójczo na superbakterie, nie indukuje powstania lekoopornych szczepów, jest nietoksyczny. Mechanizm działania w stosunku do MRSA polega na uszkodzeniu błony komórkowej bakterii i DNA, generowaniu reaktywnych form tlenu. Nanocząsteczki chitozanu o średnicy < 100 nm impregnowane cefotaksymem likwidują superbakterie K. pneumoniae, Ps. aeruginosa, E. coli i MRSA w biofilmach.
Liposomy, coraz częściej wprowadzane do lecznictwa, są nanopęcherzykami zbudowanymi z rdzenia, który jest nośnikiem enzymów, białek lub leków otoczonych podwójną warstwą fosfolipidową. Dzięki właściwościom błony fosfolipidowej z łatwością transportują antybiotyk do wnętrza komórki bakteryjnej (22). Liposomy z antybiotykami aminoglikozydowymi niszczą oporne na wiele antybiotyków szczepy Pseudomonas aeruginosa. Ponadto same liposomy pobudzają limfocyty T CD4 i CD8, odporność humoralną i modulują stosunek limfocytów Th1 do Th2. Nośniki z antybiotykiem mają możliwość przekroczenia bariery krew–mózg i działania na komórki docelowe (21). Powszechniejsze zastąpienie w przyszłości antybiotykoterapii klasycznej nanoantybiotykami powinno ograniczyć do minimum ryzyko pojawiania się opornych na leki szczepów bakteryjnych, a także zanieczyszczenia mleka i mięsa pozostałościami antybiotyków, a tym samym stworzyłoby nowe możliwości terapeutyczne.
Użycie nanonośników antygenów umożliwiło organizmowi efektywniejsze rozpoznanie i prezentację antygenów szczepionkowych ze względu na zwiększoną fagocytozę antygenu przez makrofagi i komórki dendrytyczne oraz stymulację komórek prezentujących antygen (18). Najlepszym przykładem jest nanoszczepionka RNA przeciwko Covid-19 produkcji Biotech-Pfizer oraz szczepionka Spikevax JN.1. Jako nośnik antygenów często służą nanorurki grafenowe, które są mało toksyczne, nie ulegają degradacji w organizmie i są pozbawione właściwości immunogennych. Antygeny związane z nośnikiem łatwiej docierają do swoistych receptorów antygenów w komórkach tkanki limfatycznej związanej z oskrzelami (BALT), występującej w obrębie przewodu pokarmowego (MALT) i związanej ze skórą (SALT) i swoiście oraz selektywnie stymulują odpowiedź immunologiczną (17).
Nanoszczepionki na nośnikach stałych nie są degradowane w przewodzie pokarmowym, a stosowane na skórę jako nanopłatki umożliwiają około 100-krotne zmniejszenie dawki w porównaniu ze szczepionką stosowaną w sposób konwencjonalny przy równoczesnym utrzymaniu jej efektywności. Szczepionki na nanoliposomach, emulsjach i nanocząsteczkach węgla pozwalają na stałe uwalnianie się antygenów w ściśle określonych ilościach i selektywną stymulację odporności (9).
