Нанотехнологии в лечении сахарного диабета
ПОМОГУТ ЛИ НАНОТЕХНОЛОГИИ ПОБЕДИТЬ ДИАБЕТ?
Однако безудержный прогресс науки даёт основания с оптимизмом прогнозировать дальнейшие существенные достижения и в сфере медицины, в том числе, в области диабетологии. Наиболее реальными среди них для решения проблем сахарного диабета являются новые нанотехнологии, использование стволовых клеток и биогенной инженерии.
Nanos — значит «гном»…
Началом современного этапа нанотехнологии принято считать выступление известного американского учёного Ричарда Фейнмана с несколько необычным по названию докладом: «Там внизу много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте. Идея доклада заключалась в обосновании возможности механического перемещения атомов и молекул с помощью устройств сопоставимых (приближенных к ним) миниатюрных размеров.
Лингвистической основой термина «нанотехнология» стала приставка «нано» (от греческого nanos — карлик, гном). Эта приставка используется в международной системе единиц СИ в качестве множителя, равного 109 (одна миллиардная часть метра, миллионная часть миллиметра, нанометр-нм). О размерах микроучастка такой длины можно судить по тому, что на нём размещаются примерно 10-12 атомов. Соответственно под наноматериалами понимают материалы молекулярных (околомолекулярных) размеров.
Как ни удивительно, но нанотехнологии, не зная научных основ этих процессов, использовали ещё в древнем мире. Это были смеси сажи с водой для изготовления чернил, жидкость с кислородным соединением железа для изготовления красок, некоторые косметические и моющие средства (в мыльном растворе образуются наночастицы-мицеллы)… Как выявлено современными исследованиями, применявшиеся древними греками и аборигенами Австралии краски для волос и нанесения боевых раскрасок, обладавшие стойким и длительным окрашивающим эффектом, содержали наночастицы.
Хотя разработка и широкое внедрение целого спектра нанотехнологий — дело более отдалённого будущего, уже в настоящее время их применение позволило создать различные сверхпрочные материалы, оригинальные и эффективные лекарства, сконструировать предшественники нанокомпьютеров, нанороботов и другие микроустройства и материалы.
С нанотехнологиями связывают надежды и на существенное увеличение умственных возможностей человека. Устройство нанометрических размеров (8000-10000 микрон) способно хранить в своей памяти информацию, эквивалентную фонду одной из крупнейших библиотек мира — библиотеки Конгресса США. Предполагается, что имплантация подобного устройства в мозг человека позволит во много раз увеличить объем информации, способной храниться в человеческой памяти. Вот что могут творить крохотные гномы!
Что нас ждёт в медицине
Безусловно, сегодня одной из важнейших и перспективных сфер применения нанотехнологий является медицина.
Иногда задают вопрос: нужны ли вообще медицине нанотехнологии? Положительный ответ на этот вопрос однозначен — очень нужны! И, прежде всего, потому, что они позволяют осуществлять диагностические и лечебные мероприятия на клеточном и макромолекулярном уровне, а не путем «неприцельного» воздействия на весь организм, как это происходит сейчас в большинстве случаев.
Ведь не секрет, что традиционные формы лечебных мероприятий в большинстве случаев — за редкими исключениями — можно сравнить со стрельбой из пушек по воробьям. И это при том, что основные, в том числе патологические, биохимические и другие процессы в организме, происходят даже не на локальном органном или тканевом уровне, а на уровне отдельных клеток, молекул и атомов. А они-то и имеют наноразмеры. Вот, например, размеры некоторых медицинских объектов: ширина ДНК — 2,5 нм, вируса — 100 нм, бактерии — 1000 нм, молекулы лекарства (аспирин) — 1 нм.
В качестве основных выделяют несколько областей применения нанотехнологий в медицине. В их числе — целевая доставка лекарственных веществ, дистанционная диагностика и лечение на нанометровом уровне, медицинская имплантация. К настоящему времени сформировался обширный перечень заболеваний, в лечении которых в той или иной форме успешно применяются нанотехнологии. В этот перечень входят онкологические, кардиологические, эндокринологические, гастроэнтерологические, бронхо-легочные и другие заболевания. Подсчитано, что уже к 2010 году с применением нанотехнологий было создано около 150 инновационных лекарств и способов их инкорпорирования в организм биологического объекта.
От наноробота до нанопинцета
Наибольшие ожидания связаны с созданием многофункциональных медицинских нанороботов, обладающих химической инертностью и способных перемещаться внутри кровяных капилляров.
Типичный (базовый) медицинский наноробот, предназначенный для проникновения в кровеносное русло, сконструирован из наночастиц размерами в пределах от 1 до 100 нм, а размеры всего наноробота не превысят 3000 нм (минимальный размер кровяных капилляров). Прообразом такого наноробота является искусственный эритроцит (он назван «респирацитом»), созданный Р.Фрайтасом. Он представляет собой сферический наноробот размером 1 микрон. Внутри респирацита содержатся молекулы кислорода и углекислого газа под высоким (1000 атмосфер) давлением.
Дублируя функции природных эритроцитов, респирациты обладают намного большей эффективностью, так как благодяря высокому давлению могут содержать кислород в несколько сот раз больше, чем природные эритроциты. Иньекция 5 мл 50%-го раствора респирацитов сможет обеспечить кислородоснабжающую функцию более 5 литров крови. Подумать только —введение в кровь респирацитов позволит человеку обходиться без внешнего кислорода от 15 минут до 4 часов!
Нанотехнологии позволят модифицировать лекарственные препараты с целью устранения их аллергенных и аутоиммунных свойств, защиты от разрушения пищеварительными ферментами. Благодаря специально сконструированным нанотехнологиям можно будет отказаться от традиционной химиотерапии и облучения при онкологических заболеваниях, обладающих многочисленными отрицательными побочными действиями.
В США, например, созданы наногильзы — носители противораковых антител, имеющие диаметр в 20 раз меньший, чем у эритроцитов. После введения их в кровеносное русло под влиянием инфракрасного излучения происходит преобразование в тепловую энергию, локально разрушающую раковые клетки, не затрагивая соседние здоровые. Опробование этой технологии на подопытных мышах с раковыми опухолями подтвердило эффективность метода (в течение 10 дней произошло разрушение раковых зон, при последующем наблюдении новые очаги не появлялись).
Имеются сообщения об успешном применении наноразмерных разветвлённых полимеров для лечения глазных травм и заболеваний, в частности, для восстановления функций разорваного глазного тракта.
Один из возможных вариантов доставки лекарственных средств в нужное место организма — это использование миниатюрных капсул с нанопорами (предполагается, например, что таким путём можно будет решить и проблему физиологически регулируемого выделения инсулина).
Проведённые в США исследования показали возможность излечения экспериментиального инфаркта у мышей и кроликов с помощью нанотехнологий. Такое излечение было достигнуто путём введения препарата на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце.
Наноматериалы можно будет использовать также в качестве заменителя других (больных или дефектных) тканей.
Известно, что в организме человека существует более 50 типов биоминералов наноразмерного формата. Прошёл клиническую апробацию материал «Синтекость», созданный в Институте геохимии и минералогии АН Украины для применения в качестве имплантанта для замещения костной ткани. Наночастицы будут способствовать безопасности и надёжности генной терапии. Их можно будет использовать для транспортировки генов (белков) в нужное место, не «привлекая внимания» клеток иммунной системы и предотвращая тем самым её отторгающую защитную реакцию.
С использованием нанотехнологий в медицине тесно связано и создание различных устройств, предназначенных для манипуляций с наночастицами, молекулами и отдельными атомами, а также наноинструментов. Примерами здесь могут служить сканирующие зондовые микроскопы, нанотрубки, нанопинцеты…
Применение нанотехнологий открывает широкие возможности для создания микролабораторий (laboratory on a chip, то есть лаборатория на чипе), которые позволят качественно и количественно определять различные вещества, в том числе глюкозу, антитела и др.
Революция в диабете?
Внедрение нанобиотехнологий открывает заманчивые перспективы и в сфере лечения сахарного диабета.
Среди приоритетных задач в этой сфере можно назвать две. В первую очередь — это существенное усовершенствование методик подсадки бета-клеток поджелудочной железы, а в более отдалённой перспективе (видимо, в сочетании с методами биогенной инженерии и использованием стволовых клеток) — стимуляция создания новых, нормально функционирующих бета-клеток. Вторая важная задача — поиск и внедрение неиньекционных способов введения экзогенного инсулина, гарантированно обеспечивающих поступление в организм и усвоение им требуемых доз инсулина.
Один из вариантов подсадки работоспособных бета-клеток поджелудочной железы (пока гипотетитический, ибо нужные наноустройства пока не созданы) предусматривает использовать с этой целью нанокапсулы, содержащие данные клетки. Предполагается, что устройство имплантированных в тело человека нанокапсул таково, что выработка и выброс инсулина в кровь будут осуществляться автоматически, в зависимости от уровня глюкозы. Вероятно, такая методика позволит решить и проблему обеспечения стабильной точности дозировки инсулина. Разумеется, в решении такой задачи не обойтись без специальных нанороботов с бортовыми компьютерными устройствами.
В литературе имеются сообщения о создании нанороботов (с химическими датчиками и передающим устройством) для круглосуточного контроля содержания глюкозы в крови. Его основными компонентами являются источник питания, химический датчик и передатчик. Такие устройства позволят отказаться от обременительного (нередко многократного, 5-6 раз в день) прокола кожи и анализа крови, усложняющего жизнь больных. Предполагается, что вывод информации, предупреждающей о гипо- и гипергликемических состояниях, можно будет осуществлять на мобильный телефон.
Другими вариантом непрерывного контроля уровня глюкозы крови с помощью нанотехнологий является использование для татуировки специальных красок (чернил) из пористых наночастиц размером 100-120 нм, которые меняют свой цвет в зависимости от концентрации глюкозы в межклеточной жидкости, содержащей такое же количество глюкозы, как и кровь. Однако в экспериментальных исследованиях пока не решена серьёзная проблема, препятствующая использовать такой метод, — это длительность времени реакции до проявления видимого и чёткого изменения окраски.
Привлекают внимание исследования австралийских, израильских и американских учёных, направленные на то, чтобы создать пластыри, капсулы, миниатюрные шарики и другие устройства с нетоксичными кремниевыми наноигламии, которые позволят лекарству проникать через кожу либо стенки кишечника, не травмируя их.
Задача — упреждать!
С нанотехнологиями тесно связаны и основные надежды в сфере генной терапии сахарного диабета, при которой необходимые нормальные гены первоначально вводятся в экскорпоральный клеточный материал, а затем генетически обогащённые клетки вводятся в организм больного, где будут приживаться и работать в нужном физиологическом режиме.
Первое десятилетие ХХI века показывает, что мы делаем ощутимые шаги на пути перехода от оборонительной медицины к медицине наступательной, упреждающей. Важная роль в этом процессе принадлежит инновационным технологиям, которые могут приблизить человечество к осуществлению давней мечты — эффективно излечивать диабет, а в идеале — вообще избавить мир от этого тяжкого заболевания.
Профессор Илья Никберг — специально для «ДН»
Сидней, Австралия
Оригинал статьи можно найти на Официальном сайте газеты ДиаНовости
Источник
В последние годы на рынке появились новые технологии для непрерывного измерения уровня сахара, встроенные под кожу или наклеенные на нее сенсоры и многие другие новшества, которые максимально облегчают контроль диабета. Здесь мы хотим познакомить вас с основными компаниями, которые разработали или разрабатывают устройства типа искусственная поджелудочная железа или другие решения, позволяющих превратить диабет в заболевание, лечение которого не требует каких-либо значительных усилий.
1) DexCom
Эта американская компания, один из лидеров рынка систем для лечения диабета с 1999 года создает технологии непрерывного измерения уровня сахара. Свою работу на этом поприще компания начала с создания имплантируемого датчика, который не будет отвергаться организмом и который будет работать в течение длительного времени.
Ее новейшая система, Dexcom G6, не требует уколов пальцев или анализа крови, и была одобрена американским регулятором отрасли здравоохранения FDA в марте 2018 года. Как и другие непрерывные системы мониторинга уровня глюкозы, он позволяет больным диабетом в любое время видеть уровень сахара в крови с помощью датчика, который вставляется под кожу. В последнее время компания сотрудничает с Apple, чтобы подключить часы Apple Watch к своему датчику непрерывного контроля уровня сахара в крови.
Это система, которая может интегрироваться с другими совместимыми медицинскими устройствами и электронными интерфейсами, такими как автоматизированная система дозировки инсулина, инсулиновая помпа, глюкометры и другие электронные устройства, применяемые при лечении диабета.
Dexcom G6 представляет собой небольшой прибор, который пользователь с помощью прилагаемого устройства наклеивает как пластырь себе на живот. Оно содержит сенсор, который непрерывно проводит измерение уровня сахара в внутритканевой (интерстициальной) жидкости и каждые пять минут передает данные об уровне сахара в приложение на смартфоне пользователя.
Система отсылает пользователю предупреждение, если уровень сахара в крови становится чересчур высоким или низким. При этом G6 может быть интегрирован с автоматической системой дозировки инсулина и когда уровень сахара выходит за границы допустимого диапазона, система может выдать команду на ввод лекарства.
2. Medtronic
Сегодня Medtronic является крупнейшей в мире компанией в области медицинских технологий с более чем 260 филиалами в 155 странах мира. Основанная в 1949 году компания за эти годы разрабатывала кардиостимуляторы, имплантируемые механические устройства, устройства доставки в организм лекарств и биологических препаратов, а также мощные современные хирургические инструменты. Сегодня ее продукты используются для лечения почти 40 заболеваний.
Благодаря своей новейшей гибридной замкнутой системе компания приблизилась на шаг ближе к созданию собственной искусственной поджелудочной железы. Система MiniMed 670G, первая гибридная замкнутая система, постоянно отслеживает уровень сахара в крови и автоматически выдает инсулин, но пациентам все еще приходится самостоятельно вводить дозу болюсного инсулина (инсулина, обычно принимаемого во время еды) в зависимости от того, что вы едите, а также “сообщать” ему, когда начинают заниматься физическими упражнениями, которые снижают уровень сахара.
MiniMed 670G предназначено для диабетиков 1 типа в возрасте от 7 лет и уже имеет официальное разрешение на продажи от европейских и американских регулирующих органов.
В состав системы Medtronic входит сенсор Guardian Sensor 3 размером с обычную монету с микро-иголкой, которая вводится под кожу и обеспечивает непрерывный мониторинг уровня сахара. На своем месте на теле человека она удерживается при помощи липкой подложки. Вторым компонентом системы является инсулиновая помпа, чаще всего носимая сбоку живота, которая имеет трубочку, соединенную с катетером для ввода инсулина в организм. MiniMed 670G измеряет уровень сахара каждые 5 минут и автоматически впрыскивает инсулин пациенту, если это необходимо.
3. Abbott
Abbott была основана в 1888 году в США. Компания предлагает системы мониторинга крови и глюкозы, включая тест-полоски, сенсоры, программное обеспечение для принятия решений по управлению данными и принадлежности для людей с диабетом.
Например, Abbott выпустила беспроводной монитор FreeStyle Libre, новый класс устройств для мониторинга уровня сахара, использующих собственную технологию. Пользователь закрепляет на верхней части руки сенсор, который измеряет уровень сахара в интерстициальной жидкости. В октябре 2018 года Abbott сертифицировал в Европе свое новое устройство Freestyle Libre 2 с Bluetooth и настраиваемыми предупреждающими сигналами.
Оно состоит из водонепроницаемого датчика, который крепится к задней части предплечья и устройства, похожего на смартфон, которое считывает и отображает показания датчика. Сенсор проводит измерения уровня сахара в интерстициальной жидкости каждую минуту, для этого используется тонкая иголка длиной 5 мм и шириной 0,4 мм, которая проникает в кожу. Считывание данных происходит за 1 секунду. В считывающем устройстве хранится история всех измерений, здесь можно устанавливать допустимы диапазон и вид оповещений. Причем, хотя этот прибор важен для контроля уровня сахара, сенсор может работать и без него и будет вибрировать или издавать звук (по выбору пользователя), когда показатели уровня сахар в крови будут отличаться от нормальных.
4. Novo Nordisk
Датская компания Novo Nordisk была основана в 1923 году и с тех пор работает в 79 странах мира. Фирма она накопила уникальный опыт лечения и ухода за больными диабетом. Недавно компания объявила о создании многоразовой инсулиновой ручки NovoPen 6, которая способна хранить и загружать до 800 записей данных об использовании прибора (за период около 3 месяцев) и подключаться к нескольким внешним системам мониторинга диабета, чтобы помочь лучше справляться с этим заболеванием.
С помощью этих инжекторов компания надеется помочь пациентам получить более полноценный гликемический контроль за счет подключения их к смартфону. Теперь инсулиновые ручки смогут пересылать данные в телефон и через него интегрироваться с платформами, обеспечивающим контроль лечения диабета.
Novo Nordisk пообещала запустить свой новый продукт в продажу в начале 2020 года. Как только эти “умные” ручки для инсулина станут доступны, они будут совместимы как с устройствами Android, так и с iOS. К этому времени, кстати, будет обновлена и система Guardian Connect компании Medtroniс для интеграции своих данных с этими смарт-ручками Novo Nordisk.
Компания также заявила, что планирует предоставить возможность подключения к Сети для своих одноразовых предварительно заполненных инъекционных ручек в 2019 году, а в долгосрочной перспективе, она намерена увеличить доступность подключенных ручек и предложить решения с использованием индивидуального руководства по лечению.
5. Insulet
Американская компания Insulet, основанная в 2000 году, занимается разработкой и производством инфузионной системы для людей с инсулинозависимым диабетом, в основном в Соединенных Штатах и Канаде, а также в Европе.
Компания предлагает систему менеджмента инсулина OmniPod (OmniPod Insulin Management System), которая состоит из одноразового инфузионного аппарата (инсулиновой помпы) и портативного беспроводного персонального контрольного устройства, которое подключается к помпе посредством Bluetooth, и представляет собой альтернативу традиционным методам доставки инсулина. Это гибридная система с замкнутой обратной связью со встроенным алгоритмом модели предиктивного анализа для расчета дозировки для каждого конкретного пациента. Она может использоваться вместе базальным (предназначен для обеспечения нормального функционирования организма) и болюсным инсулином (для компенсации употребляемой еды). Благодаря своей простой и удобной конструкции одноразовый блок обеспечивает до трех дней непрерывной доставки инсулина.
Пользователь может также подключить свою систему Omnipod к мобильным приложениям Omnipod Display или Omnipod View. Эти приложения предназначены для того, чтобы пользователи и их врачи могли отслеживать ход инсулиновой терапии, особенно это важно, когда устройство использует ребенок.
6. Diabeloop
Эта французская компания была основана в 2015 году, и ее заявленная миссия заключается в создании доступных технологических инноваций, которые позволят людям с диабетом 1-го типа жить так, как они хотят. Diabeloop разрабатывает революционные технологические инновации для автоматизации лечения диабета.
Система DBLG1 в своей работе использует данные, полученные с помощью монитора уровня сахара в крови непрерывного действия, и “умные” алгоритмы с целью определения дозировки инсулина и активации инсулиновой помпы. При этом устройство может прогнозировать уровни сахара, основываясь на своей способности постоянного обучения, которая постепенно подстраивается под особенности и физиологию каждого отдельного пациента. Алгоритм в своей работе также учитывает информацию, полученную из истории болезни пациента. Кроме того, система способна предотвращать как события, связанные с понижением уровня сахара (гипогликемия), так и события, относящиеся к повышению концентрации сахара в крови выше допустимого предела (гипергликемия).
Система уже имеет разрешение на использование в Европе.
7. Virta Health
Американская компания провозгласила своей миссией намерение к 2025 году обратить вспять диабет второго типа у 100 миллионов человек. Его цель – сделать это безопасно, надежно и без риска или побочных эффектов, которые часто появляются при использовании медикаментов или хирургических вмешательств.
Virta Health обещает снизить уровень сахара в крови, уменьшить дозу лекарств от диабета и помочь похудеть благодаря кетозу. Кетоз — состояние, развивающееся в результате углеводного голодания клеток, когда организм для получения энергии начинает расщеплять собственный жир с образованием большого количества кетоновых тел. Это одна из приспособительных реакций на отсутствие углеводов в пище. Эволюционный смысл кетоза — дать возможность организму выжить в условиях дефицита богатой углеводами растительной пищи, переключившись на пищу животного происхождения. Для успешного преодоления сахарного диабета компания предлагает обучение по вопросам питания, наблюдение врача и отслеживание определенных биомаркеров.
По утверждению компании, 94% инсулинозависимых пациентов, использующих методику Virta Health, через год существенно уменьшают использование инсулина, либо вообще избавляются от него. А среди диабетиков 2 типа, которые получают лечение Virta Health, у 60% через год диабет обращается вспять (имеется в ввиду % пациентов с HbA1c менее 6,5%, не принимающих гликемические контрольные препараты или принимающих только метформин).
8. Nemaura
Биотехнологическая компания, базирующаяся в Великобритании, предлагает неинвазивное решение на основе системы постоянного мониторинга уровня сахара в крови (Continuous Glucose Monitor, CGM) SugarBEAT.
В комплект CGM-системы входят одноразовый пластырь на кожу однодневного действия, сенсор, наклеиваемый поверх него, а также соответствующее приложение для смартфона или отдельное считывающее устройство. Пластырь приклеивается к коже совершенно безболезненно, причем прилепить можно к предплечью, ноге или животу. Единственное неудобство – он требует калибровки с помощью укола в палец. Измерения проводятся каждые пять минут, после чего данные с помощью Bluetooth передаются в приложение на смартфоне или в считывающее устройство. Измерения уровня сахара проводятся в интерстициальной жидкости.
Компания планирует предоставить свое устройство в FDA для получения разрешения на использование в этом году.
9. One Drop
Нью-Йоркская компания One Drop, основанная в 2015 году, предлагает приложение для лечения диабета, которое помогает больным диабетом вести журнал учета уровня инсулина, эффективности принимаемых ими препаратов, недавно потребленной ими еды и видов активности, ежедневно влияющих на уровень сахара в крови. В приложении также имеется возможность делиться своими данными и общаться в сообществе для диабетиков, чтобы получать необходимые советы. Этот программный продукт обладает удобными средствами аналитики, позволяющими просматривать статистику за разные периоды времени.
Платформа управления диабетом использует мощь мобильных вычислительных систем и науки о данных, предоставляя персонализированные идеи и рекомендации, основанные на профиле здоровья пользователя и данных о глюкозе крови.
В функционал приложения введена функция прогнозирования уровня сахара в крови и автоматической поддержки принятия решений. По словам разработчиков, эти функции, работающие на основе алгоритма машинного обучения, обеспечивают возможность предсказания уровня сахара за 12 часов до события и предлагают поведенческие рекомендации, основанные на этих прогнозах.
10. BeatO
Компания, которая также была основана в 2015 году, работает в Индии и разрабатывает решения, позволяющее людям контролировать диабет. BeatO является мобильной платформой, которая мотивирует диабетиков к повышению приверженности лечению и сокращению их собственных расходов. Помимо приложения, компания также предлагает глюкометры, тест-полоски, медицинские добавки и консультации по диабету. Их интеллектуальный глюкометр, по сути, является дополнением к смартфону, обеспечивая удобство использования и относительно низкую цену для пользователей.
Как и в случае с One Drop, BeatO также имеет команду врачей для поддержки диабетиков 1-го и 2-го типа, обладающих практическими знаниями о диабете и его лечении в реальной жизни.
По материалам: Medgadget.com, Medical Futurist, MobiHealth News
Источник