В статье представлен обзор современных достижений в области нанотехнологий и их применения в биомедицине. Рассматриваются различные наночастицы, обладающие антибактериальными, противовоспалительными, противоопухолевыми и регенеративными свойствами. Обсуждаются перспективы развития нанотехнологий, включая необходимость изучения их биосовместимости, метаболизма и долгосрочной безопасности для клинического применения.

Ключевые слова: нанотехнологии, наночастицы, биомедицина, антибиотикорезистентность, онкология, онкотерапия, регенеративная медицина.

Антибиотикорезистентность — одна из наиболее острых проблем современной медицины. Опасные патогены, такие как стафилококки, энтерококки и стрептококки, вызывают тяжёлые инфекционные заболевания, которые при отсутствии своевременного лечения могут привести к летальному исходу. Возрастающая устойчивость бактерий к традиционным препаратам требует разработки новых терапевтических подходов. В последнее время нанотехнологии продемонстрировали большой потенциал: они уже активно внедряются в медицину, экологию, фармацевтику и другие смежные отрасли.

Одним из ключевых направлений нанотехнологий, привлекающим особое внимание в медицине, являются наноматериалы — сверхмалые структуры, размер которых составляет от одного до ста нанометров. Существуют различные типы наноматериалов, но особенно активно в медицинских исследованиях и разработках применяются неорганические наночастицы. Как правило, такие наночастицы делятся на несколько категорий. В первую категорию входят металлические наночастицы, состоящие из чистых металлов, например, наночастицы серебра (Ag), меди (Cu), золота (Au), титана (Ti), платины (Pt), цинка (Zn), магния (Mg), железа (Fe) и другие. Вторую категорию составляют наночастицы оксидов металлов — соединения, в которых атомы металлов химически связаны с атомами кислорода. К ним относятся, например, диоксид титана (TiO₂), оксид серебра (Ag₂O), оксид цинка (ZnO) и так далее [1].

Различные наночастицы на основе металлов и оксидов металлов демонстрируют выраженную антибактериальную активность против широкого спектра патогенов, включая антибиотикоустойчивые штаммы.

Наночастицы золота (Au NPs) активны против Staphylococcus aureus , Bacillus subtilis , Klebsiella pneumoniae , Pseudomonas spp. , Escherichia coli , Aspergillus niger и A. fumigatus . Их механизм действия включает разрушение клеточной стенки, образование пор и связывание с ДНК, что приводит к ингибированию транскрипции. Наночастицы железа (Fe NPs) ингибируют рост S. aureus , S. epidermidis и E. coli , за счёт генерации активных форм кислорода (АФК) и индукции окислительного стресса. Наночастицы серебра (Ag NPs) обладают мощным бактерицидным действием против P. aeruginosa , Vibrio cholerae , K. pneumoniae , S. aureus , E. coli, Enterococcus faecium и S. epidermidis , разрушая мембрану, вызывая плазмолиз, ингибируя дыхательные ферменты и процессы репликации ДНК.

Наночастицы оксида меди (CuO NPs) подавляют рост B. subtilis , S. aureus и E. coli , нарушая целостность клеточной стенки и основные метаболические пути. Наночастицы диоксида титана (TiO₂ NPs) проявляют активность против E. coli , S. aureus и грибов, вызывая окислительное повреждение ДНК через генерацию АФК. Наночастицы оксида железа (Fe₂O₃ NPs) воздействуют на S. aureus , S. epidermidis и E. coli , также за счёт окислительного стресса. Наночастицы оксида цинка (ZnO NPs) эффективны против E. coli , Listeria monocytogenes , Salmonella spp. и S. aureus . Их бактерицидный эффект обусловлен повышением проницаемости мембраны, проникновением в цитоплазму, высвобождением ионов цинка и индуцированием АФК. Магниевые наночастицы (MgO NPs) поражают S. aureus , E. coli , Bacillus megaterium и B. subtilis , вызывая пероксидацию липидов, нарушение мембранной целостности и щелочной стресс. Наночастицы оксида церия (CeO₂ NPs) активны против E. coli , S. aureus и K. pneumoniae . Они действуют через прямой контакт с бактериальной мембраной, генерацию АФК и нарушение транспорта питательных веществ, обусловленных изменением электронного потока в клеточной стенке [2].

Кроме борьбы с инфекциями, нанотехнологии находят широкое применение и в терапии злокачественных опухолей. Одной из наиболее перспективных областей в этой сфере является онкология.

Рак молочной железы является самым распространённым онкологическим заболеванием у женщин, особенно опасным в случае метастазов. Несмотря на развитие иммунотерапии, смертность при метастатической форме остаётся высокой, а стандартные методы лечения не всегда эффективны.

Эксперименты продемонстрировали, что наночастицы оксида железа, покрытые крахмалом, активируют иммунную систему организма и стимулируют выработку Т-клеток, способных атаковать раковые клетки. После введения таких наночастиц в кровь у мышей с раком молочной железы значительно замедлялся рост опухоли, полностью отсутствовали метастазы в лёгких, а выживаемость увеличивалась. Эффект оказался связан с активацией рецепторов врождённого иммунитета — Толл-подобных рецепторов (TLR), особенно TLR3. Это приводило к выработке интерферона I типа, усилению противоопухолевого ответа и активации T-лимфоцитов [3].

Рак лёгких остаётся одним из наиболее смертоносных видов онкологических заболеваний. Особенно тяжело протекает его наиболее распространённая форма — немелкоклеточный рак, на которую приходится примерно 85 % всех случаев заболевания. На поздних стадиях пациенты часто лишены возможности хирургического лечения и вынуждены проходить химио- или лучевую терапию, вызывающую серьёзные побочные эффекты.

Чтобы повысить эффективность лечения, были разработаны наночастицы на основе меди, цитрата и хитозана. Эти частицы накапливаются в опухоли и в кислой среде начинают выделять ионы меди, которые запускают реакцию превращения перекиси водорода (H₂O₂) в активные радикалы (•OH) — они разрушают опухолевые клетки, не затрагивая здоровые. В экспериментах наночастицы снижали выживаемость клеток рака лёгких (A549) до 28 % и значительно замедляли рост опухоли у мышей, в некоторых случаях опухоль исчезала полностью. Механизм действия связан с активацией апоптоза и усилением окислительного стресса. Благодаря хитозану, наночастицы безопасны для внутренних органов и могут использоваться как перспективное средство для терапии рака лёгких [4].

Рак мочевого пузыря часто устойчив к традиционной терапии. Даже после хирургического удаления и введения БЦЖ-вакцины у многих пациентов сохраняется высокий риск рецидива. Это связано с тем, что опухоль подавляет иммунный ответ и избегает разрушения иммунными клетками.

Известно, что наночастицы на основе оксидов железа и хлорофилла под воздействием лазера образуют активные формы кислорода, которые вызывают разрушение опухолевых клеток и запускают ферроптоз — гибель клеток, зависящей от железа. В лабораторных опытах такая терапия значительно увеличила выживаемость мышей с раком мочевого пузыря (с 0 до 91,7 %) и активировала их иммунную систему: снижались уровни иммуноподавляющих белков (PD-L1, IDO-1), увеличивалось количество Т-клеток, подавлялось воспаление [5].

Нанотехнологии применяются не только в онкотерапии — они также показывают высокую эффективность при заболеваниях опорно-двигательного аппарата.

Остеоартрит является дегенеративным заболеванием суставов, которое сопровождается болью, разрушением хряща и может приводить к инвалидности. Современные методы лечения в основном направлены на облегчение симптомов и связаны с побочными эффектами. Учёные выяснили, что в развитии остеоартрита важную роль играет ось «микробиота — кишечник — суставы».

Исследования показали, золотые наночастицы способны замедлять разрушение суставов при остеоартрите у мышей, и этот эффект напрямую связан с состоянием микробиоты кишечника. Наночастицы способствуют росту полезных бактерий ( Lactobacillus , Akkermansia ), которые повышают выработку короткоцепочечных жирных кислот — особенно масляной кислоты. Масляная кислота снижает воспаление, укрепляет кишечный барьер, угнетает выработку провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-6), и способствует синтезу противовоспалительных молекул, таких как IL-10. В результате уменьшается системное воспаление и подавляется активность остеокластов на 30–40 % (клеток, разрушающих костную ткань) [6].

При больших дефектах и деформациях длинных трубчатых костей, например, после травм, операций или врождённых нарушений применяют дистракционный остеогенез. Это метод, при котором кость медленно растягивают, стимулируя её естественный рост и восстановление. Несмотря на эффективность, дистракционный остеогенез требует много времени, особенно на этапе заживления, и часто сопровождается осложнениями.

Для эффективного восстановления используют наночастицы, покрытые мезопористым кремнезёмом и легированные кобальтом. Их локально вводили крысам в зону растяжения кости. Наночастицы значительно ускоряли образование новой костной ткани, увеличивая минеральную плотность кости на 4-й неделе консолидации. Они стимулировали дифференцировку стволовых клеток в остеобласты, повышали активность генов, отвечающих за остеогенез (ALP, Runx2, OCN), способствовали минерализации и активировали ангиогенез — образование новых кровеносных сосудов за счёт повышения секреции сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) [7].

Следующим направлением применения нанотехнологий стало восстановление мягких тканей — в том числе при хронических заболеваниях и осложнениях, нарушающих естественные процессы заживления.

Диабет значительно осложняет заживление ран. Из-за высокого уровня глюкозы нарушается работа иммунной системы, повреждаются сосуды, усиливается воспаление и замедляется регенерация тканей. Такие раны часто становятся хроническими и трудно поддаются лечению. Обычные методы лечения не всегда эффективны и не позволяют контролировать процесс восстановления.

Наночастицы, состоящие из инсулина и ионов кобальта, проявили высокую эффективность в ускорении заживления ран при диабете. Их действие изучалось на клетках человеческого эпидермиса (HEKa). Инсулин активирует рецепторы на клетках кожи, стимулирует деление кератиноцитов и фибробластов, снижает воспаление и ускоряет эпителизацию. Кобальт имитирует состояние гипоксии — запускает выработку фактора HIF-1α и сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), что способствует формированию новых кровеносных сосудов. Эксперименты подтвердили, что наночастицы значительно повышают выживаемость клеток кожи, усиливают миграцию клеток в зону повреждения и ускоряют закрытие ран — как при обычных условиях, так и при диабете, с эффективностью заживления, достигающей 63–72 % в течение 24 часов [8].

Мукозит полости рта — тяжёлое воспаление слизистой оболочки рта, возникающее у большинства пациентов во время химио- и лучевой терапии. До 80 % пациентов с опухолями головы и шеи страдают от этого осложнения. Мукозит полости рта сопровождается болью, язвами, нарушением питания и увеличивает риск инфекций. К сожалению, полностью эффективного метода лечения на сегодняшний день не существует.

Перспективным решением являются наночастицы золота, которые проявляют выраженное противовоспалительное и антиоксидантное действие. В эксперименте на хомяках с мукозитом, вызванным химиотерапевтическим препаратом 5-фторурацилом, наночастицы значительно снизили воспаление, уменьшили площадь язв на 50 % и ускорили заживление слизистой. Механизм действия связан с подавлением провоспалительных молекул (NF-kB, COX-2, TNF-α, IL-1β), а также с активацией антиоксидантного пути Nrf2, что привело к повышению уровня антиоксидантных ферментов, таких как глутатион, HO-1 и NQO1, которые снижают окислительный стресс. Именно окислительный стресс запускает воспаление при мукозите [9].

Нанотехнологии открывают новые горизонты в биомедицине, предлагая инновационные подходы в диагностике, лечении и профилактике различных заболеваний. Благодаря особым физико-химическим свойствам наночастиц — высокой биодоступности, целенаправленной доставке и многофункциональности, становится возможным точечное воздействие на патологические процессы с минимальными побочными эффектами. Несмотря на перспективные результаты, использование нанотехнологий в клинической практике требует дальнейших исследований. Необходимо углубленно изучить механизмы действия наночастиц в организме, их биосовместимость, метаболизм, возможные токсические эффекты и долгосрочные последствия. Также важно разработать стандарты производства и протоколы безопасности, чтобы обеспечить широкое и безопасное применение наночастиц в биомедицине.

Литература:

1. Yaqoob A. A. Recent Advances in Metal Decorated Nanomaterials and Their Various Biological Applications: A Review / A. A. Yaqoob, H. Ahmad, T. Parveen, A. Ahmad, M. Oves, I. M. I. Ismail, H. A. Qari, K. Umar, M. N. Mohamad Ibrahim // Frontiers in Chemistry. — 2020. Vol. 8. — P. 1–23.
2. Laganà A. Antibacterial activity of nanoparticles and nanomaterials: a possible weapon in the fight against healthcare-associated infections / A. Laganà, G. Visalli, F. Corpina, M. Ferlazzo, A. Di Pietro, A. Facciolà // European Review for Medical and Pharmacological Sciences. — 2023. Vol. 27. — P. 3645–3663.
3. Korangath P. Iron Oxide Nanoparticles Inhibit Tumor Progression and Suppress Lung Metastases in Mouse Models of Breast Cancer / P. Korangath, L. Jin, C. T. Yang, S. Healy, X. Guo, S. Ke, C. Grüttner, C. Hu, K. Gabrielson, J. Foote, R. Clarke, R. Ivkov // ACS Nano. — 2024. Vol. 18. — P. 10509–10526.
4. Sun H. Cu²⁺-Citrate-Chitosan Complex Nanoparticles for the Chemodynamic Therapy of Lung Cancer / H. Sun, L. Zhang, N. Zhao, H. Xin // ACS Omega. — 2024. Vol. 9. — P. 8425–8433.
5. Chin Y. C. Iron oxide@chlorophyll clustered nanoparticles eliminate bladder cancer by photodynamic immunotherapy-initiated ferroptosis and immunostimulation / Y. C. Chin, L. X. Yang, F. T. Hsu, C. W. Hsu, T. W. Chang, H. Y. Chen, L. Y. Chen, Z. C. Chia, C. H. Hung, W. C. Su, Y. C. Chiu, C. C. Huang, M. Y. Liao // Journal of Nanobiotechnology. — 2022. Vol. 20. — P. 1–18.
6. Deng Z. Gold nanoparticles exhibit anti-osteoarthritic effects via modulating interaction of the «microbiota-gut-joint» axis / Z. Deng, C. Yang, T. Xiang, C. Dou, D. Sun, Q. Dai, Z. Ling, J. Xu, F. Luo, Y. Chen // Journal of Nanobiotechnology. — 2024. Vol. 22. — P. 1–23.
7. Zhao H. Cobalt-Doped Mesoporous Silica Coated Magnetic Nanoparticles Promoting Accelerated Bone Healing in Distraction Osteogenesis / H. Zhao, Y. Jia, F. Wang, Y. Chai, C. Zhang, J. Xu, Q. Kang // International Journal of Nanomedicine. — 2023. Vol. 18. — P. 2359–2370.
8. Sharda D. Insulin-cobalt core-shell nanoparticles for receptor-targeted bioimaging and diabetic wound healing / D. Sharda, D. Choudhury // RSC Advances. — 2023. Vol. 13. — P. 20321–20335.
9. Choudhury M. Effectiveness of gold nanoparticles in prevention and treatment of oral mucositis in animal models: a systematic review / M. Choudhury, P. Brunton, D. Schwass, D. Pletzer, J. Ratnayake, G. Dias, G. Tompkins // Systematic Reviews. — 2024. Vol. 13. — P. 1–8.