Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из проблемных областей современной фармакологии является анализ фармакокинетического взаимодействия лекарственных средств и разработка схем рациональной фармакотерапии при комплексном назначении лекарственных препаратов. Актуальность проблемы обусловлена сложившейся практикой полифармакотерапии различных заболеваний и патологических состояний, а также многообразием лекарственных средств на современном фармацевтическом рынке, что делает проблему анализа лекарственных взаимодействий чрезвычайно сложной для решения. С внедрением в медицинскую практику продукции нанотехнологий к существующим аспектам проблемы в ближайшее время может добавиться новый, который можно обозначить как взаимодействие наночастиц и фармакотерапевтических средств в условиях их совместного назначения.
В настоящее время данная проблема еще не проявила себя в полной мере по ряду причин. Во-первых, большинство препаратов на основе наноматериалов находятся в стадии экспериментальной разработки, и клинический опыт их применения практически отсутствует или является недостаточным. Во-вторых, при создании нанопрепаратов, как правило, основное внимание разработчиков сосредоточено на повышении специфической активности создаваемых продуктов, как то адресность доставки лекарств, эффективность газотранспорта и др. (Freitas R.A., 2005; Шляхто Е.В. и др., 2009; Пиотровский Л.Б., 2009). При этом в стороне остается вопрос о возможности взаимодействия наносистем с малыми молекулами, циркулирующими в кровотоке, в том числе с лекарственными веществами и биологически активными соединениями. Результатом таких взаимодействий может стать модификация параметров фармакокинетики лекарств, изменение эффективных доз, искажение фармакодинамических эффектов, появление побочных реакций, а также нарушение гомеостаза биологически активных молекул.
Проблема фармакокинетических взаимодействий лекарственных веществ и наносистем является новой и требует разработки подходов к ее анализу, поскольку объектом исследования является особый вид лекарственных взаимодействий, который ранее не изучался. Представляется, что важную роль во взаимодействии наночастиц с малыми молекулами будут играть поверхностно-активные процессы, в частности адсорбция, поскольку высокая сорбционная активность является характерным свойством наночастиц в целом (Белоусов А.Н., 2003; Belgorodsky В. et al., 2005; Тутельян В.А., 2008; 2010).
Многообразие лекарственных веществ делает нерешаемой задачу экспериментальной оценки всех возможных комбинаций лекарств и нанопрепаратов в условиях их совместного применения. Представляется, что поиск путей решения проблемы следует искать в раскрытии общих закономерностей явления и построения
на их основе моделей, позволяющих прогнозировать тенденции фармакокинетических изменений в условиях in vivo.
Разработке методической базы для исследования биологического действия наноматериалов уделяется большое значение в современной фармакологии и токсикологии. Так, «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» (2007) подчеркивает, что для оценки биологических эффектов наноматериалов, помимо исследований на животных, необходимо использовать современные достижения биоинформатики, а также модельные эксперименты in vitro и in vivo. Вместе с тем, зачастую остается открытым вопрос экстраполяции результатов, полученных в экспериментах на модельных системах, на уровень целого организма. Представляется, что проведение комплексного исследования на разных уровнях организации живых систем с последующим анализом взаимосвязей между полученными данными будет способствовать поиску конструктивных решений в этом направлении. В частности, комплексный разноуровневый анализ влияния наносистемы на параметры фармакокинетики лекарственных веществ позволит не только выделить процессы, определяющие характер взаимодействий, но также будет способствовать установлению общих закономерностей и позволит выйти на уровень прогнозирования эффектов интерференции в условиях целого организма.
Предиктивная методология интенсивно развивается в фармакологических исследованиях последних лет (Бородина Ю.В. и др., 2003; Chang С. et al., 2009; Kharkar P.S., 2010). Современные информационные технологии позволяют не только анализировать большие массивы данных, но и создавать виртуальные молекулярные модели высокой сложности. Интеграция знаний квантовой и физической химии в различного рода программные продукты дает возможность выполнять расчеты физико-химических свойств соединений in silico (с помощью компьютера) на основе лишь знания химической структуры. Краеугольным камнем предиктивнои методологии является количественный анализ связи «структура - активность» (Quantitative Structure Activity Relationships, QSAR) в различных его модификациях (Poroikov V. et al., 2003; 2005;2007; Fjodorova N. et al., 2008; Baskin I. et al., 2008; Hardy B. et al., 2010). Технологии in silico находят широкое применение при прогнозировании параметров фармакокинетики, что позволяет на ранних этапах разработки лекарственных средств отбраковывать соединения с заведомо неприемлемыми характеристиками абсорбции, распределения, метаболизма, элиминации или токсичности (Absorption - Distribution - Metabolism - Excretion -Toxicity, ADMET) (Hou T. et al., 2003, 2007; Geerts T. et al., 2011).
Применение технологий высокопроизводительного скрининга, в том числе с использованием методов in silico, многократно повысило эффективность разработки новых лекарственных средств и способствовало прорыву в области фармацевтики. Вместе с тем, среди огромного количества публикаций, обращающихся к
использованию QSAR-технологий и к прогнозированию AD МЕТ-профиля, относительно небольшая часть работ посвящена фармакокинетическому анализу лекарственных взаимодействий. Вопросы фармакокинетического взаимодействия лекарственных веществ и наносистем в литературе практически не отражены.
При проведении настоящего исследования в качестве модельного прототипа наносистемы был выбран отечественный препарат «Перфторан», представляющий собой наноэмульсию перфторуглеродов. Перфторан зарегистрирован в Российской Федерации в качестве трансфузионного средства с газотранспортными свойствами. На сегодняшний день российский перфторан - это единственный в мире искусственный кровезаменитель, прошедший все фазы клинических испытаний и разрешенный для медицинского применения. В лечебных учреждениях России и стран СНГ накоплен значительный положительный опыт применения перфторана в хирургической практике, в комплексной терапии неотложных состояний, в клинике внутренних болезней, в онкологии, трансплантологии, токсикологии и других областях медицины (Богданова Л.А. и др., 2004; Шилов В.В. и др., 2004; Мороз В.В. и др., 2007; Кричевский А.Л., 2007; Усенко Л.В. и др., 2007; Селиванов Е.А. и др., 2008).
Идентификация перфторана как наносистемы представляется вполне правомочной. Во-первых, по своим размерным параметрам эмульсия перфторан удовлетворяет критериям, предъявляемым к наночастицам, а именно - размер хотя бы в одном из измерений менее 100 нм (Концепция токсикологических исследований ..., 2007). По данным малоуглового рентгеновского рассеяния, частицы эмульсии представляют собой сферы диаметром, в среднем, 50-70 нм (Вазина А.А. и др., 2004). Во-вторых, перфторан обладает рядом свойств, которыми не обладают входящие в его состав компоненты в форме сплошных фаз (Терешина Е.В., 1994, 2002; Rafikova О. et al., 2004; Кузнецова И.Н., 2007; Иваницкий Г.Р., 2008; Воробьев СИ., 2010). Перечисленные доводы позволяют рассматривать наноэмульсию перфторан как адекватный модельный прототип наносистем для исследования взаимодействий наночастиц и фармакотерапевтических средств в традиционных лекарственных формах. Важным обстоятельством, обусловившим выбор перфторана в качестве модельной наносистемы, является и то, что кровезаменитель производится промышленным способом (ОАО НПФ «Перфторан», Пущино, Московская обл.), что служит гарантией качества и стандартизации препарата.
Учитывая обширный клинический опыт и разнообразие показаний к назначению перфторана, в том числе в интенсивной терапии и при неотложных состояниях, анализ фармакокинетического взаимодействия наноэмульсии и лекарственных веществ приобретает не только фундаментальное, но и вполне отчетливое прикладное значение.
Применение системного подхода к анализу взаимовлияния перфторана и лекарственных веществ позволит не только выделить факторы, определяющие их
фармакокинетическое взаимодействие, но и рассмотреть эффекты во взаимосвязи и взаимообусловленности как основу для формирования прогнозирующей модели. Проведенный анализ будет способствовать формированию представлений о механизмах лекарственных взаимодействий наночастиц и фармакотерапевтических средств, а также позволит раскрыть их зависимость от индивидуальных характеристик лекарственных соединений.
Цель исследования: экспериментально-теоретическое обоснование подходов к
прогнозированию фармакокинетических взаимодействий наноэмульсии
перфторуглеродов (перфторана) и лекарственных средств в условиях совместного назначения.
Задачи исследования:
Исследовать фармакокинетику лекарственных веществ при сочетанном введении с наноэмульсией перфторуглеродов в экспериментах на животных и охарактеризовать эффект фармакокинетического взаимодействия.
Охарактеризовать взаимодействие лекарственных веществ с наноэмульсией перфторан и с естественным транспортным белком крови альбумином в модельных экспериментах in vitro. Сравнить параметры взаимодействия лекарственных веществ с наноэмульсией и с альбумином.
Проанализировать зависимость изменений фармакокинетики лекарственных веществ от параметров взаимодействия с перфтораном, с альбумином и от физико-химических свойств лигандов.
Разработать систему прогнозирования изменений фармакокинетики лекарственных веществ под влиянием наноэмульсии перфторан с использованием всей совокупности данных, полученных in vivo, in vitro и in silico.
Сформулировать предложения по предупреждению негативных проявлений лекарственных взаимодействий при совместном назначении фармакотерапевтических средств и наноэмульсии перфторан.
Основные положения, выносимые на защиту:
Фармакокинетическое взаимодействие лекарственных веществ и наноэмульсии перфторуглеродов перфторана в условиях сочетанного введения проявляется на этапе транспорта и распределения в форме увеличения, уменьшения или отсутствия изменений суммарной наблюдаемой концентрации лекарств в крови животных.
Наноэмульсия перфторуглеродов in vitro обладает селективной адсорбционной активностью в отношении лекарственных веществ, которая определяется липофильностью и полярными свойствами лигандов, и проявляется перераспределением свободных лигандов в диализной системе в зависимости от характера взаимодействия лигандов с частицами наноэмульсии.
Перфторан и альбумин обладают сопоставимыми значениями констант сродства к лигандам и показателями сорбционной емкости, что создает предпосылки
для конкуренции между ними за связывание лекарственных веществ. Адсорбция свободных лигандов частицами наноэмульсии приводит к изменению равновесных концентраций в системе «альбумин - лиганд - перфторан» и является движущей силой перераспределения лекарственных соединений.
Характер фармакокинетических изменений на этапе транспорта и распределения лекарственных веществ в условиях их сочетанного применения с наноэмульсией перфторуглеродов определяется совокупностью параметров адсорбции частицами наноэмульсии, связывания с альбумином и комплексом физико-химических свойств лигандов.
Уравнения регрессии, разработанные на основе физико-химических свойств лигандов, параметров их адсорбции перфтораном и характеристик связывания с альбумином, позволяют прогнозировать направленность изменений концентраций лекарственных веществ в крови в условиях их совместного применения с наноэмульсией перфторуглеродов.
Научная новизна исследования
Впервые установлено и количественно охарактеризовано явление фармакокинетической интерференции наноэмульсии перфторуглеродов и лекарственных веществ в условиях их сочетанного назначения.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что в основе модифицирующего влияния перфторана на параметры распределения лекарственных веществ лежит селективная адсорбционная активность эмульсии перфторуглеродов, обусловленная наноразмерными параметрами частиц.
Впервые исследована и охарактеризована адсорбционная способность перфторана в отношении лекарственных веществ, обладающих различными физико-химическими свойствами, и проанализирована зависимость между свойствами лигандов и их адсорбционной способностью. Показано, что, в зависимости от физико-химических свойств, лекарственные вещества могут активно адсорбироваться наночастицами эмульсии перфторуглеродов, быть индифферентными по отношению к ней, либо проявлять отрицательное сродство к эмульсии.
Установлена и количественно охарактеризована в условиях сочетанного применения перфторана и лекарственных веществ обусловленность паттернов фармакокинетических изменений физико-химическим профилем лекарственных веществ, а также характером их взаимодействия с частицами наноэмульсии и с сывороточным альбумином.
Знание причинно-следственных связей, лежащих в основе фармако-кинетического взаимодействия лекарственных веществ и наносистем, позволяет не только понять механизм данного явления, но и дает возможность им управлять, то есть прогнозировать результирующий биологический эффект.
Результаты проведенного исследования служат экспериментально-теоретическим обоснованием постановки новой проблемы фармакологии и
наномедицины, которую можно определить как исследование взаимодействий наносистем с малыми молекулами в условиях их совместной циркуляции в организме.
Практическая значимость
На основе эмпирических исследований и статистического анализа разработаны и внедрены методические рекомендации для клинической практики, направленные на предупреждение нежелательных эффектов фармакокинетического взаимодействия лекарственных веществ и перфторана в условиях их совместного назначения.
Разработан комплексный подход к прогнозированию эффектов фармакокинетической интерференции лекарственных веществ и наносистем, опирающийся на максимальное использование данных, полученных в опытах in vitro и рассчитанных методами in silico, и в конечном итоге устанавливающий зависимость фармакокинетических откликов на этапе транспорта и распределения от физико-химических свойств лигандов.
Разработанная методология прогнозирования фармакокинетической интерференции направлена на создание схем рациональной фармакотерапии с использованием наноматериалов, повышение эффективности лечения и снижение нежелательных проявлений лекарственных взаимодействий, что будет способствовать внедрению в медицину и фармакологию инновационных разработок, основанных на достижениях нанотехнологий и наномедицины.
Принципы анализа и прогнозирования, положенные в основу разработанного методического подхода, могут быть использованы при оценке взаимодействий лекарственных веществ с другими наносистемами, а также при исследовании совместных эффектов лекарственных соединений и наносистем на уровне фармакокинетических процессов абсорбции, метаболизма, экскреции.
Полученные в работе данные о сорбционных свойствах перфторана могут послужить основой для дальнейших разработок, открывающих новые области применения наноэмульсий перфторуглеродов в качестве систем доставки лекарств в ткани с нарушенной микроциркуляцией, в качестве диагностических зондов в эндовидеотехнологиях, в составе средств экстракорпоральной детоксикации организма и др.
Личный вклад
Автором самостоятельно проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по изучаемой проблеме, планирование и организация научной работы. Во всех работах, выполненных с соавторами, автору принадлежит постановка задачи, концепция основных методов, анализ полученных результатов, непосредственное участие во всех проведенных исследованиях. Основные результаты, представленные в диссертации, получены самим соискателем.
Апробация работы
Основные результаты исследования доложены на следующих научных конференциях: Всероссийская научная конференция «Физиологически активные вещества на основе перфторуглеродов в экспериментальной и клинической медицине» (19-20 июня 2001, СПб); 2 Международная конференция «Клинические исследования лекарственных средств в России» (20-22 ноября 2002, Москва); International visions on blood substitutes I Comprising the 5th International Symposium on "Current Issues in Blood Substitute Research" and the 4th International Course on "From Structural Genomics to Drug Discovery" (September 17-20, 2006, Parma, Italy); Междисциплинарный симпозиум «От экспериментальной биологии к превентивной и интегративной медицине» (17-27 сентября 2006; 17-28 сентября 2007; Судак, Украина); Всероссийской конференции с международным участием «Реаниматология - наука о критических состояниях» (15-17 ноября 2006, Москва); 81 Congress of the European Association for Clinical Pharmacology and Therapeutics (August 29 - September 1, 2007, Amsterdam, Netherland); II Санкт-Петербургский Международный экологический форум «Окружающая среда и здоровье человека» (1-5 июля 2008, Санкт-Петербург); 2 Всероссийская конференция с международным интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии» (8 -10 апреля 2009, Ижевск); III Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (1-4 октября 2009, Ростов-на-Дону); II World Congress of the International Academy of Nanomedicine (October 3-6, 2010, Antalya, Turkey); III Международный форум по нанотехнологиям (1-3 ноября 2010, Москва); V Конгресс фармакологов «Рациональная фармакотерапия и клиническая фармакология» (13-14 октября 2010, Санкт-Петербург); Российская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы токсикологии и радиобиологии» (19-20 мая 2011, Санкт-Петербург); Российская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы трансфузиологии» (7 октября 2011, Санкт-Петербург), на заседаниях Ученого совета НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН (25 мая 2010) и Ученого совета научно-исследовательских лабораторий и научно-исследовательского центра Военно-медицинской академии им. СМ. Кирова (16 июня 2010).
Реализация результатов исследования
На основании результатов проведенного исследования разработаны «Методические рекомендации по оптимизации схем сочетанного применения перфторана и лекарственных средств в клинической практике», утвержденные начальником Главного воєнно-медицинского управления МО РФ (2010). Методические рекомендации разосланы в лечебные учреждения Министерства обороны РФ, в научно-исследовательские институты, учреждения гражданского здравоохранения, в основные библиотечные фонды страны.
Результаты работы внедрены в практическом здравоохранении и в учебном процессе на кафедрах фармакологии и военной токсикологии и медицинской защиты Военно-медицинской академии имени СМ. Кирова при преподавании разделов фармакокинетики и нанотоксикологии.
Публикация результатов исследования
Результаты исследования нашли отражение в 47 научных публикациях, из них - 13 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных исследований.
Объем и структура работы
Диссертация изложена на 293 страницах машинописного текста и состоит из введения, двух глав обзора литературы, описания материалов и методов исследования, пяти глав собственных результатов и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. В диссертации приведены 40 таблиц и 39 рисунков. Список литературы содержит 280 источников, из них 93 отечественных и 187 зарубежных публикаций.
