Липосома — это небольшая искусственная везикула сферической формы, имеющая по крайней мере один липидный бислой . [2] Благодаря своей гидрофобности и/или гидрофильности, биосовместимости, размеру частиц и многим другим свойствам, [2] липосомы могут использоваться в качестве средств доставки лекарств для введения фармацевтических препаратов и питательных веществ , [3] таких как липидные наночастицы в вакцинах мРНК и вакцинах ДНК . Липосомы могут быть получены путем разрушения биологических мембран (например, путем обработки ультразвуком ).
Липосомы чаще всего состоят из фосфолипидов , [4] особенно фосфатидилхолина и холестерина , [2], но могут также включать другие липиды, такие как те, что содержатся в яйце и фосфатидилэтаноламине , при условии, что они совместимы со структурой липидного бислоя . [5] Конструкция липосомы может использовать поверхностные лиганды для прикрепления к желаемым клеткам или тканям. [1]
На основе структуры везикул существует семь основных категорий липосом: многослойные большие (MLV), олигослойные (OLV), малые однослойные (SUV), средние однослойные (MUV), большие однослойные (LUV), гигантские однослойные (GUV) и мультивезикулярные везикулы (MVV). [6] Основными типами липосом являются многослойные везикулы (MLV, с несколькими липидными бислоями пластинчатой фазы ), малые однослойные липосомные везикулы (SUV, с одним липидным бислоем ), большие однослойные везикулы (LUV) и кохлеатные везикулы. Менее желательной формой являются мультивезикулярные липосомы, в которых одна везикула содержит одну или несколько более мелких везикул.
Липосомы не следует путать с лизосомами или с мицеллами и обратными мицеллами . [8] В отличие от липосом, мицеллы обычно содержат монослой жирных кислот или поверхностно-активных веществ. [9]
Слово «липосома» происходит от двух греческих слов: lipo («жир») и soma («тело»); оно так названо потому, что в его состав в основном входят фосфолипиды.
Липосомы были впервые описаны британским гематологом Алеком Дугласом Бэнгхэмом [10] [11] [12] в 1961 году в Институте Бабрахама в Кембридже — результаты были опубликованы в 1964 году. Открытие произошло, когда Бэнгхэм и Р. У. Хорн тестировали новый электронный микроскоп института , добавляя негативный краситель к сухим фосфолипидам. Сходство с плазмалеммой было очевидным, и микроскопические изображения предоставили первое доказательство того, что клеточная мембрана представляет собой двухслойную липидную структуру. В следующем году Бэнгхэм, его коллега Малкольм Стэндиш и Джеральд Вайсман , американский врач, установили целостность этой закрытой двухслойной структуры и ее способность высвобождать свое содержимое после обработки детергентом (структурно-связанная латентность). [13] Во время дискуссии в пабе Кембриджа с Бэнгхэмом Вайсманн впервые назвал структуры «липосомами» в честь того, что изучала лаборатория, лизосомы: простой органеллы, чья структурно-связанная латентность могла быть нарушена детергентами и стрептолизинами. [14] Липосомы легко отличить от мицелл и гексагональных липидных фаз с помощью негативного окрашивания в просвечивающей электронной микроскопии. [15]
Бэнгхэм с коллегами Джеффом Уоткинсом и Стэндишем написали статью 1965 года, которая фактически запустила то, что впоследствии стало липосомной «индустрией». Примерно в то же время Вайсманн присоединился к Бэнгхэму в Babraham. Позже Вайсманн, тогда почетный профессор Медицинской школы Нью-Йоркского университета, вспоминал, как они вдвоем сидели в пабе Кембриджа, размышляя о роли липидных слоев в разделении внутренней части клетки от ее внешней среды. Они чувствовали, что это понимание будет для функции клетки тем же, чем открытие двойной спирали стало для генетики. Поскольку Бэнгхэм называл свои липидные структуры «мультиламеллярными смектическими мезофазами» или иногда «Бангхасомами», Вайсманн предложил более удобный термин липосома. [16] [17]
Липосома имеет ядро из водного раствора, окруженное гидрофобной мембраной в форме липидного бислоя ; гидрофильные растворенные вещества, растворенные в ядре, не могут легко пройти через бислой. Гидрофобные химические вещества связываются с бислоем. Это свойство можно использовать для загрузки липосом гидрофобными и/или гидрофильными молекулами, процесс, известный как инкапсуляция. [18] Обычно липосомы готовятся в растворе, содержащем соединение, которое должно быть захвачено, которое может быть либо водным раствором для инкапсуляции гидрофильных соединений, таких как белки, [19] [20] или растворами в органических растворителях, смешанных с липидами, для инкапсуляции гидрофобных молекул. Методы инкапсуляции можно разделить на два типа: пассивные, которые основаны на стохастическом улавливании молекул во время формирования липосом, и активные, которые основаны на наличии заряженных липидов или трансмембранных ионных градиентов. [18] Важнейшим параметром для рассмотрения является «эффективность инкапсуляции», которая определяется как количество соединения, присутствующего в растворе липосом, деленное на общее начальное количество соединения, использованного во время приготовления. [21] В более поздних разработках применение липосом в экспериментах с отдельными молекулами ввело концепцию «эффективности инкапсуляции отдельных сущностей». Этот термин относится к вероятности того, что конкретная липосома содержит необходимое количество копий соединения. [22]
Чтобы доставить молекулы к месту действия, липидный бислой может сливаться с другими бислоями, такими как клеточная мембрана , таким образом доставляя содержимое липосомы; однако это сложное и не спонтанное событие [23] , которое не относится к доставке питательных веществ и лекарств. При подготовке липосом в растворе ДНК или лекарств (которые обычно не могут диффундировать через мембрану) они могут быть (без разбора) доставлены мимо липидного бислоя. [24] Липосомы также могут быть разработаны для доставки лекарств другими способами. Липосомы, которые содержат низкий (или высокий) pH , могут быть сконструированы таким образом, что растворенные водные лекарства будут заряжены в растворе (т. е. pH находится за пределами диапазона pI лекарства ). Поскольку pH естественным образом нейтрализуется внутри липосомы ( протоны могут проходить через некоторые мембраны), лекарство также будет нейтрализовано, что позволит ему свободно проходить через мембрану. Эти липосомы работают для доставки лекарств путем диффузии , а не путем прямого слияния клеток. Однако эффективность этого регулируемого pH перехода зависит от физико-химической природы рассматриваемого препарата (например, pKa и наличия основной или кислотной природы), которая для многих препаратов очень низка.
Аналогичный подход может быть использован при биодетоксикации лекарств путем инъекции пустых липосом с трансмембранным градиентом pH. В этом случае везикулы действуют как поглотители, чтобы очистить лекарство в кровотоке и предотвратить его токсическое действие. [25] Другая стратегия доставки лекарств с помощью липосом заключается в нацеливании на события эндоцитоза . Липосомы могут быть изготовлены в определенном диапазоне размеров, что делает их жизнеспособными мишенями для естественного фагоцитоза макрофагов . Эти липосомы могут перевариваться , находясь в фагосоме макрофагов , таким образом высвобождая свое лекарство. Липосомы также могут быть декорированы опсонинами и лигандами для активации эндоцитоза в других типах клеток.
Что касается pH-чувствительных липосом, существует три механизма доставки лекарств внутри клетки, которые происходят посредством эндоцитоза. [26] Это возможно из-за кислой среды внутри эндосом. [26] Первый механизм заключается в дестабилизации липосомы внутри эндосомы, что вызывает образование пор на эндосомальной мембране и позволяет липосоме и ее содержимому диффузироваться в цитоплазму. [26] Другой механизм заключается в высвобождении инкапсулированного содержимого внутри эндосомы, в конечном итоге диффундирующего в цитоплазму через эндосомальную мембрану. [26] Наконец, мембрана липосомы и эндосомы сливаются вместе, высвобождая инкапсулированное содержимое в цитоплазму и избегая деградации на лизосомальном уровне из-за минимального времени контакта. [26]
Некоторые противораковые препараты, такие как доксорубицин (Доксил) и даунорубицин, могут вводиться инкапсулированными в липосомы. Липосомальный цисплатин получил обозначение орфанного препарата для лечения рака поджелудочной железы от EMEA. [27] Исследование представляет многообещающую доклиническую демонстрацию эффективности и простоты приготовления иммунолипосом, загруженных валрубицином (Val-IL), в качестве новой технологии наночастиц. В контексте гематологических раковых заболеваний Val-IL могут быть использованы в качестве точной и эффективной терапии, основанной на целенаправленной гибели клеток, опосредованной везикулами. [28]
Использование липосом для трансформации или трансфекции ДНК в клетку-хозяина известно как липофекция .
Помимо доставки генов и лекарств, липосомы могут использоваться в качестве носителей для доставки красителей в текстильные изделия, [29] пестицидов в растения, ферментов и пищевых добавок в продукты питания, а также косметики в кожу. [30]
Липосомы также используются в качестве внешних оболочек некоторых микропузырьковых контрастных веществ, используемых в ультразвуковой диагностике с контрастным усилением .
До недавнего времени клиническое использование липосом было направлено на целевую доставку лекарств , но разрабатываются новые приложения для пероральной доставки определенных диетических и пищевых добавок. [31] Это новое применение липосом отчасти обусловлено низкими показателями абсорбции и биодоступности традиционных пероральных диетических и питательных таблеток и капсул. Низкая пероральная биодоступность и абсорбция многих питательных веществ клинически хорошо документирована. [32] Таким образом, естественная инкапсуляция липофильных и гидрофильных питательных веществ в липосомах была бы эффективным методом обхода деструктивных элементов желудочной системы и тонкого кишечника, позволяя инкапсулированным питательным веществам эффективно доставляться в клетки и ткани. [33]
Термин «нутрицевтик» объединяет слова «питательный» и «фармацевтический» , первоначально придуманный Стивеном ДеФелисом, который определил нутрицевтики как «пища или часть пищи, которая обеспечивает медицинскую или оздоровительную пользу, включая профилактику и/или лечение заболевания». [34] Однако в настоящее время пока нет окончательного определения нутрицевтиков, чтобы отличить их от других категорий пищевых продуктов, таких как пищевые (диетические) добавки, растительные продукты, пре- и пробиотики, функциональные продукты питания и обогащенные продукты питания. [35] Как правило, этот термин используется для описания любого продукта, полученного из пищевых источников, который, как ожидается, обеспечит пользу для здоровья в дополнение к пищевой ценности ежедневного питания. В этих продуктах может присутствовать широкий спектр питательных веществ или других веществ с питательными или физиологическими эффектами (Директива ЕС 2002/46/EC), включая витамины , минералы , аминокислоты , незаменимые жирные кислоты , волокна и различные растения и травяные экстракты. Липосомальные нутрицевтики содержат биоактивные соединения с эффектами, способствующими укреплению здоровья. Инкапсуляция биоактивных соединений в липосомы привлекательна, поскольку липосомы, как было показано, способны преодолевать серьезные препятствия, с которыми биоактивные вещества в противном случае столкнулись бы в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) при пероральном приеме. [36]
Определенные факторы оказывают далеко идущие последствия на процент липосом, которые получаются в процессе производства, а также на фактическое количество реализованного захвата липосом и фактическое качество и долгосрочную стабильность самих липосом. [37] Они следующие: (1) Фактический метод производства и подготовки самих липосом; (2) Состав, качество и тип сырого фосфолипида, используемого при формулировании и производстве липосом; (3) Возможность создания однородных размеров липосомных частиц, которые стабильны и удерживают свою инкапсулированную полезную нагрузку. Это основные элементы в разработке эффективных носителей липосом для использования в диетических и пищевых добавках.
Выбор метода приготовления липосом зависит, в частности, от следующих параметров: [38] [39]
Полезные липосомы редко образуются спонтанно. Обычно они образуются после подачи достаточного количества энергии в дисперсию (фосфо)липидов в полярном растворителе, таком как вода, для разрушения многослойных агрегатов в олиго- или однослойные двухслойные везикулы. [5] [24]
Липосомы, следовательно, могут быть созданы путем обработки ультразвуком дисперсии амфипатических липидов, таких как фосфолипиды , в воде. [8] Низкие скорости сдвига создают многослойные липосомы. Исходные агрегаты, которые имеют много слоев, как луковица, тем самым постепенно формируют меньшие и, в конечном итоге, однослойные липосомы (которые часто нестабильны из-за их малого размера и дефектов, созданных ультразвуком). Ультразвук обычно считается «грубым» методом приготовления, поскольку он может повредить структуру инкапсулируемого препарата. Более новые методы, такие как экструзия, микросмешивание [40] [41] [42] и метод Мозафари [43] , используются для производства материалов для использования человеком. Использование липидов, отличных от фосфатидилхолина, может значительно облегчить приготовление липосом. [5]
Дальнейшие достижения в исследовании липосом позволили липосомам избегать обнаружения иммунной системой организма, в частности, клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). Эти липосомы известны как « липосомы-невидимки ». Они были впервые предложены Г. Чевком и Г. Блюмом [44] и, независимо и вскоре после этого, группами Л. Хуанга и Владимира Торчилина [45] и сконструированы с использованием ПЭГ ( полиэтиленгликоля ), покрывающего внешнюю часть мембраны. Покрытие ПЭГ, которое инертно в организме, обеспечивает более длительную циркуляцию для механизма доставки лекарств. Исследования также показали, что ПЭГилированные липосомы вызывают антитела против IgM, что приводит к улучшению клиренса липосом из крови при повторной инъекции в зависимости от дозы липидов и временного интервала между инъекциями. [46] [47] В дополнение к покрытию ПЭГ, некоторые скрытые липосомы также имеют некий вид биологических видов, прикрепленных в качестве лиганда к липосоме, чтобы обеспечить связывание посредством специфической экспрессии на целевом участке доставки лекарств. Эти целевые лиганды могут быть моноклональными антителами (что делает иммунолипосому ), витаминами или специфическими антигенами , но они должны быть доступны. [48] Целевые липосомы могут быть нацелены на определенный тип клеток в организме и доставлять лекарства, которые в противном случае были бы доставлены системно. Естественно токсичные лекарства могут быть гораздо менее системно токсичными, если доставляться только в больные ткани. Полимерсомы , морфологически связанные с липосомами, также могут использоваться таким образом. Также морфологически связанные с липосомами, являются высокодеформируемые везикулы, предназначенные для неинвазивной трансдермальной доставки материалов, известные как трансферсомы . [49]
Липосомы используются в качестве моделей искусственных клеток.
Липосомы могут использоваться сами по себе или в сочетании с традиционными антибиотиками в качестве нейтрализующих агентов бактериальных токсинов. Многие бактериальные токсины эволюционировали, чтобы нацеливаться на определенные липиды мембраны клеток-хозяев, и их можно заманить и нейтрализовать с помощью липосом, содержащих эти определенные липидные мишени. [50]
Исследование, опубликованное в мае 2018 года, также изучало потенциальное использование липосом в качестве «наноносителей» питательных веществ для лечения истощенных или больных растений. Результаты показали, что эти синтетические частицы «легче впитываются в листья растений, чем чистые питательные вещества», что еще раз подтверждает использование нанотехнологий для повышения урожайности. [51] [52]
Машинное обучение начало вносить вклад в исследования липосом. Например, глубокое обучение использовалось для мониторинга многошагового биоанализа, содержащего липосомы, загруженные сахарозой и нуклеотидами, взаимодействующие с липидным мембрано-перфорирующим пептидом . [53] Искусственные нейронные сети также использовались для оптимизации параметров формулирования липосом, загруженных ацетатом лейпролида [54], и для прогнозирования размера частиц и индекса полидисперсности липосом. [55]