Метод использования микроигл в процессе лечения
Наша кожа была создана для защиты организма от различных вредных и посторонних веществ, поступающих из окружающей среды. В коже есть различные биологические барьеры, в числе те, которые осуществляют защиту на молекулярном уровне. Несмотря на наличие этих биологических барьеров, созданных специально для защиты от воздействия неблагоприятных факторов на наш организм, появление в них «слабых мест» или пренебрежение гигиеной могут приводить к развитию различных болезней. В этом случае, для скорейшего выздоровления и предупреждения каких-либо осложнений возникает необходимость в приеме лекарственных препаратов. В фармацевтической отрасли, являющейся одной их самых больших в мире, значительные средства вкладываются в разработку более дешевых и эффективных препаратов и способов лечения.
Для того чтобы входящие в состав лекарств молекулы могли помочь в выздоровлении, им сначала необходимо преодолеть защитный механизм нашего организма. Иногда то, каким способом и методом недавно разработанный или произведенный препарат следует вводить в организм, имеет не меньшее значение, чем природа самого лекарственного препарата. Преимущества и недостатки различных способов приема лекарств, включая пероральный прием в виде капсул, введение инъекций, смазывание кожи и прием в виде капель, связаны с защитной системой нашего организма. В результате изучения этой системы, исследуются возможности преодоления преград для поступления лекарственных препаратов в организм. Это позволяет обеспечивать нормальную работу защитной системы и выявить самый эффективный способ поступления в организм того или иного лекарственного препарата.
Кожа – самый важный барьер, предупреждающий попадание в наш организм вредных токсических веществ из воздуха, воды и другой среды, с которой мы можем контактировать. Обладающая абсорбирующими свойствами и выстилающая внутреннюю поверхность кишечника мукоза или защищающий центральную нервную систему гематоэнцефалический барьер представляют собой физиологические механизмы защиты. Так, например, в связи с тем, что часть лекарственных препаратов, принимаемых при таком заболевании, как менингит, и необходимых для уничтожения вызывающих его микробов, не может преодолеть этот барьер, мозг получает повреждения, что может привести даже к летальному исходу.
Для того чтобы входящие в состав лекарственного препарата молекулы достигли микроба, вызывающего болезнь, они сначала должны достичь, а затем преодолеть этот совершенный биохимический барьер, состоящий из бесчисленного количества энзимов. В связи с наличием такого рода преград, молекулы лекарственных препаратов должны быть разработаны с максимально подходящими физическими и химическими характеристиками. Для того чтобы эти молекулы могли достичь больных клеток и тканей и преодолеть характерные для природы нашего организма биологические препятствия, они должны быть подходящей величины, позволяющей им проникнуть в организм через поры кожи, иметь электрический заряд, обеспечивающий их принятие тканями, и быть гидрофильными (обладать способностью хорошо впитывать воду).
Существуют разные способы доставки лекарства в организм человека: пероральный, ингаляционный, инъекционный и внутрикожный, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
При пероральном приеме лекарств, молекулы препарата должны преодолеть весь эпителиальный слой органов пищеварительной системы. В связи с этим существует ряд факторов, которые необходимо учитывать для того, чтобы лекарство могло легко преодолеть преграду в виде мукозы кишечника и оказать более эффективное воздействие. В связи с тем, что в состав большей части новых лекарственных препаратов на рынке входят высокомолекулярные пептиды и белки, они должны быть значительно большего размера, чем обычные низкомолекулярные лекарственные средства, что делает их пероральное употребление невозможным.
Несмотря на то, что традиционный инъекционный метод обеспечивает большую биологическую пользу лекарства, в связи с тем, что такой метод является более болезненным, и существует вероятность негативных последствий вследствие попадания иглы в неправильное место, пациенты часто его избегают. Помимо этого, подкожные инъекции приводят к образованию опасных медицинских отходов, и использование одной и той же иглы для разных пациентов, что особенно имеет место в развивающихся странах, несет в себе риск заражения.
В связи с тем, что лекарства, вводимые через кожу, не требуют хирургического вмешательства или могут применяться путем нанесения небольшого надреза, они занимают в последние годы важное место во многих схемах лечения. Лекарства с таким методом введения легче проникают в кожу, не оказывают какого-либо влияния на систему пищеварения и могут применяться пациентами самостоятельно, что обусловило их популярность и большие преимущества в сравнении с другими методами.
Однако наша кожа представляет собой достаточно прочный барьер. Наружный слой кожи – Stratum corneum – называют роговым. Он по большей части состоит из слоев отмерших кератиноцитов, погруженных в липидный матрикс. Толщина рогового слоя составляет около 10-15 мкм. Эта многослойная структура представляет собой значительное препятствие для проникновения в организм как препаратов на основе малых водорастворимых молекул, так и на основе молекул с высокой молекулярной массой. Только липид-растворимые липофильные молекулы с низкой молекулярной массой способны преодолеть кожный барьер. В связи с этим, существует потребность в альтернативных методах и препаратах, которые позволили бы управляемо вводить через кожу гидрофильные (водорастворимые) препараты, а также препараты на основе более крупных молекул.
Для более легкого введения лекарства под кожу было испробовано много химических и физических методов, повышающих проницаемость кожи. Как можно понять из названия, микроиглы – это иглы, размер которых измеряется микрометрами (миллионными частями метра), и которые используются для некоторых прививок и введения некоторых лекарств. Исследователи надеются при помощи каналов таких размеров увеличить проницаемость кожи и тем самым преодолеть создаваемый кожей барьер. Помимо этого, возможность тщательного контроля за механической прочностью и длиной микроигл позволит вводить лекарства под кожу безболезненно и без вреда для нервов. Для того чтобы успешно преодолеть кожный барьер, такие микроиглы должны быть достаточно крепкими и прочными. Если они будут эластичными, то не смогут проникнуть в кожу, а если не будут достаточно прочными, то сломаются. При производстве микроигл используются такие материалы, как силикон, стекло, различные металлы (например, нержавеющая сталь, титан, справ никеля и железа) и полимеры. Имеющаяся технология микроигл построена на повторении в микромасштабе геометрии классических игл для подкожных инъекций. Имеющиеся на сегодняшний день разработки представляют собой «лоскут», на котором расположены сотни микроигл, которыми потом воздействуют на кожу для создания микроскопических отверстий. Это позволяет увеличить проницаемость кожи приблизительно в четыре раза, облегчая тем самым проникновение лекарственного препарата под кожу.
В идеале микроиглы должны быть очень тонкими, диаметром не более 10-20 мкм. Однако создать такие тонкие и при этом достаточно прочные иглы очень сложно. К счастью, Всемогущий Создатель сотворил живое существо, которое может стать источником вдохновения для инженеров, – самка комара.
Самыми «продвинутыми микроиглами» в мире обладают комары. В связи с этим, для того чтобы при создании микроиглы имитировать укус самки комара, ученые и инженеры начали исследовать процесс того, как комар при укусе вводит под кожу слюну, содержащую специальный фермент, препятствующий сворачиванию крови и вызывающий покраснение и зуд, и начинает сосать кровь. Если ученым удастся повторить этот совершенный процесс, которым наделена самка комара, то они смогут значительно продвинуться в вопросе безболезненного забора крови и введения лекарственных препаратов. Некоторые исследователи из Государственного Университета Северной Каролины отмечают, что если удастся создать безболезненные иглы, то это значительно облегчит жизнь миллионов людей, страдающих сахарным диабетом и вынужденных по нескольку раз в день сдавать анализ крови для контроля уровня глюкозы.
Жало комара состоит из двух основных отделов – длинного хоботка и пучка нервных волокон. Общее строение жала самки комара, которое для невооруженного глаза выглядит тонким темным острием, на самом деле представляет собой пучок тонких полых и неполых трубок, защищенных специальным защитным чехлом в форме хоботка. Человеческая кровь нужна самкам комара для воспроизводства яиц. Самцы питаются цветочным нектаром.
Микроиглы разрабатываются, имитируя способность комариного жала проникать в кожу и высасывать кровь. Это может подсказать путь к безболезненному лечению многих болезней. Однако несмотря на то, что жало комара может на первый взгляд показаться нам простым, для создания похожих на него микроигл необходимы знания в области химии, материаловедения, механической, статической и динамической инженерии, гидродинамики т.д.
После того как вместе со всеми необходимыми научными и технологическими знаниями будут решены сложности, связанные с серийным производством, можно будет перейти к стадии производства таких игл в необходимом количестве, дабы все, кто испытывает необходимость, имели возможность их приобрести. Самая большая трудность при производстве заключается в том, что при уменьшении создаваемого объекта, приходится «жертвовать» прочностью и точностью. Все это помогает нам лучше понять мудрость Аллаха, Который в Священном Коране приводит в пример комара и напоминает тем, кто пытается соперничать с Ним в вопросе сотворения, о том, что «они не способны создать даже комара».
«Воистину, Аллаху не зазорно приводить в качестве примера притчи о комаре или даже том, что меньше него. Те, кто уверовал, знают, что это – истина от их Господа. Те же, кто не уверовал, скажут: «Чего хотел Аллах, приводя эту притчу?». Посредством нее Он многих вводит в заблуждение, а многих наставляет на прямой путь. Однако Он вводит в заблуждение только нечестивцев» (Св. Коран, 2:26).
