Настільки чужеродно звучить слово «колоїд» походить від грецького слова «коlla» - клей. Колоїди знайомі нам під іншими назвами. Так, великі молекули протеїнів, полісахаридів і нуклеїнових кислот в нашому організмі є не чим іншим, як колоїдами.
«Кров, шкіра і багато іншого є колоїдні системи, - пояснює професор Маркус Антоніетті з інституту Макса Планка з вивчення колоїдів і граничних поверхонь. - Само собою зрозуміло, що ми беремо природу за зразок, коли створюємо колоїди самі. Тим часом ми можемо робити молекули з різними функціями ».
У хімії полімерів стали можливими нові методи синтезу, за допомогою яких хімічна система може бути нарізана на часточки, що мають розміри в області нанометрів. Тим самим вчені можуть виготовляти колоїдні кульки з полістиролу, на яких вони прикріплюють тисячі щупальцеподібні акцепторів. Такі пасточки з блокполімера, що складається з стиролу і вінілпіридину, дозволяють, наприклад, «вивуджувати» ртуть з крові при отруєнні ртуттю. Колоїди, побудовані таким чином, надзвичайно реакційноздатні. Вони можуть зв'язувати іони важких металів в кількості, що становить до 16 відсотків їх маси.
В даний час в медицині вже використовуються так звані ліпосоми. Ліпосоми схожі на крихітні капсули. Вони складаються з загортання мембрани і внутрішньої порожнини, наповненої активною речовиною, розчинною у воді або в маслі. Оскільки структура ліпосомної оболонки сприймається мембранами клітин як своя, у маленьких транспортних капсул менше проблем при подоланні природних бар'єрів шкіри, ніж у "незапакованних" активних речовин. У глибинних шарах верхньої шкіри ліпосоми повинні віддати свій вантаж активної речовини клітинам, а своєю спорожнілій оболонкою зміцнити міжклітинний простір.
Ліпосоми, або ліпідні бульбашки, відомі давно, та й знайомі, напевно, кожному: дуже схожі на них ті крапельки жиру, які потрапляють у воду, але це, зрозуміло, схожість чисто зовнішня. Ліпосоми представляють собою замкнуті бульбашки води, оточені одним чи декількома шарами ліпідів. Розміри і форма ліпосом залежать від багатьох чинників: кислотності середовища, присутності солей і т.п. Вперше на них звернув увагу англійський дослідник Алек Банг з колегами в 1965 році. Вони помітили, що ліпосоми (ця назва утвердилася року три тому) дуже нагадують мембрани клітин. У ті роки вже було відомо, що клітинні мембрани виконують багато функцій, і ліпосоми відразу ж стали важливим інструментом для їх вивчення. Як моделі мембран, ліпосоми дозволили досліджувати ряд їх властивостей: електричний опір, проникність для молекул води, для іонів та інших заряджених частинок, а також для вмісту клітин. Ліпосоми використовуються, крім того, для вивчення дії на мембрани вітамінів, гормонів, антибіотиків та інших препаратів. Ця сторона справи привернула найбільшу увагу дослідників, оскільки з'ясувалося, що ліпосоми добре справляються з роллю носіїв ліків.
Ліпосоми можуть бути одношаровими (діаметр 250. 300 ангстрем) і багатошаровими (5. 50 мікрометрів). Заштриховані тони - місце знаходження води, світлі - бімолекулярний ліпідний шар, «хвости» складових його молекул звернені всередину шару.
Які ж якості ліпосом дають їм переваги перед іншими носіями ліків? Перш за все, це спорідненість з природними мембранами клітин за хімічним складом. Відомо, що ліпіди, що входять до складу мембран, займають від 20 до 80 відсотків їх маси. Тому при правильному підборі компонентів ліпосом їх введення в організм не викликає негативних реакцій.
Друга важлива властивість ліпосом - це універсальність. Завдяки напівсинтетичній природі можна широко варіювати їх розміри, характеристики, склад поверхні. Це дозволяє доручати ліпосоми переносити широке коло фармакологічно активних речовин: протипухлинні і протимікробні препарати, гормони, ферменти, вакцини, а також додаткові джерела енергії для клітини, генетичний матеріал.
По-третє, ліпосоми порівняно легко руйнуються в організмі, вивільняючи доставлені речовини, але в шляху проходження ліпосоми, самі позбавлені властивостей антигену, надійно вкривають і свій вантаж від контакту з імунною системою і, отже, не викликають захисних і алергічних реакцій організму.
Важливу роль відіграє також характер взаємодії ліпосом з клітинами. Воно може приймати різні форми: найпростіша - ліпосоми адсорбуються (прикріплюються) на клітинній поверхні. Справа може на цьому закінчитися, а може піти далі: ліпосом поглине клітина (цей процес «заковтування» називається ендоцитоз), і разом з нею всередину клітини потраплять ті речовини, які вона доставила. Нарешті, ліпосоми можуть злитися з мембранами клітин і стати їх частиною. При цьому можуть змінюватися властивості клітинних мембран: наприклад, їх в'язкість і проникність, величина електричного заряду. Може також збільшитися або зменшитися кількість каналів, що проходять через мембрани. Таким чином, завдяки ліпосоми з'являється новий спосіб спрямованого впливу на клітину, який можна назвати «мембранної інженерією».
Форми взаємодії ліпосом з мембраною клітини: ліпосоми може збільшити проникність мембрани - викликати утворення додаткових каналів (I); може прикріпитися до мембрани - адсорбуватися (II); важлива форма взаємодії - поглинання ліпосоми кліткою, в цьому випадку речовина, принесене ліпосоми, потрапляє безпосередньо в клітку (III); іноді клітинна мембрана і ліпосоми обмінюються ліпідами (IV), а в інших випадках мембрани ліпосоми і клітини зливаються (V) .Як носії ліків ліпосоми найбільш широке застосування отримали в експериментальної онкології. Суть в тому, що існує ряд препаратів, вельми ефективно руйнують злоякісні клітини або гальмують їх зростання. Однак застосувати їх в терапевтичних цілях не завжди можливо через їх великий токсичності або погану розчинність в воді. За допомогою ліпосом ці труднощі можна подолати. Так, в одній лабораторії за допомогою ліпосом вводили мишам, хворим на лейкемію, нерастворяющуюся препарати і спостерігали уповільнення зростання числа злоякісних клітин. Інші дослідники навантажували ліпосоми антрациклінами: ці речовини активні проти широкого кола злоякісних пухлин, але вельми отруйні для інших тканин, особливо для серцевого м'яза, - і шкідливий вплив цих сполук значно знижувався, що, як наслідок, дозволяло істотно збільшувати їх дози.
Ліпосоми можна використовувати і для боротьби з інфекційними захворюваннями. Звичайний лейшманіоз лікують препаратами сурми, які дуже токсичні. Але коли їх ввели експериментальним тваринам за допомогою ліпосом, то вони стали пригнічувати розмноження збудників хвороби в клітинах печінки в сотні разів ефективніше, ніж зазвичай, а токсична дія на серце і нирки помітно знизилася, що дозволило збільшити дозу препарату. Схожі результати були отримані і при лікуванні схожих на лейшманіоз грибкових захворювань - криптококкоза і гістоплазмозу.
Коли мікроорганізми - збудники хвороб «ховаються» усередині клітин, то тим самим вони захищаються як від імунної системи організму (антитіл), так і від дії ліків. Іноді макрофаги, захопивши хвороботворні бактерії, не можуть їх переварити. У всіх таких випадках захворювання набуває затяжного, хронічного перебігу, і тоді необхідно, щоб лікувальні засоби могли проникати всередину заражених клітин, причому в потрібній для лікування концентрації. Результати експериментів групи американських дослідників, які працювали з макрофагами мишей, заражених бактеріями мишачого черевного тифу, показали, що ліпосоми і тут значно підвищують ефективність лікування: вони доставляли макрофагам антибіотик цефалотин, і число бактерій всередині клітин знизилося набагато сильніше, ніж при обробці таких же клітин чистим антибіотиком. При цьому вдавалося досягти досить високої його концентрації всередині клітин, тобто саме там, де знаходилися збудники захворювання.
Інші дослідники, використовуючи антибіотик гентаміцин, укладений в ліпосоми, отримали такі ж результати проти збудників бруцельозу, причому досліди були проведені як на культурі клітин, так і на тварин - морських свинках.
Таким чином, ліпосоми допомагають довше зберігати високий рівень концентрації лікарських препаратів в крові і в клітинах, а також допомагають їм проникнути в ті області, куди без ліпосом вони потрапити не можуть.
Форми взаємодії ліпосом з клітинами, багато в чому пояснюють їх здатність долати деякі анатомічні бар'єри організму, зокрема, стінки шлунково-кишкового тракту. Ця обставина було використано для лікування цукрового діабету шляхом введення інсуліну преорально в ліпосоми. Досліди проводилися на щурах, у яких попередньо штучним шляхом викликали цукровий діабет, І виявилося, що введення інсуліну в ліпосоми викликало зниження цукру в крові тварин, бо ліпосоми захищають цей гормон від руйнування шлунково-кишковому тракті. В даний час дослідження в цьому напрямку тривають. Мета їх - домогтися можливості лікування діабету введенням інсуліну через рот, що буде великим подарунком для хворих цією важкою недугою.
Були зроблені спроби введення таким методом і інших речовин. Вони не завжди виявлялися вдалі, проте деяких випадках було досягнуто безсумнівний успіх. Так, в дослідах на тваринах вдавалося ввести в ліпосоми через шлунково-кишковий тракт активатори вироблення інтерферону, що руйнує тромби террілітін, вітамін К та інші речовини. Такий шлях введення в організм ряду ліків є вельми перспективним, особливо в тих випадках, коли їх ін'єкції менш бажані або взагалі неможливі. Але поки що не зовсім зрозуміло, чому одні речовини, укладені в ліпосоми, проходять крізь стінку кишечника, а інші цього зробити не можуть. Механізм цього явища в даний час вивчається.
Використання ліпосом для точної, цілеспрямованої доставки лікарських речовин має, однак, і певні обмеження. Після потрапляння в організм більша частина ліпосом поглинається клітинами ретикулоендотеліальної системи, що складається в основному з макрофагів, здатних поглинати з крові сторонні частинки і знищувати (переварювати) їх, що необхідно для підтримання сталості внутрішнього середовища. Найбільше скупчення цих клітин знаходиться в печінці, селезінці, кістковому мозку, лімфатичних вузлах і кровотоку. Тому, якщо мета введення ліпосом полягає в їх контакті з клітинами ретикулоендотеліальної системи, то проблем майже не виникає: ліпосоми туди потраплять (збудники інфекційних захворювань, про лікування яких ми говорили вище, перебували саме в таких клітинах). Якщо ж потрібно, щоб ліпосоми доставили свій вміст в інші місця, то домогтися цього складніше.
Однак дослідження, проведені в останні роки, дозволяють сподіватися на подолання і цієї перешкоди в найближчому майбутньому.
У Всесоюзному кардіологічному науковому центрі, в лабораторії В.П. Торчіліна був здійснений спрямований транспорт ліпосом в зону експериментального інфаркту міокарда. Зробили це за допомогою антитіл до міозин - білку серцевого м'яза. Антитіла були прикріплені хімічно до поверхні ліпосом. Ліпосоми накопичувалися як у зоні інфаркту, так і в нормальної тканини серця (тобто там, де був міозин), хоча значна їх частина все ж локализовалась в клітинах печінки.
Досить ефективним виявилося також введення ліпосом внутрішньовенно. При цьому в печінку і селезінку потрапляє ліпосом у багато разів більше, ніж при введенні їх через очеревину і особливо під шкіру.
Таким чином, комбінуючи способи введення, можна сподіватися на успішне лікування за допомогою ліпосом і тих захворювань, які мало пов'язані з клітинами ретикулоендотеліальної системи.
Дослідження останніх років встановили, що система макрофагів грає важливу роль в захисті організму від різних інфекцій і новоутворень (пухлин). Макрофаги здатні знищувати як пухлинні клітини, так і клітини, уражені вірусами, не зачіпаючи при цьому нормальні, здорові клітини. Але роблять все це макрофаги лише в активованому стані. А активують їх лімфоцити, які виділяють для цього спеціальні речовини - лімфокіни.
У 1981 році було встановлено, що здатність лімфокінів і мурамілдіпептіда активувати макрофаги значно зростає, якщо ці речовини вводити в ліпосоми. При цьому спостерігається збільшення тривалості їх дії, іноді до декількох діб. Важливо і те, що вдається у багато разів знизити їх дози без шкоди для ефективності. Цікаво відзначити, що обидва препарати, укладені в одні і ті ж ліпосоми, при активації посилювали дію один одного.
Мурамілпептидів в ліпосоми виявився також досить ефективним проти вірусу герпесу, а в поєднанні з таким препаратом, як глюкантін, - і проти вже згадуваного лейшманіозу.
Таким чином, практичне використання ліпосом в лікуванні ряду захворювань є досить перспективним напрямком фармакології, заснованому на досягненнях у вивченні колоїдних властивостей речовин, зокрема біліпідний шарів.
Кульки, палички, диски - різні форми колоїдних частинок
Але колоїди в медицині, звичайно, здатні на більше. Гелі, які містять полімери колоїдних частинок, реагують на зовнішні чинники, такі, як зміни значень рН, температури або сили електричного поля. У кислому середовищі шлунка такий гель коагулює, а в слабокислою середовищі кишечника, навпаки, розбухає. Гелі могли б стати ідеальним транспортним засобом для медикаменту, який повинен проявити свою дію тільки в кишечнику.
Безсумнівно, існує ціла палітра можливих нововведень в медицині. Наприклад, в ендоскопії покривають кабель-зонд зі скловолокна колоїдним гелем. Гель то розбухає, то знову стискається, коли накладається змінна напруга. В результаті кабель просувається вперед. Зараз в Японії проводять досліди по впровадженню таких штучних роботів - «дощових черв'яків» в хірургію мінімального втручання в організм. Великою перевагою методу є те, що не потрібно із зусиллям проштовхувати ендоскоп через судини, він сам собі прокладає шлях.
Коли хімік Вольфганг Оствальд перший раз побачив колоїди під мікроскопом в двадцятих роках XX ст. він вже тоді усвідомив їх величезний потенціал: «Я не знаю жодної області нинішніх природничих наук, яка так чи інакше не зачіпала б так багато і таких різноманітних областей інтересів. Звичайно, теорія атомів і радіоактивність теж цікавить кожного. Але ці натхненні делікатеси можна порівняти з хімією колоїдів, яка для багатьох областей необхідна як насущний хліб ».
Проте минуло понад сімдесят років, перш ніж відкриття отримало нове життя.
Колоїдні дисперсні системи (дисперсії) - мікрогетерогенні освіти, в яких одне мелкораздробленного речовина - дисперсна фаза - рівномірно розподілено (дисперговані) в іншій фазі - дисперсійному середовищі. У колоїдних системах розмір часток дисперсної фази становить 10 -9 -10 -7 м, тобто лежить в інтервалі від нанометрів до часток мікрометрів. Ця область перевершує розмір типовою малої молекули, але менше розміру об'єкта, видимого в звичайному оптичному мікроскопі.
Вся природа - організми тварин і рослин, гідросфера і атмосфера, земна кора і надра - являє собою складну сукупність безлічі різноманітних і різнотипних грубодисперсних і колоїдно-дисперсних систем. Дисперсне стан цілком універсально і при відповідних умовах в нього може перейти будь-яке тіло. Цим визначається особливе положення колоїдної хімії - науки, що займається вивченням колоїдних систем і їх поверхневих явищ, розвиток якої здійснюється в безпосередньому контакті і взаємодії з багатьма, часто не пов'язаними між собою галузями науки, промисловості, медицини та сільського господарства.
Глобальна роль колоїдів полягає в тому, що вони є основними компонентами таких біологічних утворень як живі організми. Всі речовини організму людини представляють собою колоїдні системи.
Колоїди надходять в організм у вигляді харчових речовин і в процесі травлення перетворюються в специфічні, характерні для даного організму колоїди.
Колоїдно-хімічна фізіологія людини - це розділ науки, що вивчає функціонування систем організму людини, що утворюють колоїдні сполуки. Можна сказати, що весь організм людини - це складна колоїдна система в її зв'язку з поверхневими явищами.