Столь чужеродно звучащее слово «коллоид» происходит от греческого слова «коlla» – клей. Коллоиды знакомы нам под другими названиями. Так, большие молекулы протеинов, полисахаридов и нуклеиновых кислот в нашем организме являются не чем иным, как коллоидами.
«Кровь, кожа и многое другое представляют собой коллоидные системы, – объясняет профессор Маркус Антониетти из института Макса Планка по изучению коллоидов и граничных поверхностей. – Само собой разумеется, что мы берем природу за образец, когда создаем коллоиды сами. Между тем мы можем мастерить молекулы с различными функциями».

В химии полимеров стали возможными новые методы синтеза, с помощью которых химическая система может быть нарезана на частички, имеющие размеры в области нанометров. Тем самым ученые могут изготовлять коллоидные шарики из полистирола, на которых они прикрепляют тысячи щупальцеобразных акцепторов. Такие ловушечки из блокполимера, состоящего из стирола и винилпиридина, позволяют, например, «выуживать» ртуть из крови при отравлении ртутью. Коллоиды, построенные таким образом, чрезвычайно реакционноспособны. Они могут связывать ионы тяжелых металлов в количестве, составляющем до 16 процентов их массы.

В настоящее время в медицине уже используются так называемые липосомы. Липосомы похожи на крохотные капсулы. Они состоят из обертывающей мембраны и внутренней полости, наполненной активным веществом, растворимым в воде или в масле. Поскольку структура липосомной оболочки воспринимается мембранами клеток как своя, у маленьких транспортных капсул меньше проблем при преодолении естественных барьеров кожи, чем у “незапакованных” активных веществ. В глубинных слоях верхней кожи липосомы должны отдать свой груз активного вещества клеткам, а своей опустевшей оболочкой укрепить межклеточное пространство.

Липосомы, или липидные пузырьки, известны давно, да и знакомы, наверно, каждому: очень похожи на них те капельки жира, которые попадают в воду, но это, разумеется, сходство чисто внешнее. Липосомы представляют собой замкнутые пузырьки воды, окруженные одним или несколькими слоями липидов. Размеры и форма липосом зависят от многих факторов: кислотности среды, присутствия солей и т.п. Впервые на них обратил внимание английский исследователь Алек Бангем с коллегами в 1965 году. Они заметили, что липосомы (это название утвердилось года три спустя) весьма напоминают мембраны клеток. В те годы уже было известно, что клеточные мембраны выполняют много функций, и липосомы сразу же стали важным инструментом для их изучения. Как модели мембран, липосомы позволили исследовать ряд их свойств: электрическое сопротивление, проницаемость для молекул воды, для ионов и других заряженных частиц, а также для содержимого клеток. Липосомы используются, кроме того, для изучения действия на мембраны витаминов, гормонов, антибиотиков и других препаратов. Эта сторона дела привлекла наибольшее внимание исследователей, поскольку выяснилось, что липосомы хорошо справляются с ролью носителей лекарств.

Липосомы могут быть однослойными (диаметр 250...300 ангстрем) и многослойными (5...50 микрометров). Заштрихованные тоны – место нахождения воды, светлые – бимолекулярный липидный слой, «хвосты» составляющих его молекул обращены внутрь слоя.

Какие же качества липосом дают им преимущества перед другими носителями лекарств? Прежде всего, это сродство с природными мембранами клеток по химическому составу. Известно, что липиды, входящие в состав мембран, занимают от 20 до 80 процентов их массы. Поэтому при правильном подборе компонентов липосом их введение в организм не вызывает негативных реакций.

Второе важное свойство липосом – это универсальность. Благодаря полусинтетической природе можно широко варьировать их размеры, характеристики, состав поверхности. Это позволяет поручать липосомам переносить широкий круг фармакологически активных веществ: противоопухолевые и противомикробные препараты, гормоны, ферменты, вакцины, а также дополнительные источники энергии для клетки, генетический материал.

В-третьих, липосомы сравнительно легко разрушаются в организме, высвобождая доставленные вещества, но в пути следования липосомы, сами лишенные свойств антигена, надежно укрывают и свой груз от контакта с иммунной системой и, стало быть, не вызывают защитных и аллергических реакций организма.

Важную роль играет также характер взаимодействия липосом с клетками. Оно может принимать разные формы: самая простая – липосомы адсорбируются (прикрепляются) на клеточной поверхности. Дело может на этом закончиться, а может пойти дальше: липосому поглотит клетка (этот процесс «заглатывания» называется эндоцитоз), и вместе с ней внутрь клетки попадут те вещества, которые она доставила. Наконец, липосомы могут слиться с мембранами клеток и стать их частью. При этом могут изменяться свойства клеточных мембран: например, их вязкость и проницаемость, величина электрического заряда. Может также увеличиться или уменьшиться количество каналов, проходящих через мембраны. Таким образом, благодаря липосомам появляется новый способ направленного воздействия на клетку, который можно назвать «мембранной инженерией».

Формы взаимодействия липосом с мембраной клетки: липосома может увеличить проницаемость мембраны – вызвать образование дополнительных каналов (I); может прикрепиться к мембране – адсорбироваться (II); важная форма взаимодействия – поглощение липосомы клеткой, в этом случае вещество, принесенное липосомой, попадает непосредственно в клетку (III); иногда клеточная мембрана и липосома обмениваются липидами (IV), а в других случаях мембраны липосомы и клетки сливаются (V).Как носители лекарств липосомы наиболее широкое применение получили в экспериментальной онкологии. Суть в том, что существует ряд препаратов, весьма эффективно разрушающих злокачественные клетки или тормозящих их рост. Однако применить их в терапевтических целях не всегда возможно из-за их большой токсичности или плохой растворимости в воде. С помощью липосом эти трудности можно преодолеть. Так, в одной лаборатории с помощью липосом вводили мышам, больным лейкемией, нерастворяющиеся препараты и наблюдали замедление роста числа злокачественных клеток. Другие исследователи нагружали липосомы антрациклинами: эти вещества активны против широкого круга злокачественных опухолей, но весьма ядовиты для остальных тканей, особенно для сердечной мышцы, – и вредное воздействие этих соединений значительно снижалось, что, как следствие, позволяло существенно увеличивать их дозы.

Липосомы можно использовать и для борьбы с инфекционными заболеваниями. Обычный лейшманиоз лечат препаратами сурьмы, которые весьма токсичны. Но когда их ввели экспериментальным животным с помощью липосом, то они стали подавлять размножение возбудителей болезни в клетках печени в сотни раз эффективнее, чем обычно, а токсическое действие на сердце и почки заметно снизилось, что позволило увеличить дозу препарата. Сходные результаты были получены и при лечении похожих на лейшманиоз грибковых заболеваний – криптококкоза и гистоплазмоза.

Когда микроорганизмы – возбудители болезней «прячутся» внутри клеток, то тем самым они защищаются как от иммунной системы организма (антител), так и от действия лекарств. Иногда макрофаги, захватив болезнетворные бактерии, не могут их переварить. Во всех таких случаях заболевание приобретает затяжное, хроническое течение, и тогда необходимо, чтобы лечебные средства могли проникать внутрь зараженных клеток, причем в нужной для лечения концентрации. Результаты экспериментов группы американских исследователей, которые работали с макрофагами мышей, зараженных бактериями мышиного брюшного тифа, показали, что липосомы и здесь значительно повышают эффективность лечения: они доставляли макрофагам антибиотик цефалотин, и число бактерий внутри клеток снизилось намного сильнее, чем при обработке таких же клеток чистым антибиотиком. При этом удавалось достичь весьма высокой его концентрации внутри клеток, то есть именно там, где находились возбудители заболевания.

Другие исследователи, используя антибиотик гентамицин, заключенный в липосомы, получили такие же результаты против возбудителей бруцеллеза, причем опыты были проведены как на культуре клеток, так и на животных – морских свинках.

Таким образом, липосомы помогают дольше сохранять высокий уровень концентрации лекарственных препаратов в крови и в клетках, а также помогают им проникнуть в те области, куда без липосом они попасть не могут.

Формы взаимодействия липосом с клетками, во многом объясняют их способность преодолевать некоторые анатомические барьеры организма, в частности, стенки желудочно-кишечного тракта. Это обстоятельство было использовано для лечения сахарного диабета путем введения инсулина преорально в липосомах. Опыты проводились на крысах, у которых предварительно искусственным путем вызывали сахарный диабет, И оказалось, что введение инсулина в липосомах вызывало снижение сахара в крови животных, ибо липосомы защищают этот гормон от разрушения желудочно-кишечном тракте. В настоящее время исследования в этом направлении продолжаются. Цель их – добиться возможности лечения диабета введением инсулина через рот, что будет большим подарком для больных этой тяжелой болезнью.

Были предприняты попытки введения таким методом и других веществ. Они не всегда оказывались удачны, однако некоторых случаях был достигнут несомненный успех. Так, в опытах на животных удавалось ввести в липосомах через желудочно-кишечный тракт активаторы выработки интерферона, разрушающий тромбы террилитин, витамин К и другие вещества. Такой путь введения в организм ряда лекарств является весьма перспективным, особенно в тех случаях, когда их инъекции менее желательны или вообще невозможны. Но пока еще не совсем понятно, почему одни вещества, заключенные в липосомы, проходят сквозь стенку кишечника, а другие этого сделать не могут. Механизм этого явления в настоящее время изучается.

Использование липосом для точной, целенаправленной доставки лекарственных веществ имеет, однако, и определенные ограничения. После попадания в организм большая часть липосом поглощается клетками ретикулоэндотелиальной системы, состоящей в основном из макрофагов, способных поглощать из крови посторонние частицы и уничтожать (переваривать) их, что необходимо для поддержания постоянства внутренней среды. Наибольшее скопление этих клеток находится в печени, селезенке, костном мозге, лимфатических узлах и кровотоке. Поэтому, если цель введения липосом заключается в их контакте с клетками ретикулоэндотелиальной системы, то проблем почти не возникает: липосомы туда попадут (возбудители инфекционных заболеваний, о лечении которых мы говорили выше, находились именно в таких клетках). Если же требуется, чтобы липосомы доставили свое содержимое в другие места, то добиться этого сложнее.

Однако исследования, проведенные в последние годы, позволяют надеяться на преодоление и этого препятствия в ближайшем будущем.

Во Всесоюзном кардиологическом научном центре, в лаборатории В.П. Торчилина был осуществлен направленный транспорт липосом в зону экспериментального инфаркта миокарда. Сделали это с помощью антител к миозину – белку сердечной мышцы. Антитела были прикреплены химически к поверхности липосом. Липосомы накапливались как в зоне инфаркта, так и в нормальной ткани сердца (то есть там, где был миозин), хотя значительная их часть все же локализовалась в клетках печени.

Весьма эффективным оказалось также введение липосом внутривенно. При этом в печень и селезенку попадает липосом во много раз больше, чем при введении их через брюшину и особенно под кожу.

Таким образом, комбинируя способы введения, можно надеяться на успешное лечение с помощью липосом и тех заболеваний, которые мало связаны с клетками ретикулоэндотелиальной системы.

Исследования последних лет установили, что система макрофагов играет важную роль в защите организма от различных инфекций и новообразований (опухолей). Макрофаги способны уничтожать как опухолевые клетки, так и клетки, пораженные вирусами, не затрагивая при этом нормальные, здоровые клетки. Но делают все это макрофаги лишь в активированном состоянии. А активируют их лимфоциты, которые выделяют для этого специальные вещества – лимфокины.

 В 1981 году было установлено, что способность лимфокинов и мурамилдипептида активировать макрофаги значительно возрастает, если эти вещества вводить в липосомах. При этом наблюдается увеличение длительности их действия, иногда до нескольких суток. Важно и то, что удается во много раз снизить их дозы без ущерба для эффективности. Интересно отметить, что оба препарата, заключенные в одни и те же липосомы, при активации усиливали действие друг друга.

Мурамилпептид в липосомах оказался также весьма эффективным против вируса герпеса, а в сочетании с таким препаратом, как глюкантин, – и против уже упоминавшегося лейшманиоза.

Таким образом, практическое использование липосом в лечении ряда заболеваний является весьма перспективным направлением фармакологии, основанном на достижениях в изучении коллоидных свойств веществ, частности билипидных слоев.

На основе твердых коллоидов можно создавать защитные оболочки из белковых тел. Таким способом в капсуле наночастиц удалось бы с потоком крови доставить нерастворимые в крови лекарства к месту действия. «Особенно полезными были бы такие нанокапсулы, – заявил Антониетти, – которые благодаря дополнительному помещению в них какого-нибудь антитела были бы адресными и целенаправленно могли посылаться к определенному типу клеток».При такой форме применения лекарственное средство действует только в очаге заболевания, так что достаточно лишь незначительной дозы препарата. Кроме того, такие наночастицы так малы, что могут проходить через большинство барьеров, например через стенки кишечника. Правда, такие нанокапсулы не должны вызывать побочного действия в организме.

Шарики, палочки, диски – различные формы коллоидных частиц

Но коллоиды в медицине, конечно, способны на большее. Гели, которые содержат полимеры коллоидных частиц, реагируют на внешние факторы, такие, как изменения значений рН, температуры или силы электрического поля. В кислой среде желудка такой гель коагулирует, а в слабокислой среде кишечника, напротив, разбухает. Гели могли бы стать идеальным транспортным средством для медикамента, который должен проявить свое действие только в кишечнике.

Несомненно, существует целая палитра возможных новшеств в медицине. Например, в эндоскопии покрывают кабель-зонд из стекловолокна коллоидным гелем. Гель то разбухает, то снова сжимается, когда накладывается переменное напряжение. В результате кабель продвигается вперед. Сейчас в Японии проводят опыты по внедрению таких искусственных роботов – «дождевых червей» в хирургию минимального вмешательства в организм. Большим преимуществом метода является то, что не нужно с усилием проталкивать эндоскоп через сосуды, он сам себе прокладывает путь.

Когда химик Вольфганг Оствальд первый раз увидел коллоиды под микроскопом в двадцатых годах XX в., он уже тогда осознал их громадный потенциал: «Я не знаю ни одной области нынешних естественных наук, которая так или иначе не затрагивала бы так много и таких разнообразных областей интересов. Конечно, теория атомов и радиоактивность тоже интересует каждого. Но эти вдохновенные деликатесы сравнимы с химией коллоидов, которая для многих областей необходима как насущный хлеб».
Тем не менее прошло более семидесяти лет, прежде чем открытие получило новую жизнь.

Заключение

Коллоидные дисперсные системы (дисперсии) – микрогетерогенные образования, в которых одно мелкораздробленное вещество – дисперсная фаза – равномерно распределено (диспергировано) в другой фазе – дисперсионной среде. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10^–9–10^–7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.

Вся природа — организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра — представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело. Этим определяется особое положение коллоидной химии – науки, занимающейся изучением коллоидных систем и их поверхностных явлений, развитие которой осуществляется в непосредственном контакте и взаимодействии со многими, часто не связанными между собой областями науки, промышленности, медицины и сельского хозяйства.

Важный вклад в изучение коллоидных систем организма человека внесли труды Л. Михаэлиса, Г.Шаде, В. Оствальда, П. Ребиндера, Ф.Гофмейстера, Э. Абдергальдена, Г.Фрейндлиха и др.

Коллоидная химия изучает все многообразие коллоидных систем, включающее следующие их типы:

1.Золи. 2. Гели.3. Эмульсии. 4. Пены. 5. Аэрозоли.

Основными свойствами коллоидного состояния веществ в биологических системах являются: 1.Броуновское движение частиц дисперсной фазы. 2. Неспособность к ультрафильтрации и прохождению их через полупроницаемые мембраны. 3. Низкие значения или отсутствие осмотического потенциала. 4.Способность к коагуляции. 5. Поверхностные свойства – способность к адсорбции различных веществ. 5. Переходы золь-гель и обратно.6. способность к набуханию.

Глобальная роль коллоидов заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.

Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды.

Коллоидно-химическая физиология человека – это раздел науки, изучающий функционирование систем организма человека, образующих коллоидные соединения. Можно сказать, что весь организм человека – это сложная коллоидная система в ее связи с поверхностными явлениями.

Из коллоидов, богатых белками, состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.

С точки зрения коллоидно-химической физиологии человека его организм представляет собой сложный комплекс коллоидных систем в их постоянном динамическом взаимодействии. Мельчайшей структурно-функциональной единицей организма является клетка. Уже сама клетка представляет собой сложный комплекс коллоидных образований, основными из которых являются клеточные мембраны, гиалоплазма, ядро, ЭПР и др. Основными функциями коллоидов мембран клетки являются: барьерная, метаболическая, разделительную, каркасную, защитную поддержания тургора в растительных клетках, транспортная, контактная (плазмодесмы, десмосомы), ферментативная и другие. Мембраны принимают участие в образовании клеточных органелл (ядра, митохондрий, лизосом, комплекса Гольджи и др.). Одной из важнейших функций мембран является их участие в лиганд-рецепторном взаимодействии (гликокаликс), обеспечивающем «узнавание» и распознавание чужеродной антигенной информации и обеспечение так называемых клеточных контактов.

Гиалоплазма клеток также представляет собой сложную коллоидно-дисперсную систему, в функции которой входит формирование цитоскелета клетки (коллоидно-белковая система, пронизывающая клетку). Цитоскелет обеспечивает движение клеток, цитоплазмы, органелл, транспорт веществ и формирует каркас клетки. Гиалоплазма и ее коллоиды объединяют клетку в единое целое.

Наиболее изученной является такая коллоидная система организма как кровь. Кровь – это совокупность дисперсных систем. В плазме крови дисперсной фазой являются белки и жиры, а дисперсной средой вода. В свою очередь, форменные элементы крови могут рассматриваться как дисперсная фаза по отношению к плазме, которая в этом случае выполняет роль дисперсной среды. Сами клетки крови – тромбоциты, эритроциты, лейкоциты представляют собой, как и любые другие клетки организма, сложные по составу дисперсные системы. Важнейшие функции крови – дыхательная, питательная, транспортная, выделительная, терморегуляционная, регуляторная (pH, гормоны и др.), защитная (системы свёртывания - противосвёртывания, антитела, цитокины).

Практически любая жидкость или ткань организма человека представляет собой коллоидно-дисперсную среду. Таковыми являются, например, лимфа, молоко содержимое желудочно-кишечного тракта, желчь, спинномозговая жидкость, моча.

Моча представляет собой гидрофильный золь, состоящий из мицелл уратов, фосфатов и оксалатов. Молоко грудных желез и лимфа это сочетание эмульсии с белковым золем. Соединительнотканные волокна это гели.

При патологических изменениях в организме в коллоидном состоянии находятся белки отечной жидкости (транссудаты) или белки в воспалительных экссудатах. Нарушение коллоидных свойств вышеуказанных сред организма приводят в крови к образованию тромбов, и как следствие развитие инсультов и инфарктов. В желчи и моче при этом образуются камни, в суставной ткани – выпадение солей мочевой кислоты (подагра).

Таким образом, коллоидные системы суть основа химического состояния всех веществ, из которых построены клетки, ткани и органы организма человека. Этим и обусловлено многообразие функций, которые обеспечивают в организме коллоидные системы. Многообразие их функций можно условно разделить на 3 группы, которые безусловно тесно связаны между собой.

1.Функции, связанные с физико-химическими свойствами коллоидов:

1.1 Обеспечение и регуляция проницаемости мембран

1.2 Регуляция онкотического и (в меньшей степени) осмотического давления.

1.3 Обеспечение и регуляция поверхностного натяжения сред организма.

1.4 Регуляция рН

1.5 Ферментативная функция.

1.6 Детоксикация организма.

2.Функции общебиологического значения:

2.1 Барьерная и разделительная.

2.2 Опорно-двигательная.

2.3 Транспортная

2.4 Питательная.

2.5 Биосинтетическая.

2.6 Дыхательная.

2.7 Выделительная.

2.8 Терморегуляционная.

2.9 Репродуктивная.

2.10 Обеспечение клеточных контактных взаимодействий и распознавание генетической информации.

2.11 Защитная (иммунологические реакции, антитела – иммуноглобулины).

3.Специфические функции:

3.1 Регуляторные белки (гормоны, медиаторы иммунитета – цитокины, и др.)

3.2 Обеспечение свертывания крови и фибринолиза

3.3 Регуляция сосудистого тонуса (калликреин-кининовый каскад, система белков ренин-ангиотензин и др.).

3.4 Обеспечение иммунологических реакций (каскад белков системы комплемента и др.).

3.5 Рецепторная.

Применение коллоидов находит все большее применение в медицинской практике.

От использования простых коллоидных золей для местной заживляющей терапии и применения солей алюминия и магния для понижения кислотности желудка до использования гидрокси алюминия в качестве стабилизатора и носителя лекарственных веществ и далее к использованию липосом и нанокапсул.

Библиография:

1. Фролов Д.Г. Курс коллоидной химии. М., 1989

2. Петрянов-Соколов И.В. Коллоидная химия и научно-технический прогресс. М., 1988

3. Пасынский А. Г., Коллоидная химия, 3 изд., М., 1968

4. Воюцкий С. С., Курс коллоидной химии, М., 1964

5. Ребиндер П. А., Влодавец И. Н., Физико-химическая механика пористых и волокнистых дисперсных структур, в кн.: Проблемы физико-химической механики волокнистых и пористых дисперсных структур и материалов, Рига, 1967

6. Ребиндер П. А., Фигуровский Н. А., Коллоидная химия , в кн.: Развитие физической химии в СССР, под ред. Я. И. Герасимова, М., 1967, с. 239

7. Збарский Б.И., Иванов И. И., Мардашёв С. Р., Биологическая химия, М., 1954

8. Фукс Н. А., Механика аэрозолей, М., 1955

9. Эмульсии, пер. с англ., Л., 1972

10. Bild der Wissenshaft, 1994. - B. 11, S. 38–41

11. Рубинштейн Д. Л., Физико-химические основы биологии, М.,1932

12. Шаде Г., Физическая химия во внутренней медицине, Л.,1930

13. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы, пер. с англ., Л., 1969

14. Абдергальден Э., Учебник физиологической химии, М.,1934