Thu*c nói chung muốn phát huy tác dụng phải được hấp thu và phân bố tại đích tác động mong muốn. Tuy nhiên, muốn đi đến được đích tác động, các phân tử Thu*c phải vượt qua được các hàng rào của cơ thể. Và hàng rào cũng chính là cơ chế tự bảo vệ của cơ thể khỏi sự xâm nhập của các chất độc cũng như các chất ngoại sinh. Nhiều loại Thu*c có tác dụng khi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (in vitro) nhưng lại thất bại khi thử nghiệm trên động vật hoặc trên người cũng phần lớn là do không thể xâm nhập qua hàng rào của cơ thể để đến được đích tác động. Một trong những ưu điểm vượt trội của các Thu*c khi được bào chế dưới dạng nano là có thể cải thiện khả năng xâm nhập qua các hàng rào và sự phân bố của Thu*c đến các vị trí tác động mong muốn.
Dưới góc độ tổng quát, hàng rào về mặt bản chất là các lớp tế bào được sắp xếp với nhau để ngăn cách các khoang chứa cũng như các cơ quan khác nhau trong cơ thể. Có thể kể đến một số hàng rào của cơ thể như hàng rào biểu mô (ruột, ống thận), hàng rào máu não, hàng rào nhau thai. Dưới góc độ các cơ quan, hàng rào của các cơ quan chính là các lớp tế bào biểu mô lớp ngoài cùng của các cơ quan và hàng rào nội mô mạch máu (ngăn cách giữa mao mạch và các tế bào nội mô). Dưới góc độ tế bào, hàng rào của tế bào chính là màng tế bào ngăn cách giữa môi trường nội bào và ngoại bào.
Các hạt nano thường quá lớn để thấm vào một số mô (ảnh trên) và các hạt nano mới nhỏ hơn nên có thể đi qua các mô này (ảnh dưới).
Dù dưới định nghĩa hay xét dưới góc độ nào đi chăng nữa, hàng rào đều có chức năng ngăn cản sự xâm nhập của các chất ngoại sinh để bảo vệ cơ thể, và đây cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự phân bố khác nhau của Thu*c ở các khoang dịch thể (ví dụ như dịch vị, huyết tương, nước tiểu, dịch não tủy...). Nói chung, Thu*c đối với cơ thể cũng là các chất ngoại sinh, chính vì vậy, các hàng rào cũng ngăn cản đáng kể sự xâm nhập của Thu*c đến các vị trí mong muốn. Để đi qua được các hàng rào của cơ thể, các Thu*c phải có các tính chất vật lý, hóa học, phù hợp (kích thước, độ phân cực, điện tích). Hay nói cách khác, việc đi xuyên qua các hàng rào này là có tính chọn lọc và thông qua các cơ chế khác nhau. Một ví dụ điển hình như trong trường hợp của dopamine, một chất dẫn truyền thần kinh có vai trò quan trọng đối với bệnh Parkinson (khó kiểm soát vận động, run tay, run chân thường gặp ở người lớn tuổi). Do dopamine không đi qua được hàng rào máu não nên việc sử dụng trực tiếp dopamine bằng đường uống hay đường tiêm tĩnh mạch không mang lại hiệu quả điều trị đáng kể đối với bệnh Parkinson.
Trong việc ứng dụng công nghệ nano trong điều trị, các nhà khoa học không chỉ có thể tạo ra hoạt chất, vật liệu có kích thước nano (từ 10nm đến 100nm) để cải thiện độ tan, tăng cường khả năng hấp thu vào cơ thể; mà còn hướng đến tạo ra các hệ mang Thu*c có các tính chất ưu việt để đưa Thu*c đến các vị trí mong muốn mà các phân tử Thu*c thông thường không thể đến được hoặc phân bố không hiệu quả.
Đầu tiên, phải kể đến hiện tượng lưu giữ và thẩm thấu tăng cường, một trong những đặc tính ưu việt của nanomedicine trong việc thay đổi khả năng đi qua hàng rào của cơ thể so với các phân tử Thu*c thông thường. Do có kích thước trong khoảng từ 10 đến 100nm, tại đó, nanomedicine gặp khó khăn trong việc khuếch tán qua các kênh trao đổi có kích thước bé ở các cơ quan bình thường nhưng lại dễ dàng khuếch tán và tập trung vào các vị trí bệnh lý (như khối u, vùng bị thương tổn...) do kích thước các kênh trao đổi ở các vị trí này thường lớn hơn để đáp ứng cho nhu cầu cao sử dụng oxy và các chất dinh dưỡng. Chính vì vậy, các Thu*c nano có khả năng tập trung cao hơn ở các vùng bệnh lý và ít gây ảnh hưởng đến các vị trí khác trong cơ thể. Nhờ đó, có thể điều trị một cách hướng đích, hiệu quả tại vị trí mong muốn và giảm các tác dụng không mong muốn đến các vị trí, cơ quan khác của cơ thể.
Hơn nữa, nhờ kích thước lớn hơn các phân tử Thu*c hòa tan thông thường, Thu*c nano có thể ở lại trong hệ tuần hoàn lâu hơn, và kéo dài tác dụng của Thu*c, giảm số lần dùng Thu*c, duy trì nồng độ Thu*c trong ngưỡng điều trị mong muốn. Ví dụ như Thu*c doxil, một trong những Thu*c nano đầu tiên được chấp thuận và cấp phép lưu hành trên thị trường để điều trị ung thư. Trong đó, doxorubicin (Thu*c dùng trong hóa trị) được đưa vào trong một hệ liposome mang Thu*c có kích thước nano. Bệnh nhân sử dụng doxil ít gặp phải các tác dụng phụ đáng kể như khi dùng các Thu*c hóa trị thông thường.
Các hạt nano tấn công vào khối u phổi.
Bên cạnh việc kiểm soát kích thước để thay đổi khả năng phân bố của Thu*c (cơ chế về mặt vật lý), các nhà khoa học trong lĩnh vực nano còn hướng đến tạo ra những hệ nano mang Thu*c có thể vượt qua hàng rào thông qua các cơ chế khác về mặt hóa học, sinh học. Khi ở bên trong cơ thể, các hệ nano mang Thu*c vận chuyển các Thu*c bên trong xâm nhập qua các hàng rào một cách hiệu quả. Nhìn chung, có các cơ chế xuyên màng chủ yếu sau: Khuếch tán trực tiếp qua lớp lipid, khuếch tán qua các lỗ thân nước, xuyên màng qua các chất mang, và xuyên màng thông qua cơ chế nhập bào và thải bào. Trong đó xét về mặt hóa học, bằng cách thay đổi độ thân nước và thân dầu và điều chỉnh thiết kế bề mặt, mà các hệ nano mang Thu*c có thể xuyên màng tốt hơn do bản chất của các hàng rào là các lớp tế bào sắp xếp với nhau. Trong đó, nano micelle và liposome chính là những hệ mang Thu*c giúp vận chuyển Thu*c đi qua các hàng rào một cách hiệu quả. Ví dụ như trong một nghiên cứu gần đây công bố trên tạp chí International Journal of Pharmaceutics của tác giả Kensuke Yotsumoto, Thu*c indomethacin được vận chuyển trong hệ polymer micelle có khả năng thấm qua da tốt hơn đáng kể so với Thu*c indomethacin thông thường.
Dưới góc độ sinh học, do kích thước của các Thu*c nano nhỏ hơn các phân tử Thu*c ở dạng hòa tan thông thường, nên các hệ mang Thu*c nano thường xuyên qua cơ chế nhập bào (endocytosis) thay vì cơ chế khuếch tán thông thường. Tuy nhiên, quá trình nhập bào thường theo cơ chế thông thường được điều khiển bởi các receptor và phức hợp đặc hiệu giữa chúng. Chính vì vậy, nhờ việc gắn lên trên bề mặt của các hệ nano mang Thu*c các hoạt chất có khả năng gắn đặc hiệu với các receptor trên bề mặt tế bào, các nhà khoa học có thể cải thiện đáng kể khả năng đi vào (nhập bào) và đi ra (thải bào) của các hệ nano, nhờ đó có thể mang Thu*c đi qua các hàng rào cũng như xâm nhập vào các tế bào tại vị trí mong muốn. Có thể kể đến một số kỹ thuật đang được nghiên cứu hiện nay như nhập bào điều hòa bởi receptor insulin, nhập bào điều hòa bởi receptor transferrin...
Nhờ đó, các hệ nano có thể mang Thu*c xâm nhập qua các hàng rào của cơ thể và phân bố đến các vị trí mong muốn, thậm chí có thể đi qua hàng rào máu não và đưa Thu*c đến thần kinh trung ương. Một nghiên cứu vừa được công bố trên Tạp chí khoa học Nature Communication vào tháng 08/2019, tác giả Anna Galstyan và cộng sự đã chế tạo thành công nano polymer có khả năng vận chuyển kháng thể đơn dòng (dùng trong liệu pháp miễn dịch) đi xuyên qua hàng rào máu não để hướng đến điều trị khối u trong não bộ. Nghiên cứu đã phần nào giải quyết khó khăn trong điều trị u não liên quan đến khả năng đi qua hàng rào máu não kém của các liệu pháp điều trị thông thường.