Нанотехнологии в медицине
Содержание
Введение…………………………………………………………
"Мокрая" нанотехнология………………………………………2
Миниатюризация микроустройств……………………………..3
Молекулярная нанотехнология………………………………...4
Приложения современных нанотехнологии в медицине …….5
Современные перспективы наноустройств в медицине……….7
Наночипы и фосфолипидные наносистемы…………………….7
Заключение……………………………………………………
Список литературы………………………………………………9
Введение
Идеи современной наномедицины были упомянуты еще Ричардом Фейнманом в его знаменитой лекции «Там внизу есть много места» в 1959 году. Тогда он говорил о возможности химических манипуляций на атомарном уровне и предположил, что когда-нибудь пациент будет просто «глотать хирургическую машину», которая прибудет на место и все подлатает. Прошло 50 лет и ученые все еще бьются над созданием такого хирурга, но Фейнмана, без сомнения, впечатлило бы то, что мы уже сделали на сегодняшний день. Наномедицина прочно завоевывает место в сфере доставки лекарств и диагностике. Наномедицина — нанонаука и наноинженерия, применяющие комплекс подходов для обеспечения применения нанотехнологических разработок в сфере практической медицины и здравоохранения.
Рассмотрим, какими способами в будущем могут быть осуществлены диагностика и лечение на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.
Сегодня предполагаемые пути к этому могут быть разбиты на три группы
- "Мокрая" нанотехнология
Этот подход основан на использовании готовых механизмов, существующих в живой природе.
Можно выделить несколько направлений данного подхода:
- Биотехнология. Использование существующих организмов в качестве основы для создания биороботов. Исходный организм обеспечивает готовые системы энергоснабжения, размножения, перемещения, саморемонта и т.д. Существуют отработанные методы получения генетических модификаций; опыт использования микроорганизмов с различными целями.
- Вирус как робот. В настоящее время вирусы уже активно используются для внесения в клетки нового генетического материала. Робот-вирус сможет убить «ненужную» клетку (например, возбудителя заболевания) или ввести в нее необходимые молекулы ДНК или РНК - вплоть до полной замены поврежденного генетического материала.
- Клетка-робот Клетки, искусственно модифицированные так, чтобы они разрушали атеросклеротические бляшки, регенерировали поврежденные органы, конечности и т.д. Можно упомянуть несколько типов клеток, которые представляются перспективными в качестве основы для биоробота:
- различные бактериальные клетки. Они могут обладать готовыми механизмами перемещения и даже внедрения в клетки организма-хозяина.
- человеческие клетки - такие, как фибробласты. Достоинство фибробластов в том, что они не несут на своей поверхности так называемых антигенов системы HLA, которые в основном и определяют отторжение иммунной системой организма чужеродных тканей.
- Лимфоциты. В организме человека существует несколько типов лимфоцитов, выполняющих различные задачи в рамках обеспечения иммунной защиты. Многие из них способны на весьма сложное "поведение".
- Ферменты (другое их название - энзимы). Это белки или соединения белков, обладающие разнообразной и высокоизбирательной активностью.
- Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК
Кроме перечисленных, способностью к взаимному распознаванию и самосборке (а также и другими интересными свойствами) обладают и многие другие супрамолекулярные соединения.
- Миниатюризация микроустройств. (Подход "Сверху вниз")
Это подход, заключающийся в дальнейшем усовершенствовании существующих микроустройств.
Использование методов современной микроэлектронной технологии позволяет изготовлять элементы размером менее микрона. Примерами являются микроэлектромеханические системы (micro electro-mechanical systems - MEMS) и микрофлюидика - управление потоками жидкости на микронных масштабах. Современная технология позволяет изготовлять множество устройств таких, как микромоторы, акселерометры, гироскопы, разнообразные микродатчики, микроклапаны, микронасосы и шестеренчатые передачи.В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Проект, разрабатываемый в Университете штата Юта, США, представляет собой микросубмарину с двигателем, использующим работу бактерий, таких, как Salmonella typhimurium. Эти бактерии способны плавать в жидкости; будучи прикреплёнными к ротору двигателя, они смогут приводить в движение вал с закрепленным на нем гребным винтом. Источником энергии для такого двигателя могли бы служить кислород и глюкоза, свободно диффундирующие внутрь из окружающей среды.
Другой подобный проект разрабатывается фирмой MicroTEC из Дуйсбурга (Германия). В нем в качестве источника энергии рассматривается внешнее переменное электромагнитное поле.
- Молекулярная нанотехнология
Третий подход также восходит к лекции Фейнмана. Но наиболее полное развитие он получил в работах Эрика Дрекслера в 1981 - 1992 гг.
Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей - шестеренок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показывают, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом не "слипаясь".
Предполагается, что подобного рода молекулярные конструкции могут быть построены с использованием механосинтеза - прямой сборки из малых молекул и, даже, отдельных атомов.
Сама по себе возможность такой сборки продемонстрирована с использованием сканирующих зондовых микроскопов.
Вообще, именно невозможность в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. Нужно сказать, что современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения таких наноустройств может дать только эксперимент.Кроме того, что окончательная конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии ее изготовления. Пока не ясно, приведет ли это к серьезным ограничениям.
Рассмотрим некоторые наноустройства медицинского назначения, которые могут быть изготовлены с использованием молекулярных нанотехнологий:
- Респироциты. Респироцит представляет полую сферу, внутри которой находится сжатый кислород. Расчеты показывают, что сфера диаметром около 1 мк. с запасом по прочности способна выдержать давление кислорода более 1000 атм. Для сравнения, равновесное давление кислорода в гемоглобине крови составляет всего 0.5 атм., из которых доступно для выделения в ткани лишь 0.13 атм.В простейшем случае суспензия респироцитов может быть инъецирована в кровеносную систему организма при нарушении нормального снабжения тканей кислородом. Расчеты показывают, что полная потребность организма в кислороде может быть обеспечена при вливании всего 0.5 мл взвеси респироцитов в минуту.
- Клоттоциты. Клоттоциты представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают свое содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается.
- Нанороботы. Более сложные устройства могут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, "охота" за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток.
- Приложения современных нанотехнологии в медицине
Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:
- Наноматериалы. Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами.
В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как "клей" или "шпатлёвку" для костной ткани.
Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток.
- Наночастицы. Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью.
Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.
Впрочем, на фоне радужных перспектив наномедицины раздаются осторожные голоса, предупреждающие о возможной токсичности лечения наночастицами. Некоторые исследования, проведенные на клеточных культурах, показали, что наночастицы являются цитотоксинами. Впрочем, опыты на животных не позволяют однозначно прийти к такому выводу. Исследователи объясняют это тем, то при опытах на клеточных культурах вводилось слишком большое количество наночастиц.
- Микро - и нанокапсулы. Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.
- Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Использование микро - и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является "лаборатория на чипе. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции.
Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.
- Наноманипуляторы - устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.
- Микро - и наноустройства. В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.
- Современные перспективы наноустройств в медицине
Самособирающиеся контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.
Исследователи из медицинского центра Джона Хопкинса разработали самособирающиеся контейнеры кубической формы, по размерам не превышающие пылинку. Такие контейнеры могут служить для доставки лекарств в организме человека. Они являются относительно недорогими, и могут производиться в массовом порядке в процессе, объединяющем технологию изготовления чипов с простой химией. Кроме того, благодаря своей металлической структуре, положение контейнеров внутри тела может отслеживаться с помощью магнитного резонанса.
Методика создания таких контейнеров, а также результаты успешных лабораторных испытаний были опубликованы в декабрьском выпуске журнала Biomedical Microdevices. В экспериментах контейнеры удерживали и отпускали микрокапли веществ и живые клетки, то есть то, что широко используется в медицинском лечении.
Микроконтейнеры, разработанные в лаборатории, в будущем будут содержать и электронные компоненты. Это позволит им действовать в качестве биосенсоров в теле человека или же высвобождать лекарства в ответ на поступивший извне радиосигнал.
- Наночипы и Фосфолипидные наносистемы
Наночипы к атомно-силовому микроскопу используются для диагностики инфекционных и соматических заболеваний. Метод атомно-силовой микроскопии основан на мониторинге сил Ван-дер-Ваальса между измерительным элементом-иглой микроскопа и сканированной поверхностью макромолекулы. Анализ взаимодействия позволяет получить изображение макромолекулы, определить ее размеры и выявить комплексы молекул зондов с маркерами заболеваний - например, белок-партнер, антиген-антитело. В России производятся серийные одноканальные атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие проводить исследования структуры материалов. Биологические макромолекулы, в том числе и макромолекулярные маркеры заболеваний, активизируются в узких диапазонах температур, давлений и влажности. Поэтому для создания наночипов к одноканальному АСМ с иммобилизованными в определенном порядке биомолекулами (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами), которые могут селективно захватывать маркеры заболеваний из биологической жидкости на уровне единичных молекул, что очень важно для ранней диагностики, например, онкологических, инфекционных и других заболеваний, необходимо адаптировать серийный атомный силовой микроскоп.
Наночип к CD-ROM - это лаборатория на CD-диске, которая представляет собой компакт-диск с нанесенными на него чувствительными зонами биомолекул и анализирующее устройство - CD-ROM к персональному компьютеру. Стандарт записи на компакт-диск предусматривает наличие информации, которая позволяет считывателю исправлять значительное количество ошибок, возникающих из-за загрязнения поверхности диска.
Метод основан на анализе ошибок считывания первичной информации с компакт-диска (CD). При нанесении на биочип образца, содержащего биомолекулы-партнеры к иммобилизованному биослою, формируются молекулярные комплексы, которые увеличивают количество погрешностей из-за изменения оптических свойств поверхности диска. Они возникают вследствие образования комплексов между иммобилизованными биослоями и биомолекулами биологической жидкости, в том числе с биомолекулами плазмы крови на поверхности компакт-диска.
Фосфолипидные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам - переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и малыми размерами.
Заключение
Несмотря на все опасения, перспективы наномедицины в целом остаются обнадеживающими. Оптимисты предсказывают, что в скором времени ученым удастся объединить уже созданные по отдельности элементы, такие, как двигатели, манипуляторы, грузовой отсек в виде нанокапсул, и создать полноценного наноробота, который будет перемещаться по организму и диагностировать болезнетворные процессы, очищать кровь, улучшать работу клеток, регулировать баланс веществ, уничтожать инфекцию и больные клетки, а возможно – чем черт не шутит – позволит нам не стареть.
Список литературы
1. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И.В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.
2. И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" - М.: МИЭМ, 2002, с.244-247
3. http://www.edu-cons.net/atlas_
4. http://www.rusnanonet.ru/
5. http://nanodigest.ru/content/