• Різне

    Застосування нанотехнологій у медицині. Сучасний стан

    04.10.2015

    Застосування нанотехнологій в медицині.

    Сучасний стан

    І. в. Артюхов,*В. Н.Кеменов, **С. Б. Нестеров

    Директор Інституту біомедичних технологій, Росія, *директор, д. т. н., проф. ФГУП НИИВТ їм. С. А. Векшинского, Росія, **заст. директора з НВР, д. т. н. професор ФГУП НИИВТ їм. С. А. Векшинского, Росія.

    Поняття нанотехнології міцно входить у наше життя, а ще в 1959 р. знаменитий американський фізик-теоретик Ричард Фейнман говорив про те, що існує «вражаюче складний світ малих форм, а коли-небудь (наприклад, у 2000 р.) люди будуть дивуватися з того, що до 1960 р. ніхто не ставився серйозно до досліджень цього світу» [1]. На першому етапі розвиток нанотехнології визначалося в основному створенням пристроїв зондової мікроскопії. Ці пристрої є своєрідними очима і руками нанотехнолога.

     

    Сьогодні прогрес в області нанотехнології пов’язаний з розробкою наноматеріалів для аерокосмічній, автомобільній, електронній промисловості.

    Але поступово все частіше згадуються як перспективна область застосування нанотехнології медицина. Це пов’язано з тим, що сучасна технологія дозволяє працювати з речовиною в масштабах, які ще недавно здавалися фантастичними — мікрометрових, і навіть нанометрових. Саме такі розміри характерні для основних біологічних структур — клітин, їх складових частин (органел) і молекул.

    Сьогодні можна говорити про появу нового напряму — наномедицини. Вперше думка про застосування мікроскопічних пристроїв в медицині була висловлена в 1959 р. Фейнманом у своїй знаменитій лекції «Там внизу — багато місця» [1] (з посиланням на ідею Альберта Р. Хіббса). Але тільки в останні кілька років пропозиції Фейнмана наблизилися до реальності.

    Сьогодні ми ще досить далекі від описаного Фейнманом мікроробота, здатного через кровоносну систему проникнути всередину серця і провести там операцію на клапані. Сучасні програми нанотехнологій у медицині можна розділити на кілька груп:

    • Наноструктуровані матеріали, в т. ч. поверхні з нанорельефом, мембрани з наноотверстиями;
    • Наночастинки (у т. ч. фулерени і дендримери);
    • Мікро — і нанокапсули;
    • Нанотехнологічні сенсори і аналізатори;
    • Медичні застосування скануючих зондовых мікроскопів;
    • Наноинструменты і наноманипуляторы;
    • Мікро — і нанопристрою різного ступеня автономності.

     

    Розглянемо ці групи додатків докладніше.

    Наноматеріали .

    Наноматеріали — це матеріали, структуровані на рівні молекулярних розмірів або близькому до них. Структура може бути більш або менш регулярній або випадковою. Поверхні з випадковою наноструктурой можуть бути отримані обробкою пучками частинок, плазмовим травленням і деякими іншими методами.

    Що стосується регулярних структур, то невеликі ділянки поверхні можуть бути структуровані «ззовні» — наприклад, за допомогою скануючого зондового мікроскопа (див. нижче). Однак, досить великі (

    1 мк 2 і більше) ділянки, а також обсяги речовини можуть бути структуровані, мабуть, тільки способом самозбірки молекул.

    Самозбірка широко поширена в живій природі. Структура всіх тканин визначається їх самосборкой з клітин; структура клітинних мембран і органоїдів визначається самосборкой з окремих молекул.

    Самозбірка молекулярних компонентів розробляється як спосіб побудови періодичних структур для виготовлення наноелектронних схем, і тут були досягнуті помітні успіхи.

    В медицині матеріали з наноструктурованої поверхнею можуть використовуватись для заміни тих чи інших тканин. Клітини організму пізнають такі матеріали як «свої» і прикріплюються до їх поверхні.

    В даний час досягнуті успіхи у виготовленні наноматеріалу, що імітує природну кісткову тканину. Так, вчені з Північно-західного університету (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp та інші [2] використовували тривимірну збірку волокон близько 8 нм діаметром, що імітують природні волокна колагену, з подальшою мінералізацією і освітою нанокристалів гідроксиапатиту, орієнтованих уздовж волокон. До отриманого матеріалу добре прикріплювалися власні кісткові клітини, що дозволяє використовувати його як «клей» або «шпаклівку» для кісткової тканини.

    Представляє інтерес і розробка матеріалів які володіють протилежним властивістю: не дозволяють клітинам прикріплятися до поверхні. Одним з можливих застосувань таких матеріалів могло б стати виготовлення біореакторів для вирощування стовбурових клітин. Справа в тому, що, прикріпившись до поверхні, стовбурова клітина прагне диференціюватися, утворюючи ті чи інші спеціалізовані клітини. Використання матеріалів з нанорозмірною структурою поверхні для управління процесами проліферації та диференціації стовбурових клітин являє собою величезне поле для досліджень.

    Мембрани з нанопорами можуть бути використані в мікрокапсулах для доставки лікарських засобів (див. далі) і для інших цілей. Так, вони можуть застосовуватися для фільтрації рідин організму від шкідливих речовин і вірусів. Мембрани можуть захищати нанодатчики та інші вживлюються пристрою від альбуміну і подібних обволікаючих речовин.

    Американська компанія C-Sixty Inc. Проводить передклінічні випробування засобів на основі фуллеренових наносфери С60 з впорядковано розташованими на їх поверхні хімічними групами. Ці групи можуть бути підібрані таким чином, щоб зв’язуватися із заздалегідь вибраними біологічними мішенями. Спектр можливих застосувань надзвичайно широкий. Він включає боротьбу з вірусними захворюваннями такими, як грип і ВІЛ, онкологічними та страждають нейродегенеративними захворюваннями, остеопорозом, захворюваннями судин. Наприклад, наносфера може містити всередині атом радіоактивного елемента, а на поверхні — групи, що дозволяють їй прикріпитися до раковій клітині.

    Подібні розробки проводяться і в Росії. В Інституті експериментальної медицини (Санкт-Петербург) використовували аддукт фулерену з полівінілпіролідоном (ПВП). Це з’єднання добре розчинно у воді, а порожнини в його структурі близькі за розмірами молекул С60. Порожнини легко заповнюються молекулами фулерену, і в результаті утворюється водорозчинний аддукт з високою антивірусною активністю. Оскільки сам ПВП не має антивірусну дію, вся активність приписується містяться в аддукте молекул С60.

    У перерахунку на фулерен його ефективна доза становить приблизно 5 мкг/мл, що значно нижче відповідного показника для ремантадину (25 мкг/мл), що традиційно використовується в боротьбі з вірусом грипу. На відміну від ремантадину, який найбільш ефективний у ранній період зараження, аддукт С60/ПВП володіє стійким дією протягом всього циклу розмноження вірусу. Інша відмітна особливість сконструйованого препарату — його ефективність проти вірусу грипу А — і В-типу, у той час як ремантадин діє тільки на перший тип.

    Наносфери можуть використовуватися і в діагностиці, наприклад, як рентгеноконтрастна речовина, прикріплюються до поверхні певних клітин і показує їх розташування в організмі.

    Особливий інтерес викликають дендримери [3]. Вони являють собою новий тип полімерів, які мають не звичне лінійне, а розгалужена будова.

    Власне кажучи, перше з’єднання з такою структурою було отримано ще в 50-ті роки, а основні методи їх синтезу розроблені в основному в 80-е роки. Термін «дендримери» з’явився раніше, ніж «нанотехнології», і перший час вони між собою не асоціювалися. Однак останнім часом дендримери все частіше згадуються саме в контексті їх нанотехнологічних (і наномедицинских) застосувань.

    Це пов’язано з цілим рядом особливих властивостей, якими володіють дендрімерние з’єднання. Серед них:

    • Передбачувані, контрольовані і відтворені з великою точністю розміри макромолекул;
    • Наявність в макромолекулах каналів і пор, які мають добре відтворювані форми та розміри;
    • Здатність до високовибіркового інкапсуляції та іммобілізації низькомолекулярних речовин з утворенням супрамолекулярних конструкцій «гість-господар».

     

    Мікро — і нанокапсули

    Для доставки лікарських засобів в потрібне місце організму можуть бути використані мініатюрні (

    1 мк) капсули з нанопорами. Вже випробовуються подібні мікрокапсули для доставки і фізіологічно регульованого виділення інсуліну при діабеті 1-го типу. Використання пір з розміром близько 6 нм дозволяє захистити вміст капсули від впливу імунної системи організму. Це дає можливість поміщати в капсули інсулін-продукують клітини тварини, які інакше були б відкинуті організмом.

    Мікроскопічні капсули порівняно простої конструкції можуть взяти на себе також дублювання і розширення природних можливостей організму. Прикладом такої концепції може стати запропонований Р. Фрейтасом [4; також див. 14] респироцит — штучний носій кисню і двоокису вуглецю, значно перевершує за своїми можливостями як еритроцити крові, так і існуючі кровозамінники (наприклад, на основі емульсій фтороуглеродов). Більш детально можлива конструкція респироцита буде розглянуто нижче.

    Нанотехнологічні сенсори і аналізатори

    Використання мікро — і нанотехнологій дозволяє багаторазово підвищити можливості по виявленню та аналізу надмалих кількостей різних речовин. Одним з варіантів такого роду пристрою є «лабораторія на чіпі» (lab on a chip) [5]. Це платівка, на поверхні якої впорядковано розміщені рецептори до потрібних речовин, наприклад, антитіла. Прикріплення молекули речовини до рецептора виявляється електричним шляхом або за флюоресценції. На одній платівці можуть бути розміщені датчики для багатьох тисяч речовин.

    Такий пристрій, здатне виявляти буквально окремі молекули може бути використано при визначенні послідовності основ ДНК або амінокислот (для цілей ідентифікації, виявлення генетичних або онкологічних захворювань), виявлення збудників інфекційних захворювань, токсичних речовин.

    Пристрій розміром кілька міліметрів може бути поміщено на поверхні шкіри (для аналізу речовин, що виділяються з потом) або всередині організму (порожнина рота, шлунково-кишковий тракт, під шкіру або в м’яз). При цьому воно зможе повідомляти про стан внутрішнього середовища організму, сигналізувати про будь-які підозрілі зміни.

    В Інституті молекулярної біології ім. Енгельгардта Російської академії наук розроблена система, призначена для експрес виявлення штаму збудника; на одному чіпі розміщується близько сотні флуоресцентних датчиків.

    Цікаву ідею розробляють відразу кілька груп дослідників. Суть її полягає в тому, щоб «пропустити» молекулу ДНК (або РНК) через нанопору в мембрані. Розмір пори повинен бути таким, щоб ДНК проходила в «розпрямленому» вигляді, одна підстава за іншим. Вимірювання електричного градієнта або квантового тунельного струму через пору дозволило б визначити, яке підстава проходить через неї зараз. Заснований на такому принципі прилад дозволив би отримати повну послідовність ДНК за один прохід.

    Медичні застосування скануючих зондовых мікроскопів

    Скануючі мікроскопи являють собою групу унікальних за своїми можливостями приладів. Вони дозволяють досягати збільшення достатнього, щоб розглянути окремі молекули і атоми. При цьому можливо вивчати об’єкти, не руйнуючи їх і, навіть, що особливо важливо з точки зору медико-біологічних застосувань, в деяких випадках вивчати живі об’єкти. Скануючі мікроскопи деяких типів дозволяють також маніпулювати окремими молекулами і атомами.

    Хороший огляд можливостей скануючих мікроскопів при вивченні біологічних об’єктів міститься в книзі [6]. Унікальні можливості скануючих мікроскопів визначають перспективи їх застосування в медико-біологічних дослідженнях. Це в першу чергу вивчення молекулярної структури клітинних мембран.

    Наноманипуляторы

    Наноманипуляторами можна назвати пристрої, призначені для маніпуляцій з нанооб’єктами — наночастинками, окремими молекулами і атомами. Прикладом можуть служити скануючі зондові мікроскопи, які дозволяють переміщати будь-які об’єкти аж до атомів.

    В даний час створені прототипи декількох варіантів «нанопинцета». В одному випадку використовувалися дві вуглецеві нанотрубки діаметром 50 нм, розташовані паралельно на сторонах скляного волокна діаметром близько 2 мкм. При подачі на них напруги нанотрубки могли розходитись та сходитись на зразок половинок пінцета.

    В іншому випадку використовувалися молекули ДНК змінюють свою геометрію при конформационном переході, або розрив зв’язків між нуклеотидными підставами на паралельних гілках молекули.

    Однак маніпулятор для нанооб’єктів може і відрізнятися своїм пристроєм від макроинструментов. Так, була продемонстрована можливість переміщати нанообъекты з допомогою променя лазера. У недавній роботі вчених Корнельського університету і Массачусетського університетів їм вдалося «розмотати» молекулу ДНК з нуклеосомы. При цьому вони тягли її кінець з допомогою такого «лазерного пінцета».

    Мікро — і нанопристрою

    В даний час все більшого поширення набувають мініатюрні пристрої, які можуть бути поміщені всередину організму для діагностичних та лікувальних цілей.

    Сучасний пристрій, призначений для дослідження шлунково-кишкового тракту, має розмір кілька міліметрів, несе на борту мініатюрну відеокамеру і систему освітлення. Отримані кадри передаються назовні.

    Пристрої такого роду було б неправильно відносити до області наномедицини. Однак, відкриваються широкі перспективи їх подальшої мініатюризації і інтеграції з наносенсорами описаних вище типів, бортовими системами управління і зв’язку на основі молекулярної електроніки та інших нанотехнологій, джерелами енергії, утилизирующими речовини, що містяться у внутрішніх середовищах організму. Надалі такі пристрої можуть бути забезпечені пристосуваннями для автономної локомоції і навіть маніпуляторами того або іншого роду. У цьому випадку вони виявляться здатні проникати в потрібну точку організму, збирати там локальну діагностичну інформацію, доставляти лікарські засоби і, в ще більш віддаленій перспективі, здійснювати «нанохирургические операції» — руйнування атеросклеротичних бляшок, знищення клітин з ознаками злоякісного переродження, відновлення пошкоджених нервових волокон і т. д. Докладніше такі пристрої (нанороботи) будуть розглянуті нижче.

    1. R. P. Feynman, «There’s Plenty of Room at the Bottom,» Engineering and Science (California Institute of Tech-nology), February 1960, pp.22 — 36. Текст лекції доступний в інтернеті на сторінці http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html. Російський переклад опубліковано в журналі «Хімія і життя», № 12, 2002, стор. 21-26.

    2. «Science», 23 листопада 2001 р.

    3. Ю. Д. Семчиков. «Дендримери — новий клас полімерів». Соросівський Освітній Журнал. 1998. № 12, стор 45-51.

    4. Robert A. Freitas Jr. «Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell», Arti-ficial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. 26(1998):411-430.

    5. «Магія мікрочіпів». «У світі науки», листопад, 2002, стор 6-15.

    6. Скануюча зондовая мікроскопія біополімерів. Під ред. В. В. Яминского. М. «Науковий світ», 1997.

    7. New Scientist, 25 листопада 2000 р.

    8. Isaac Asimov, «Is Anyone There?» Ace Books, New York, 1967.

    9. Robert C. W. Ettinger, The Prospect of Immortality, Doubleday, NY, 1964. Російський переклад: Роберт Еттінгер. Перспективи безсмертя. М. «Науковий світ», 2003

    10. J. Chen, N. C. Seeman. «Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube». Nature, 350 (1991): 631-633.

    11. Ch. Mao et al. «A Nanomechanical Device Based on the B-Z Transition of DNA». Nature, 397 (14 January 1999):1680-1685.

    12. Жан-Марі Лен. «Супрамолекулярна хімія: концепції та перспективи». Новосибірськ, «Наука». 1998 р.

    13. K. Eric Drexler, «Molecular Engineering: An Approach to the Development of General Capabilities for Molecu-lar Manipulation». Proc. Natl. Acad. Soc. США, 1981, #78 pp. 5275-5278

    14. K. Eric Drexler, «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology». NY, 1986, Ancor Press/Doubleday.

    15. K. Eric Drexler. «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation». John Wiley and Sons, NY, 1992.

    16. Robert A. Freitas Jr. »Nanomedicine. Vol. 1: Basic Capabilities’. Landes Bioscience, Austin, Tx, 1999. Готується до видання російський переклад.

    17. N. Taniguchi, «On the Basic Concept of ‘Nano-Technology’, Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, 1974, Ja-pan Society of Precision Engineering.

    18. Р. Ф. Фейнман, «Ви, звичайно, жартуєте, містер Фейнман?», вид. «Регулярна і хаотична динаміка», 2001 р.

    19. A. MacKinnon, «Quantum gears: a simple mechanical system in the quantum regime», Nanotechnology 13 (Oc tober, 2002) 678-681. Текст доступний в Інтернеті на сторінці http://arxiv.org/abs/cond-mat/0205647.

    20. «Квантові обчислення: за і проти» (збірник). Іжевськ, 1999.

    21. С. D Howe. Nanotechnology: Slow Revolution. Forrester Research Corporation, August 2002, Cambridge, Maryland, USA, 21 p.

    22. C. Б. Нестеров. Нанотехнологія. Сучасний стан та перспективи. «Нові інформаційні техноло-гії». Тези доповідей XII Міжнародної студентської школи-семінару-М. МГІЕМ, 2004, 421 с. с. 21-22.

    23. І. В. Артюхов, Ст. Н. Кеменов, С. Б. Нестеров. Біомедичні технології. Огляд стану й напрямки роботи. Матеріали 9-ї науково-технічної конференції «Вакуумна наука і техніка»-М. МІЕМ, 2002, с. 244-247

    24. І. В. Артюхов, Ст. Н. Кеменов, С. Б. Нестеров. Нанотехнології, біологія і медицина. Матеріали 9-ї науково-технічної конференції «Вакуумна наука і техніка»-М. МІЕМ, 2002, с. 248-253

    Короткий опис статті: нанотехнології в медицині Поняття нанотехнології міцно входить у наше життя, а ще в 1959 р. знаменитий американський фізик-теоретик Ричард Фейнман говорив про те, що існує «вражаюче складний світ малих форм, а коли-небудь (наприклад, у 2000 р.) люди будуть дивуватися тому, чт

    Джерело: Застосування нанотехнологій в медицині: сучасний стан

    Також ви можете прочитати