Нанотехнологии в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Историческая справка

Медицина и нанотехнологии

Диагностика

Терапия

Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями

Заключение

Литература



Введение

Понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". На первом этапе развитие нанотехнологии определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.

Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности. Но постепенно все чаще упоминаются как перспективная область применения нанотехнологии медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г.Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места". Новое направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке. Так, например, Национальные институты здравоохранения включили наномедицину в пятёрку самых приоритетных областей развития медицины в XXI веке, а Национальный институт рака США собирается применять достижения наномедицины при лечении рака. Ряд зарубежных научных центров уже продемонстрировали опытные образцы в областях диагностики, лечения, протезирования и имплантирования.

Классик в области нанотехнологических разработок и предсказаний Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал основные методы лечения и диагностики на основе нанотехнологий. Ключевой проблемой достижения этих результатов является создание специальных медицинских нанороботов - наномашин для ремонта клеток. Медицинские нанороботы должны уметь диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и лимфатических системах человека и перемещаясь во внутренних органах, доставлять лекарства к пораженной области и даже делать хирургические операции. Предполагается, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики.



Историческая справка

Нанотехнологии -такое уже привычное слово в нашей жизни. Оно ворвалось в действительность стремительно. Средства массовой информации обсуждают темы, касающиеся нанотехнологий, с особенным чувством. Ведь это наше будущее. Что же такое нанотехнологии? Прежде всего - это новые технологии, которые затронут все сферы нашей деятельности. Это новая наука, которая базирует свои открытия на мельчайших микрочастицах. Это огромные структуры, созданные из тысячных микрочастиц атомов. Нанотехнологии это методы и способы изобретения наноразмерных систем, которые наделяют изобретения удивительными свойствами.

Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места». Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана.

В 1967 году биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов первым выдвинул идею «мокрой технологии» - использования для лечения людей живых механизмов, существующих в природе. В частности, собирать их из нуклеиновых кислот и ферментов. Потом Роберт Эттингер предложил использовать модифицированные микробы для ремонта клеток.

Термин «нанотехнология» широко распространился в мире после выхода в 1986 году знаменитой книги «Машины творения» физика Эрика Дрекслера. Он стал называть свои предложения по конструированию отдельных молекул, обладающих заданными свойствами, «молекулярной нанотехнологией». Так что история нанотехнологий уже насчитывает более 20 лет.

В 2004 г. в лаборатории Либера, профессора Гарвардского университета (Кембридж, Массачусетс), был создан сенсор на основе нанопроводов, позволяющий детектировать даже единичную вирусную частицу. Связывание вируса со специфическим антителом, нанесённым на поверхность нанопровода, вызывает значимое изменение электрической проводимости.

Учёным также удалось создать наносенсор, способный одновременно выявлять и дифференцировать несколько видов вирусов на основе использования нескольких антител, специфических для каждого из них. Такие устройства могут успешно применяться в медицинской диагностике.

Кроме того, были разработаны наносенсоры, выявляющие определённую последовательность ДНК. В одном из таких устройств рецепторы, нанесённые на нанопровода, способны детектировать гены, несущие специфическую мутацию, вызывающую муковисцидоз в 75% случаев.

Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита. А уже потом на эту «шпатлевку» приклеивались собственные костные клетки человека - таким материалом можно замещать дефекты костей после травм или операций.

Другая разработка, напротив, не дает клеткам приклеиваться к поверхности. Это нужно, к примеру, для создания биореакторов, в которых будут содержаться стволовые клетки. Проблема в том, что, как только стволовая клетка «села» на какую-то поверхность, она немедленно начинает специализироваться - превращаться в клетку конкретной ткани. А чтобы она сохраняла свой потенциал, надо не давать ей «присесть».

Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа - они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.

Искусственно сконструированная клетка-респироцит сможет заменить недостающие в крови эритроциты - она умеет переносить и кислород, и углекислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.

«Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», которая прошла в конце прошлого года в Новосибирске, чуть не 90% докладов посвящались золоту, серебру, цинку, висмуту и различным комбинациям полимеров, сорбентов и т.п.

Бактерицидные и ранозаживляющие свойства серебра известны медицине давно. Однако наши ученые выяснили, что если серебро и прочие металлы превратить в наночастицы, эти свойства резко возрастают. И доказали это на многочисленных клинических исследованиях. Ожоги, огнестрельные раны, переломы, кожные, гинекологические и прочие воспаления/раны заживают значительно быстрее и эффективнее.



Чип - это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам - белкам, токсинам, аминокислотам и т.п. Достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам. А потом прибор-анализатор считает информацию. Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН под руководством академика Андрея Мирзабекова, уже умеют практически мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п.

Медицина и нанотехнологии

В последнее время медицина все чаще рассматривается как одна из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий. Сегодня можно констатировать появление нового направления медицинской науки - наномедицины. С ней связывают такие уникальные вещи, как:

- лаборатории на чипе;

- адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;

- диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;

- новые бактерицидные и противовирусные средства;

- нанороботы для ремонта поврежденных клеток и многое другое.

Официально наномедицину определяют как «область применения макромолекул и наночастиц для диагностики и лечения болезней, а также репарации (восстановления) поврежденных тканей».

Веками человек искал волшебное средство для избавления от многочисленных болезней и ран. Многие современные исследователи верят, что нанотехнология может стать гигантским шагом человечества к этой цели. Еще одной задачей молекулярной наномедицины является оценка возможного токсического воздействия на организм человека наночастиц или установление его отсутствия. Важно также решить этические проблемы, которые появятся в ходе развития наномедицины. Возможные медицинские достижения, которые станут доступными с помощью нанотехнологии, простираются от диагностики до терапии.

Диагностика

За последние десятилетия визуализация (возможность с помощью приборов видеть изменения органов и тканей) стала решающим инструментом в постановке диагноза болезни.

Магнитный резонанс и компьютерная томография превосходные методы, но нанотехнология обещает создать чувствительные и чрезвычайно точные инструменты для диагностики с возможностями, находящимися далеко за пределами современного оборудования. Основная цель такой диагностики состоит в том, чтобы позволить врачам идентифицировать болезнь как можно раньше. Ожидается, что нанотехнология сделает возможным постановку диагноза на клеточном и даже субклеточном (органоидном) уровне.

Сегодня стало возможным применение в визуализации квантовых точек. В последние годы обнаружено, что эти нанокристаллы позволяют исследователям изучить процессы в клетке на уровне отдельной молекулы. Это может значительно улучшить качество постановки диагноза и лечение раковых образований. Флуоресцентные полупроводниковые квантовые точки чрезвычайно полезны для визуализации клетки с высокой разрешающей способностью.

На рисунке приведена фотография темнопольного изображения нативных (не подвергавшихся никакому воздействию) эритроцитов человека (рис. а) и изображение тех же самых клеток после декорирования их золотыми нанооболочками (рис. б). Очевиден разительный контраст в качестве изображения.

Таким образом, квантовые точки могли бы совершить революцию в медицине, но, к сожалению, в большинстве своем они токсичны. Однако защитные покрытия для квантовых точек могут устранить этот недостаток.

а) б)

Рис. 1. Визуализация эритроцитов с помощью квантовых точек:

а - темнопольное изображение нативных эритроцитов человека;

б - изображение тех же самых клеток после декорирования их золотыми нанооболочками.

Доказано, что квантовые точки достаточно биосовместимы (не оказывают негативного влияния на клетки). Кроме того, установлено, что при клеточном делении эти частицы переходят в обе родственные клетки, таким образом потери метки не происходит. Использование меток может быть дополнено применением магнитных наночастиц для доставки лекарств и их введения с помощью магнитного поля в пораженные ткани. Каждый тип наночастиц обладает своими особенностями: полупроводники хороши как флуоресцентные метки, а металлы и их оксиды - как магнитные.

Учеными были получены уникальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и обладают особым биоинертным (не оказывающим влияния на биологические объекты) покрытием, которое, с одной стороны, защищает сами квантовые точки от действия ферментов и других биологических молекул организма, а с другой - не дает возможность токсичным веществам попасть в организм, что очень важно для диагностики заболеваний. Активно развиваются работы по применению различных типов квантовых точек в качестве меток для клеток, тканей, бактерий и вирусов, хотя в некоторых случаях (например, квантовые точки CdSe) отмечена их токсичность.

Большинство людей считает, что перекись водорода - это только дезинфицирующее средство из домашней аптечки. Но с помощью наночастиц она может служить индикатором болезней в организме.

Созданы наночастицы, способные обнаружить и определить количество перекиси водорода в организме животных. Эти наночастицы в будущем могут использоваться как простой, универсальный диагностический инструмент для обнаружения самых ранних стадий любой болезни, которая приводит к хроническому воспалению: от рака и болезни Альцгеймера до болезней сердца и артрита.

Считается, что клетки на ранних стадиях большинства болезней производят перекись водорода. Синтезированные наночастицы могут стать ключом к лучшему пониманию роли перекиси водорода в течении многих болезней и сыграть важную диагностическую роль. Такие наночастицы невероятно чувствительны и позволяют обнаружить наномолярные концентрации перекиси водорода. Это особенно важно, потому что медики пока не имеют точных данных о том, какое же количество перекиси водорода присутствует при различных болезнях.

Наночастицы можно будет вводить иглой в определенную область тела (например, сердце). Если наночастица столкнется с молекулой перекиси водорода, она будет излучать свет. Если доктор увидит значительное свечение в исследуемой области, то он будет знать, что это ранние признаки болезни.

Наночастицы проникают глубоко в ткани и испускают свет на большой длине волны, что делает их чувствительными индикаторами перекиси водорода, произведенной при любом воспалении.

Оболочка наночастиц сделана из полимера эфира пероксалата, содержимым является флуоресцентная краска (пентацен) (рис. 2). Когда наночастица сталкивается с перекисью водорода, краска переходит в возбужденное состояние и испускает фотоны (свет), которые могут быть обнаружены простым детектором. Полимерная оболочка позволяет изолировать реагирующие вещества (пентацен и перекись) в естественных условиях, но при этом расположить их всего в нескольких нанометрах друг от друга.

Рис. 2. Схема наночастицы для обнаружения перекиси водорода

Шведскими учеными создан новый тип внутриклеточного наносенсора, который измеряет уровень клеточного pH (показатель кислотности среды). В пентацен здоровых клетках этот показатель должен быть близок к значению, характерному для нейтральных растворов, и равному 7. Если рН сдвинут в кислую (ниже 7) или щелочную (для клеток, как правило, выше 7,5), это свидетельствует о нарушении нормального состояния клетки. Внутриклеточный сенсор поможет быстро определить, здорова клетка или нет.

В роли наносенсора выступают наноштыри из оксида цинка (ZnO), чувствительные настолько, что могут определять отдельные химические соединения в разных областях живой клетки (рис. 3).

Рис. 3. Наносенсор на основе наноштырей ZnO

Традиционный биосенсор состоит из основы и нанесенного на ее поверхность ряда биологических маркеров, реагирующих на различные вещества. В данном случае вместо сложной составной системы один кристалл из оксида цинка, который работает непосредственно в качестве детектора химических соединений.

Сенсор представляет собой иглу, на конце которой расположен зонд диаметром 1,4 микрона, состоящий из наноштырей ZnO диаметром 80-100 и длиной до 900 нм.

Благодаря небольшому размеру наноштырей, кончик зонда может свободно проникать в живую клетку и измерять уровень pH в реальном времени. Вследствие большого количества отдельных наноштырей зонд имеет высокую чувствительность, что позволяет измерять даже слабый электрохимический потенциал, вызванный присоединением различных биологических молекул кнаноштырямназонде.

Более того, наносенсор достаточно чувствителен для того, чтобы получать сигналы от отдельных органелл, чего ранее было невозможно достичь. Также зонд не делает большие проколы в клеточной мембране, что позволяет сохранить жизнеспособность клетки после измерений.

Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. Например, их можно присоединить к биомолекулам типа антител, пептидов, белков или к ДНК. Эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроецированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы (например, типичные для поверхности раковых клеток).

Применение квантовых точек может существенно расширить диагностические возможности медицины. Можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфическим сочетанием признаков заболевания. Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек основана на отслеживании перемещения внутри человека различных веществ (лекарств, токсинов, крови). Определив эти движения, можно узнать степень распределения и введения новых препаратов. Кроме того, новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точную адресную доставку новых поколений лекарств.

Многие проекты нанотехнологий только разрабатываются, но есть и те которые являются реальными средствами современной медицины. Например, экспресс-анализаторы, называемые еще «лаборатории на чипе». Один чип размером порядка 4x4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, количественного определения белков и многого другого. При этом кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут.

Примером такого устройства может служить миниатюрный и быстродействующий экспресс-анализатор, созданный учеными Калифорнийского университета, США (рис. 4).

Рис. 4. Экспресс-анализатор

Это устройство размером с мобильный телефон, которое может всеголишь по одной капле крови выдать ее полноценный анализ и представляет собой биологическую лабораторию на чипе на основе углеродных нанотрубок. Капля крови поступает в смесительный резервуар, в котором она смешивается с антикоагуляторами, препятствующими ее свертыванию, затем в контейнер, где кровь «разжижается», что позволяет посчитать отдельные клетки. После разбавления крови образец поступает в сепаратор, где клетки отделяются друг от друга по размерам и направляются по отдельным конвейерам далее. Сепарация осуществляется благодаря гидродинамическим свойствам крови как жидкости.

Устройство разрабатывалось в первую очередь для космонавтов. При длительных полетах дает информацию об образце в среднем за две минуты.

Анализатор можно переоборудовать для идентификации разных молекул, вирусов и бактерий, что позволит получить более полную информацию о крови чем та, которую можно получить с помощью традиционного анализа. Можно даже проводить онкологические тесты раннего обнаружения рака, если добавить к счетчикам белковые маркеры раковых клеток.

Терапия

В области терапии наиболее существенным результатом применения нанотехнологий является решение проблем доставки препаратов и регенерации тканей. Наночастицы позволяют врачам:

- доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и сводя к минимуму побочные эффекты;

- обеспечивают возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ и их метаболитов (продуктов превращения лекарств в ходе естественных процессов обмена веществ в организме);

- могут использоваться для стимулирования врожденных механизмов иммунитета и регенерации (основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками).

Aктивно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, размер которых в 70 раз меньше, чем красные кровяные тельца, переносятся с током крови к определенному органу, где происходит пролонгированное (постепенное) выделение препарата. Для достижения эффективности лекарства необходимо, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты - в мозг, противовоспалительные средства - в места воспалений, противоопухолевые препараты - в опухоль и т.д. Способность молекул вещества поступать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью. Биологическая усвояемость - камень преткновения всей современной фармацевтики.

Сегодня ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для доставки лекарственных веществ непосредственно в больные органы и ткани могут быть использованы полимерные наноразмерные капсулы. В настоящее время получены нанокапсулы со средним диаметром от 10 до 5000 нм, включающие матрицу из воска или текстильного волокна и активного вещества.

Указанная структура позволяет обеспечить стабильное выделение лекарства в течение длительного периода и, если в дендримеры будут встроены миниатюрные датчики, - постоянный контроль состояния пациента, позволяющий регулировать поступление лекарства.

Обычная бактерия обладает естественной способностью проникать в живые клетки и может работать в качестве «транспортного средства» по доставке лекарств, что открывает новые возможности в области генной терапии. Наночастицы размером от 40 до 200 нм прикрепляют на поверхность бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и «типы» грузов, которые нужно доставить.

На рис. 5 представлена схема такой капсулы.

Одним из направлений развития нанохимии является криохимия. Криохимические методы открывают новые возможности для получения и производства лекарственных препаратов. Биофармацевтическая и терапевтическая активность лекарств зависит от их полиморфной модификации, молекулярной организации, структурной упорядоченности, размера и формы частиц. В настоящее время нанохимия занимается получением структурно- модифицированных (видоизмененных) лекарственных средств. При исследовании различных органических соединений установлено, что в низкотемпературных конденсатах формируются особые неравновесные состояния, на основе которых предложены новые способы производства лекарственных препаратов. Низкие температуры (криомодификация лекарств) позволяют обойтись без использования растворителей и исключают загрязнение окружающей среды.

Фуллерены, нанотрубки, наносферы и другие наночастицы способны повышать качество имплантантов - биосовместимость, механическую прочность, срок службы (например, для искусственных клапанов сердца).

Наноматериалы оказались перспективными и для зубоврачебной практики. Наночастицы оксидов металлов с амфотерными свойствами (титана, олова, тантала, ниобия и индия), содержащие дополнительно фосфор-, сера- или кремнийфункциональные группы при сополимеризации с акрилатными или метакрилатными мономерами образуют нанокомпозиты, которые полимеризуются уже при комнатной температуре с образованием очень прочных твердых материалов.

Широкое применение в медицинской практике находят наночастицы благородных металлов, в частности серебра и золота (рис. 6). Свойства наночастиц серебра уникальны, для них характерна феноменальная бактерицидная и антивирусная активность.



Рис. 6. Наночастицы серебра на подложке

В отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается.

Это объясняется тем, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами серебра перестают снабжать бактерию кислородом, поэтому микроорганизм больше не может окислять глюкозу и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы вообще не имеют никакой оболочки, поэтому погибают сразу. Клетки же человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны.

Серебряные наночастицы - не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бактериями. Недавно был создан нанокатализатор, который производит углеродные нанотрубки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различных биологических агентов он меняет свой цвет от красного до желтого. Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы. В эксперименте на бактериях отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов.

«Наноковер» может быть использован в качестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности для применения в терапии, а также в фильтрах для очистки воды и воздуха.

Нанокристаллические оксиды, в частности оксид магния, также были использованы для уничтожения различных бактерий, вирусов, токсинов, при применении хлорированных аддуктов. Механизм взаимодействия и гибели биологически активных частиц при реакции с системой наноразмерный оксид-хлор нуждается в дальнейших исследованиях, которые представляют интерес для борьбы с биологическим оружием и различными биотоксикологическими заболеваниями.

Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями

Проблема избавления человечества от патологического страха, вызываемого диагнозом «рак», является одной из важнейших для современной медицины. Для этого необходимо добиться ранней диагностики заболевания и разработать безопасные методы терапии. К сожалению, пока эти проблемы решаются недостаточно быстрыми темпами. Идеальных средств борьбы с раком пока не создано. Лучевая терапия, убивая раковые клетки, повреждает и эпителиальный слой, вызывая целый ряд побочных эффектов, таких как выпадение волос. Химиотерапия наносит сильный удар по почкам, сердцу, печени и может стать причиной частичной потери слуха и язвенной болезни органов пищеварения. Многие проблемы позволят решить нанотехнологии.

В настоящее время методы использования наночастиц в диагностике и лечении опухолей стремительно приближаются к внедрению в клиническую практику. Биомедицинское направление нанохимии предполагает разработку способов воздействия на клетки биологических тканей наноманипуляторами, а также методов создания наносистем непосредственно в биологических тканях.

Лабораторные эксперименты показали, что процедуру ввода в полимерное тело реагентов, при взаимодействии которых формируются наночастицы гетита или гидроксиапатита, можно организовать таким образом, чтобы возникшие в объеме тела на ночастицы почти не влияли на структуру полимера. Если после образования наночастиц на тело наложить акустическое поле, то оно нагреется до 43 °С в течение времени, за которое тело без наночастиц почти не изменит температуру. Это позволило предположить, что если найти вещества, наночастицы которых могут формироваться в раковых клетках со значительно большей вероятностью, чем здоровые ткани, то раковые клетки можно будет селективно нагреть и «убить». И такие вещества были найдены. Были получены интересные результаты действия одного из них (терофтала) на развитие раковой опухоли у мышей. Стало очевидным, что сами по себе наночастицы терофтала не влияют на развитие опухоли, а акустическое поле лишь слабо замедляет ее рост. Но если поле наложить после образования наночастиц терофтала, причем всего на 10 минут, объем опухоли в течение недели уменьшится на 80%. Эти факты подчеркивают перспективность изучения эволюции наносистем в биологических средах.

Прессконференция «Достижения нанотехнологии в диагностике и лечении рака», проводившаяся в рамках международной конференции «Молекулярные мишени и методы терапии рака» с 14 по18 ноября 2007 года в Пенсильвании, США, была полностью посвящена развитию этого нового направления в медицине. Ниже изложены наиболее перспективные разработки в этой области.

Однослойные углеродные нанотрубки с адсорбированными антителами для обнаружения клеток рака. Антитела, своего рода управляемые снаряды, специфичные к рецептору инсулиноподобного фактора роста I (IGF1R) - особому белку на поверхности большинства злокачественных клеток), - находят эти клетки и связываются с ними. При помещении образующегося комплекса между электродами происходит изменение его электропроводимости, причем оно прямо пропорционально количеству рецепторов на поверхности клеток.

Результаты этих разработок могут лечь в основу метода обнаружения опухолевых клеток в крови, как в случае образования новой опухоли, так и в случае рецидива опухоли или метастазов, оставшихся после проведенного ранее лечения. Важным достоинством этого метода является то, что он позволяет определить злокачественность клеток в течение нескольких минут, в отличие от нескольких часов или даже дней, требующихся для применяемых в настоящее время методов.

Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии рака и обнаружения опухолей. Новый подход к лечению рака, основанный на двух приемах, которые безвредны сами по себе, но при совместном использовании губительны для опухолевых клеток.

Используются наносферы, представляющие собой микроскопические силиконовые шарики, покрытые тончайшим слоем золота, а также свет длинноволновой инфракрасной области спектра (рис. 7).

нанотехнология медицина диагностика

Рис. 7. Силиконовая наносфера, покрытая золотом



Наносферы нетоксичны и выводятся из организма без каких-либо побочных эффектов, а длинноволновое ИК-излучение, испускаемое лазером, практически не взаимодействует с тканями организма. При введении наносфер экспериментальным животным, больным раком, происходит их накопление в опухоли. Последующее воздействие длинноволнового ИК-света разогревает золотую оболочку частиц, что приводит к гибели опухолевых клеток. Для доставки наночастиц к опухолям были сконструированы «иммунонаносферы» -наносферы, к которым, поверх золотого слоя, прикрепляются антитела, специфичные к опухолевым маркерам и позволяющие обнаружить опухоль в любой части тела.

Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа. С учетом большого количества рецепторов к гормону люлиберину на клетках рака молочной железы создали молекулярный комплекс, состоящий из люлиберина, цитотоксического химического препарата Гекат и суперпарамагнитной частицы оксида железа диаметром 10 нм. Комплекс эффективно уничтожает опухолевые клетки лишь в том случае, когда люлиберин и Гекат наносятся на наночастипу по отдельности, а не в виде комплекса, так как для полноценной реакции необходим контакт обоих соединений с клеточной мембраной. Обнаружение опухолевых клеток в организме и связывание с ними происходит за счет наличия на поверхности наночастицы гормона люлиберина. Кроме рака груди, он может быть использован при опухолях толстого кишечника, легких, яичников, а также меланомы.

Опухоль-ориентированные системы доставки. Созданы липосомные (собранные из молекул липидов) наночастицы, которые благодаря антителам, покрывающим их поверхность, способны находить опухоль в любой части организма. Внутри липосом содержится ген p53, кодирующий белок, запускающий апоптоз (процесс самоуничтожения клетки в случае ее генетического повреждения). При связывании антител с рецепторами трансферрина (белка, переносящего ионы железа), в избытке присутствующими на поверхности раковых клеток, содержимое липосом перемещается внутрь клеток, что приводит к их гибели. В более чем 50% случаев злокачественные клетки имеют мутацию в гене p53, являющемся «охранником» генома, так как он обеспечивает избавление от генетически измененных клеток.

Таким образом, нет оснований сомневаться, что в недалеком будущем многие проблемы диагностики и лечения онкологических заболеваний лягут на плечи маленьких, но эффективных наночастиц.

Лечение раковых метастазов. Раковые метастазы традиционно гораздо хуже поддаются лечению, чем первичная опухоль, и, в конечном счете, именно они становятся причиной смерти большинства пациентов. Поскольку рост метастаз существенно зависит от развития новых кровеносных сосудов (ангиогенеза), антиканцерогенный препарат, направленный на поражение таких сосудов, влияет больше на метастазы, а не на первичную опухоль. Исследователи Гарвардской Медицинской школы сообщают о разработке перорально принимаемого препарата, получившего название лодамин (Lodamin) и являющегося ингибитором ангиогенеза. Этот комплекс также производится на основе наночастиц, улучшающих нацеливание активного ингредиента на пораженные клетки. Оказалось также, что лодамин нетоксичен, что позволяет использовать его для профилактики развития рака у пациентов, находящихся в зоне особого риска. Кроме того, лодамин оказывает положительный эффект при лечении других заболеваний, связанных с аберрантным ростом кровеносных сосудов, например, старческой дегенерации желтого пятна и артритов.

В клинических тестах на мышах лодамин обладал существенным временем жизни в кровотоке, избирательно накапливался в ткани опухоли, блокировал ангиогенез и существенно ингибировал рост первичной опухоли, меланомы и рака легких. При употреблении эффективных доз препарата не наблюдалось заметных побочных явлений. Кроме того, лодамин накапливался в печени, не вызывая ее поражения, препятствуя развитию метастаз в ткани печени и продлевая жизнь подопытных организмов.

Применение фуллерена С₆₀ незадолго до облучения или же в течение 30 минут после процедуры позволяет снизить повреж-дение внутренних органов на 50-60%. Помимо общего воздей-ствия, фуллерен С₆₀ успешно защищает от последствий облуче-ния почки и некоторые части нервной системы, а возможность точной настройки лекарства за счет привязки к фуллереновым наношарикам дополнительных молекул позволяет надеяться на создание терапий, нацеленных на защиту строго определенных тканей и органов (рис. 8).

Рис. 8. Схема нейтрализации фуллереном свободных радикалов

В медицине «золотые наночастицы» - маленькие частицы кремния, покрытые золотом, или золотые частицы, введенные в раковую опухоль, - при воздействии на них лазерного или микроволнового излучения могут находить и уничтожать раковые клетки.

Были проведены успешные тесты на материале рака груди человека. Оболочки наночастиц абсорбируют энергию излучения и затем преобразовывают ее в тепловую энергию.

Для того чтобы наночастица присоединилась только к больным клеткам, эти оболочки имеют маркеры раковых клеток. Нагревая раковые клетки до 50-55 °С, можно разрушить их мембрану, вызывая гибель клетки. Главным преимуществом новой технологии станет лечение раковых опухолей с помощью лазерного излучения, без хирургического вмешательства. По мнению исследователей, новые наночастицы безвредны для здоровых тканей человека. Специалисты уверены, что благодаря им можно будет лечить даже очень маленькие метастазы, которые на сегодняшний день нельзя определить медицинскими методами.



Заключение

Особое место а нанохимии принадлежит частицам, связанных с реальзацией различных процессов биопроцессов. В настоящее время идет развитие нового направления нанохимии - наномедицина, которая неразрывно связанная с нанотехнологиями . В область наномедицины в настоящее время перемещаются основные исследования по нанохимии. Перспективы развития нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление.

Активно развиваются работы по применению различных типов квантовых точек в качестве меток для клеток, тканей, бактерий и вирусов. По сравнению с органическими красителями они имеют более высокие фотостабильность и чувствительность. Несмотря на то, что обнаружена токсичность некоторых из них, их использование на животных в качестве биометок и диагностики болезней имеет широкое распростарнение.

Самоассоциация биологических молекул в различные наноархитектурные ансамбли может способствовать превращению содержащейся вних информации в физико- химические сигналы.

В настоящее время методы использования наночастиц в диагностике и лечении опухолей стремительно приближаются к внедрению в клиническую практику. Прессконференция «Достижения нанотехнологии в диагностике и лечении рака», проводившаяся в рамках международной конференции «Молекулярные мишени и методы терапии рака» с 14 по18 ноября 2007 года в Пенсильвании, США, была полностью посвящена развитию этого нового направления в медицине.

Современные тенденции развития нанохимии позволяют утверждать, что значение наномедицины будет возрастать, а ее вклад в науку и технологию XXI в. непрерывно увеличивается.



Литература

Л.К. Каменек, Г.Т. Брынских, Л.А. Иванова, Л.А. Михеева, В.М. Каменек, Н.В. Келасьева, Д.В. Каменек, С.В. Пантелеев, О.Ю. Шроль, Введение в нанотехнологию, Под общ. ред. Л. К. Каменек - Ульяновск: УлГУ, 2008 г., с.89-100

Г.Б. Нестеров, Нанохимия- М: КДУ, 2007 г., 336 с.

C.Б. Нестеров, Нанотехнология. Современное состояние и перспективы, "Новые информационные технологии", Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004 г., 421 с., с.21-22.

И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров, Нанотехнологии, биология и медицина, Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"- М.: МИЭМ, 2002 г., с.248-253

Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology//, by K.Eric Drexler, 1986г.

http://www.rusnanotekh.ru

http://www.nanowurnal.ru

http://www.nanowerk.com

http://www.nanowerk.com

http://www.nanonewsnet.ru

Размещено на Allbest.ru

...