Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

На очах фантастика стає реальністю - люди навчилися переміщати окремі атоми і складати з них, як з кубиків, пристрої і механізми незвичайно малих розмірів і тому невидимі звичайним оком.

З'явилася ціла галузь науки - нанотехнологія, що ввібрала в себе найновіші досягнення фізики, хімії і біології. Учені - нанотехнологи працюють з нікчемно малими об'єктами, розміром в нанометри. Нанотехнологія - не просто кількісний, а якісний стрибок від роботи з речовиною до маніпуляції окремими атомами. Нанометр в стільки ж разів менше одного метра, в скільки товщина пальця менше діаметру Землі. Нанотехнології мають справу з процесами, які протікають в просторових областях нанометрових розмірів.Нанотехнології можна означити як технології, основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями. Нанотехнології можуть привести світ до нової технологічної революції і цілком змінити не тільки економіку, але й навколишнє середовище. Ряд нанотехнологій використовується на практиці -- приміром, при виготовленні цифрових відеодисків (DVD). Питання нанотехнологій, є актуальним питанням на сьогоднішній день. Сьогодні прогрес в області нанотехнології пов'язаний з розробкою наноматеріалів для аерокосмічної, автомобільної, електронної промисловості.

В галузі медицини можливе створення роботів-лікарів, здатних “жити” всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи їх виникненню.

Наномедицина - це область медичних знань,що бурхливо розвивається, присвячена вдосконаленню профілактики, діагностики та лікування захворювань за допомогою нанотехнології (Freitas, 2005). Формування концепції наномедицини почалося ще в середині XX в. У 1959 р. Річард Фейнман опублікував свою лекцію під назвою «Там, внизу, багато місця», в якій він обгрунтував основні принципи використання нанотехнології в медицині. Поза всяким сумнівом, саме Р. Фейнмана можна вважати пророком розвитку наномедицини, оскільки він передбачив неминучість переходу медичних технологій від макрорівня до мікрорівня і далі аж до атомарного рівня.

Теоретично нанотехнології здатні забезпечити людині фізичне безсмертя, за рахунок того, що наномедицина зможе нескінченно регенерувати клітини, що відмирають. Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у області електроніки і інформаційних технологій. Світ майбутнього буде різнобарвним, насиченим життям. Він перейде на наступний рівень, де багато сучасних проблем будуть розв'язані...

Отже, метою дослідження даної роботи є область медицини, якісно нової, яка напрямлена на вдосконалення профілактики, діагностики та лікування захворювань нанотехнологіями.

Основними завданнями дослідження стали:

1. Проаналізувати сучасний стан в наномедицині.

2. Дослідити основні напрямки сучасних нанотехнологій.

3. Детальніше охарактеризувати використання в наномедицині нанороботів та наночастинок - на нашу думку самих перспективних нанотехнологій.

4. Оцінити всі ризики та переваги використання нанотехнологій в медицині.

5. Розглянути перспективи розвитку нанотехнологій медицини в Україні.



1. Застосування нанотехнологій в медицині: сучасний стан

Всі варіанти застосування нанотехнології в медицині можна розділити на три великі групи: 1) терапевтичні підходи, засновані на застосуванні нанотехнології, 2) діагностичні наномедичні процедури, 3) використання наноматеріалів в технології виготовлення різних виробів медичного призначення. Терапевтичні наномедичні підходи включають використання різних типів наночасток для забезпечення адресної доставки в пошкоджені тканини лікарських препаратів і генетичного матеріалу. Нанотехнології можуть забезпечувати доставку препаратів у певний тип клітин, в окремі клітини, в конкретний внутрішньоклітинний компартмент і навіть в субклітинні структури (ядро клітини, мітохондрії та ін.) Нанотехнології служать важливим інструментом у забезпеченні пролонгованої дії деяких препаратів і контрольованого вивільнення лікарських речовин. За допомогою нанотехнології вдається домогтися кращої переносимості багатьох лікарських препаратів і зменшення небажаних побічних ефектів.

Нанотехнології революціонізували сучасну діагностику. Так, використання певних типів наночасток дозволяє здійснювати прижиттєву візуалізацію окремих патологічно змінених клітин і навіть молекул, є маркерами поширених захворювань. Нанодіагностіка істотно підвищує чутливість і специфічність методів розпізнавання біохімічних і молекулярних маркерів захворювань.

Але поступово все частіше згадуються як перспективна область застосування - нанотехнології. Це пов'язано з тим, що сучасна технологія дозволяє працювати з речовиною в масштабах, ще недавно здавалися фантастичними - мікрометрового, 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. Р. Фейнманом у своїй знаменитій лекції "Там внизу - багато місця" (з посиланням на ідею Альберта Р. Хіббс). 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 зробити там операцію на клапані.

Нещодавно почав розвиватися ще один напрямок створення біоматеріалів - нановолокон, котрі вчені хочуть використати при тканинному інженірінзі, - створенні штучних тканин (в перспективі, - органів) на основі клітинних технологій. Визначають також наступні пріоритети розвитку нанотехнології: супершвидкісні молекулярні детектори для визначення первинної структури генома на основі неорганічних нанопор; - геноми, які саморозмножуються, що застосовуються з метою виробництва ліків, проведення фармакологічного скрінінгу і моделювання патологічних процесів; - біосумістні наноматеріали широкого спектру застосування для створення принципово нових типів перев'язочних матеріалів та штучних органів. Вже розроблена методика відтворення хрящової тканини, яка має механічні та біохімічні властивості, близькі до природнього хряща, для відновлення механічних властивостей зубної емалі; ведуться розробки у створенні технології обробці поверхонь методом нанонапилення з метою надання їм антибактеріальних властивостей.

Основними областями застосування нанотехнологій є: технології діагностики, лікарські апарати, протезування і імплонтанти.

Яскравим прикладом є відкриття професора Азіза. Людям, страждаючим хворобою Паркінсона, через два крихітних отвори в черепі впроваджують в мозок електроди, які підключені до кардіостимулятора. Приблизно через тиждень хворому імплантують і сам стимулятор у черевну порожнину. Регулювати напруга пацієнт може сам за допомогою перемикача. З болем вдається впоратися вже в 80% випадках: у когось біль зникає зовсім, у когось затихає. Через метод глибокої стимуляції мозку пройшло близько чотирьох десятків людей.

Багато колег Азіза кажуть, що цей метод не ефективний і може мати негативні наслідки. Професор ж переконаний, що метод дієвий. Ні те ні інше зараз не доведено. Мені здається треба вірити лише сорока пацієнтам, які позбулися від нестерпного болю. І знову захотіли жити. І якщо вже 8 років цей метод практикується і не позначається негативно на здоров'я хворих, чому б тоді не розширити його застосування.

Ще одним революційним відкриттям є біочіп - невелика пластинка з нанесеними на неї в певному порядку молекулами ДНК або білка, застосовувані для біохімічних аналізів. Принцип роботи біочіпа простий. На пластинку наносять певні послідовності ділянок розщепленої ДНК. При аналізі на чіп розташовують досліджуваний матеріал. Якщо він містить таку ж генетичні інформацію, то вони зщеплюються. У результаті чого можна спостерігати. Перевагою біочіпів є велика кількість біологічних тестів зі значною економією досліджуваного матеріалу, реактивів, трудовитрат і час на проведення аналізу.

Таким чином, нанотехнології є мультидисциплінарним напрямом фундаментальної та прикладної науки з широким спектром різноманітних засобів та інструментів на стику інженерії, біології, фізики та хімії.

зондовий мікроскопія онкологія нанотехнологічний



2. Характеристика сучасних нанотехнологій в медицині

Сучасні нанотехнології в медицині можна розділити на кілька груп:

· Наноструктуровані матеріали, в т. ч., поверхні з нанорельефом, мембрани з наноотверстіямі;

· Наночастки (в т. ч., фулерени та дендримеру) (мал..2.1);

· Мікро-і нанокапсули;

· Нанотехнологічні сенсори і аналізатори;

· Медичні застосування скануючої зондової мікроскопії;

· Наноінструменти і наноманіпулятор;

· Мікро-та нанопристрої різного ступеня автономності.

Дослідимо ці напрямки наномедицини.

2.1 Наноматеріали

Наноматеріали - це матеріали, структуровані на рівні молекулярних розмірів або близькій до них. Структура може бути більше або менше регулярній або випадковою. Поверхні з випадковою наноструктурою 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 зондового скануючого мікроскопа (див. нижче). Проте, досить великі (~1 мк 2 і більше) ділянки, а також обсяги речовини можуть бути структуровані, мабуть, тільки способом самоскладання молекул.

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

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

У медицині матеріали з наноструктурованою поверхнею можуть використовуватися 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 наноматериал, що імітує природну кісткову тканину. Так, вчені з Північно-західного університету (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp і інші використовували тривимірну самозборку волокон близько 8 нм діаметром, що імітують природні волокна колагену, з подальшою мінералізацією і освітою нанокристалів гідроксиапатиту, орієнтованих уздовж волокон. До отриманого матеріалу добре прикріплялися власні кісткові клітини, що дозволяє використовувати його як "клей" або "шпаклівку" для кісткової тканини. Представляє інтерес і розробка матеріалів, які мають протилежну властивість: 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 або інші спеціалізовані клітини. Використання матеріалів з нанорозмірною структурою поверхні для управління процесами проліферації і диференціації стовбурових клітин являє собою величезне поле для досліджень.

Мембрани з нанопорамі 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 і інші імплантує пристрою від альбуміну і подібних що обволікають речовин.

2.2 Наночастинки

Адресно доставляти лікарські речовини в клітини-мішені джерела розвитку патологічного процесу можна за допомогою наночастинок, які стають своєрідними «кур'єрами» або «контейнерами». В якості останніх можуть бути використани наночіпи - фосфоліпідні частинки, ліпосоми і фулерени.

Впровадження нанотехнологічних підходів у практику медичної діагностики дозволяє здійснювати раню діагностику захворювань, виявляти онкологічні, ендокринні, серцево-судинні захворювання, вірусні та бактеріальні інфекції та покращити продуктивність діагностикі, основаної на передачі візуальної інформації про молекулярні структури - молекулярної фізіографії . Контрастна речовина для неї складається з наночасток, з якими з'єднані компоненти, що візіалізуються, та певні антитіла, або які-небудь інші молекули, що здатні відшукати ціль. Коли контрастна речовина вводиться в кровоток, компоненти, що візіалізуються, попадають в хворі тканини. Після чого лишається «зчитати» візіалізовану інформацію.

Американська компанія C-Sixty Inc. проводить передклінічні випробування засобів на основі фуллеренових наносфери С60 з впорядковано розташованими на їхній поверхні хімічними групами. Ці групи можуть бути підібрані таким чином, щоб зв'язуватися з заздалегідь вибраними біологічними мішенями.

Спектр можливих застосувань надзвичайно широкий. Він включає боротьбу з вірусними захворюваннями такими, як грип і ВІЛ, онкологічні та нейродегенеративними захворюваннями, остеопорозом, захворюваннями судин. Наприклад, наносфери може містити всередині атом радіоактивного елемента, а на поверхні - групи, що дозволяють їй прикріпитися до ракової клітки.

Подібні розробки проводяться і в Росії. В Інституті експериментальної медицини (Санкт-Петербург) використовували аддукт фулерену з полівінілпіролідоном (ПВП). Це з'єднання добре розчиняється 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 володіє антивірусною дією, вся активність приписується містяться в аддукт молекулам С60.

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

2.3 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 розміщувати в капсули інсулін-продукують клітини тварини, які інакше були б відірвані організмом.

Мікроскопічні капсули порівняно простий конструкції можуть взяти на себе також дублювання і розширення природних можливостей організму. Прикладом такої концепції може послужити запропонований Р. Фрейтасом респироцит - штучний носій кисню і двоокису вуглецю, що значно перевершує за своїми можливостями як еритроцити крові, так і існуючі кровозамінники (наприклад, на основі емульсій фторовуглеводнів).

2.4 Нанотехнологічні сенсори і аналізатори

Використання мікро - і нанотехнологій дозволяє багаторазово підвищити можливості щодо виявлення та аналізу надмалих кількостей різних речовин. Одним з варіантів такого роду пристрої є "лабораторія на чіпі" (lab on a chip). Це диск, на поверхні якої впорядковано розміщені рецептори до потрібних речовин, наприклад, антитіла. Прикріплення молекули речовини до рецептора виявляється електричним шляхом або за флуоресценції. На одній платівці можуть бути розміщені датчики для багатьох тисяч речовин.

Такий пристрій, здатний 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 в декілька міліметрів може бути розміщено на поверхні шкіри (для аналізу речовин, що виділяються з потом) або всередині організму (в порожнину рота, шлунково-кишковий тракт, під шкіру або 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 "распрямленном" вигляді, одна підстава за іншим. Вимірювання електричного градієнта або квантового тунельного струму через пору дозволило б визначити, яка підстава проходить через неї зараз. Заснований на цьому принципі прилад дозволив би отримати повну послідовність ДНК за один прохід.

2.5 Медичні застосування скануючих зондової мікроскопії

Скануючі мікроскопи представляють собою групу унікальних за своїми можливостями приладів. Вони дозволяють досягати збільшення достатньої, 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.

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

2.6 Наноманіпулятори

Наноманипуляторами можна назвати пристрої, призначені для маніпуляцій з нанооб'єктами - наночастинками, молекулами і окремими атомами. Прикладом можуть служити скануючі зондові мікроскопи, які дозволяють переносити будь-які об'єкти 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 розходитися і сходитися на зразок половинок пінцета.

В іншому випадку використовувалися молекули ДНК, що міняють свою геометрію при конформаційному перехід, або розриву зв'язків між нуклеотидними підставами на паралельних гілках молекули.

Однак маніпулятор для нанооб'єктів може відрізнятися своїм пристроєм від макроинструментов. Так, була продемонстрована можливість переміщати нанооб'єктів з допомогою променя лазера. У нещодавній роботі вчених Корнельського і Массачусетського університетів їм вдалося "розслабитися" молекулу ДНК з нуклеосоми. При цьому вони тягли її за кінець з допомогою такого "лазерного пінцета".



2.7 Мікро - і наноприлади

В даний час все більше поширення одержують мініатюрні пристрої, які можуть бути поміщені всередину організму для діагностичних, а можливо, і лікувальних цілей.

Сучасне 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 подальшого 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 обладнані пристроями для автономної локомоції і навіть маніпуляторами того чи іншого роду. У цьому випадку вони будуть здатні проникати в потрібну точку організму, збирати там локальну діагностичну інформацію, доставляти лікарські засоби і ще більш віддаленій перспективі, здійснювати "нанохирургические операції" - руйнування атеросклеротичних бляшок, знищення клітин з ознаками злоякісного переродження, відновлення пошкоджених нервових волокон.

2.8 Нанороботи

Розглядаючи окремий атом в якості цеглинки або "детальки" нанотехнологи шукають практичні способи конструювати з цих деталей матеріали із заданими характеристиками. Багато компаній вже вміють збирати атоми і молекули в певні конструкції. У перспективі, молекули будуть збиратися подібно до дитячого конструктора. Для цього планується використовувати нано-роботів (наноботів)

Будь-яку хімічно стабільну структуру, яку можна описати, насправді, можна і побудувати. Оскільки наноботи можна запрограмувати на будівництво будь-якої структури, зокрема, на будівництво іншого наноботи, вони будуть дуже дешевими. Працюючи у величезних групах, наноботи зможуть створювати будь-які об'єкти з невеликими витратами, і високою точністю. У медицині проблема застосування нанотехнологій полягає в необхідності змінювати структуру клітини на молекулярному рівні, тобто здійснювати "молекулярну хірургію" за допомогою наноботів. Очікується створення молекулярних роботів-лікарів, які можуть "жити" всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи виникненню таких. Маніпулюючи окремими атомами і молекулами, наноботи зможуть здійснювати ремонт клітин.

Прогнозований термін створення роботів-лікарів, перша половина XXI століття.

Протягом останніх десяти років безперервно робилися спроби сконструювати мікророботів для лікування певних захворювань.

Так, в 2002 р. Ishiyama et al. розробили мікроскопічні оборотні гвинтові структури, рух яких в крові забезпечувався магнітним полем. Ці микророботи призначалися для доставки лікарських речовин в інфіковану тканину і навіть для проникнення в пухлини з метою їх термічної деструкції. У 2003 р. була зроблена спроба використовувати магнітні поля різної інтенсивності для забезпечення спрямованого руху в організмі людини мікроробота, яке містить феромагнітні частки (Mathieu et al., 2003). У 2005 р. ці спроби не увінчалися успішним створенням мікророботів, що мали розмір близько 200 мкм, які могли бути введені в просвіт судини через голку (Nelson, Rajamani, 2005). Ці мікророботи ефективно переміщалися з водного лабіринту за рахунок приміщення за зовнішнє магнітне поле, причому різні частоти поля приводили до селективної активації певних частин робота, забезпечуючи контроль його функцій.

На сьогоднішній день ми маємо обмежені дані про можливе застосування подібних нанороботів в практичній медицині.

Один з небагатьох завершених проектів присвячений створенню т. н. респироцита - штучного еритроциту, що складається з 18 мільйонів чітко структурованих атомів (Freitas, 1998). Респироцит являє собою сферичну посудину з алмазоподібного матеріалу, що має 1 мкм в діаметрі і витримує тиск в 1000 атмосфер. Здатність цього наноробота до перенесення кисню в 256 разів перевищує аналогічну здатність еритроциту.

Інший приклад нанороботів, що виконує функцію природної клітини людського організму - штучний фагоцит (Freitas, 2005). Такого роду наноробот також призначений для циркуляції в крові і фагоцитозу патогенних вірусів, бактерій і грибів. За прогнозами творців, введення в кровотік штучних фагоцитів може призводити до повного знищення патогенних мікроорганізмів протягом кількох годин у пацієнтів з тяжкою септикопиемией.

Великі надії покладаються на застосування нанороботів в хірургії. При цьому нанороботи також вводяться в кровотік і потім здійснюють пошук ураженої тканини і корекцію дефектів за рахунок маніпулювання на нанорівні. Перші дані про застосування нанороботів для хірургічних потреб свідчать про перспективність даного методу. Так, наприклад, фемтосекундний лазер являє собою «нано-ножиці», за допомогою яких здійснюються найтонші маніпуляції на рівні внутріклітинних структур. Такий ефект досягається за рахунок випаровування нанообъемов тканини без будь-якого пошкодження сусідніх ділянок тканини. Вже є досвід використання фемтосекундного лазера для препарування мікротрубочок в клітинах дріжджів (Sacconi et al., 2005) і нанохирургии окремих хромосом в живій яйцеклітині шляхом виборчого видалення певних ділянок генома (Konig et al., 1999). Істотним моментом є те, що ці процедури не впливають на життєздатність клітин, в яких вони виконуються.

У майбутньому прогнозується створення нанороботів, здатних здійснювати найдрібніші маніпуляції на ультраструктурному рівні, нездійсненні рукою самого майстерного мікрохирурга.

Наноботи або молекулярні роботи можуть брати участь (як поряд з генною інженерією, так і замість неї) в перепроектуванні геної клітини, в зміні генів або додаванні нових для удосконалення функцій клітини. Важливим моментом є те, що такі трансформації в перспективі, можна виробляти над клітинами живого, вже існуючого організму, змінюючи геном окремих клітин, будь-яким чином трансформувати сам організм! Тим часом, інвестиції в цій галузі (вже складові мільярди доларів) швидко ростуть, а деякі прості методи молекулярного виробництва вже щосили застосовуються. Нанотехнології можуть привести світ до нової технологічної революції і цілком змінити не тільки економіку, але й середовище проживання людини. Цілком можливо, що після вдосконалення для забезпечення "вічної молодості" наноботи вже не будуть потрібні чи вони будуть проводитися самою клітиною.

Для досягнення цих цілей людству необхідно вирішити три основні питання:

1. Розробити і створити молекулярних роботів, які зможуть ремонтувати молекули.

2. Розробити і створити нанокомп'ютер, які будуть керувати наномашинами.

3. Створити повний опис всіх молекул в тілі людини, інакше кажучи, створити карту людського організму на атомному рівні.



3. Переваги застосування НТ у медицині і, зокрема, в онкології

Повний перелік потенційних застосувань НТу медицині дуже великий, але, без сумніву, однією із найбільших цінностей НТ є розробка нових ефективних напрямків діагностики, попередження та лікування захворювань, що не матимуть обмежень, які має сучасна молекулярна діагностика, і дозволять перейти до персоналізованої медицини. Основні напрямки застосування НТ, зокрема в онкології, лежать у галузі візуалізації та діагностики, цілеспрямованої доставки ліків, протипухлинної та генної терапії.

Молекулярна діагностика та візуалізація. Молекулярна візуалізація робить можливими визначення та оцінку молекулярних і клітинних змін, які відбуваються in vitro та in vivo. Флуоресцентні біологічні зонди широко використовуються в біології завдяки їх інертним властивостям і здатності візуалізувати ряд клітинних реакцій. Однак при застосуванні ряду органічних зондів існують обмеження, пов'язані з їх розмірами. Динамічний діапазон НЧ з діаметром менше 100 нм, застосованих у якості зондів з приєднаними до них молекулами пептидів, антитіл або нуклеїнових кислот, робить їх ідеальним знаряддям для візуалізації та кількісної оцінки молекулярних реакцій in vivo. Зонди з використанням НЧ мають високий рівень яскравості, фотостабільності та коефіцієнт адсорбції у широкому діапазоні частот

Більше того, можливість покривати їх антитілами, колагеном та іншими макромолекулами робить їх біосумісними при детектуванні та діагностиці. Показано, що флуоресцентні зонди, виготовлені із застосуванням НТ, є кращими за звичайні флуорофори. Так, застосування імунофлуоресцентних зондів на основі квантових кристалів для мічення онкомаркера Her 2, поверхневих рецепторів клітин-мішеней, цитоскелета, ядерних антигенів, внутрішньоклітинних органел були набагато ефективнішими, ніж традиційні флуорохроми . Модифікація поверхні суперпарамагнітних НЧ етиленгліколем або фолієвою кислотою ви явилася ефективною для посилення їх фагоцитозу раковими клітинами, що є перспективним для діагностики та терапії раку. Дослідження цито- та генотоксичності люмінесцентних НЧ двоокису кремнію не виявили токсичного ефекту, що вказує на його перспективність для медико-біологічних застосувань . У дослідженнях на тваринах показано переваги візуалізації та спрямованої молекулярної терапії раку, що базуються на використанні напівпровідникових квантових кристалів . У контрольних тварин відзначали поглинання, накопичення та розповсюдження НЧ переважно в печінку, селезінку, мозок, серце, нирки та легені (у порядку зменшення їх накопичення). Однак у безтимусних мишей з раком передміхурової залози ці НЧ накопичувалися пере- важно в клітинах пухлини та давали яскраве оранжево-червоне забарвлення.

Протипухлинна терапія і спрямована доставка ліків. Специфічна молекулярно спрямована доставка терапевтичних агентів є дуже важливою для підбору ефективних доз та контролю захворювання, особливо в онкології, де хіміотерапевтичні засоби є високотоксичними і часто генотоксичними. Спрямована доставка ліків за допомогою НЧ є більш ефективною в плані біодоступності, мінімізації побічних ефектів, зменшення токсичності для інших органів та зниження вартості лікування. Зараз активно розробляються декілька альтернативних підходів для підвищення специфічності доставки ефективних доз препарату з використанням ліпосом, полімерних міцел, дендромерів, керамічних НЧ, оксиду заліза, білків .

Патофізіологічні і анатомічні зміни, які відзначають при пухлинному процесі або запаленні тканин, можуть бути використані для доставки та вибіркової локалізації різних нанотехнологічних продуктів. Перевага нанотехнологічних препаратів над звичайними полягає у подовженні часу циркуляції в організмі, здатності не втрачати ефективності і бути представленими у необхідній концентрації у конкретному місці . Так, включення доксорубіцину в ліпосоми у 300 разів подовжувало період циркуляції та покращувало його фармакокінетику порівняно з вільним доксорубіцином . Крім того, підвищення судинної проникності одночасно з послабленим лімфатичним дренажем дозволяє підвищити проникність та тривалість ефекту наносистем у пухлині або тканинах із запальним процесом. Терапевтична цінність багатьох нових препаратів для лікування захворювань мозку є зниженою внаслідок існування гематоенцефалічного бар'єру, який надійно відмежовує мозок від препаратів, циркулюючих у кров'яному руслі. Саме завдяки НТ стає можливим використання тих перспективних препаратів, які не використовуються у клініці через неподолання гематоенцефалічного бар'єру . НЧ значно покращують селективність доставки до мозку біологічно активних сполук, підвищують ефективність і знижують токсичність протипухлинних препаратів .

Застосування НТ у онкології.

Перспективи застосування НТ при лікуванні онкозахворювань пов'язані також з використанням пухлиноспецифічних термальних скальпелів для нагрівання і знищення пухлин . Застосування нанокомпозиту з НЧ золота та поліетиленгліколю, які поглинають у близькому інфрачервоному діапазоні, для селективного фототермального розігріву пухлин у мишей інгібувало ріст пухлин та збільшувало період виживання тварин порівняно з контролем . Використання НЧ заліза, покритих антитілами, у безтимусних мишей показало специфічне зв'язування їх з пухлиною та некроз останньої протягом 24 год після впливу . Дослідження на тваринах показали ефективність НЧ, кон'югованих з різними антитілами, а також трансферином та рецептором епідермального фактора росту . Ефективність протипухлинної терапії можна покращити при застосуванні ензим-опосередкованої дестабілізації ліпосом, а також специфічної активації фосфоліпази А2 із синергічною зміною проникності мембран .

Спроби лікування генетичних захворювань шляхом використання соматичних клітин, трансфікованих нормальними генами, набули популярності в останні десятиріччя. У генній терапії нормальний ген вставляють замість пошкодженого внаслідок хвороби гена, використовуючи молекули-переносники. Зазвичай використання вірусних векторів може супроводжуватися тяжкими імунологічними і запальними реакціями та відторгненням. Застосування НЧ у генній терапії виявилось ефективним для системної обробки генів при лікуванні раку легені з використанням нового пухлинного гена-супресора FUS1 .

Багатообіцяючою виявилася пухлиноспецифічна доставка гена з використанням желатинових НЧ, модифікованих поліетиленгліколем: така композиція високоефективна щодо доставки в солідні пухлини, біосумісна, здатна до біодеградації. Перспективною виявилась і спроба доставки дикого типу гена р53 у клітини раку молочної залози за допомогою НЧ: під впливом гена стабільно знизилась проліферація ракових клітин, чого не відзначали у клітинах, які були оброблені одним вектором.

Головна проблема антисенсової терапії полягає у швидкій деградації антисенсових послідовностей нуклеїнових кислот у клітинах. Кон'югування антисенсової послідовності протоонкогену myc з одностінними карбоновими нанотрубками підвищує стабільність комплексу та подовжує час його перебування в HL-60-клітинах . Флуоресцентна візуалізація і трансфекція невірусного вектора для доставки генів за допомогою органічно модифікованих кремнієвих НЧ виявилась успішною при спрямованій терапії захворювань мозку.

На основі подібних досліджень стає очевидним, що НТ будуть мати значний вплив на здоров'я людини завдяки прогресу в медицині, науці та виробництві.



4. Ризики та небезпеки використання НМ для здоров'я людини

Втім, на тлі райдужних перспектив наномедицини лунають обережні голоси, що попереджають про можливу токсичність лікування наночастинками. Деякі дослідження, проведені на клітинних культурах, показали, що наночастинки є цитотоксин. Втім, досліди на тваринах не дозволяють однозначно прийти до такого висновку. Дослідники пояснюють це тим, то при дослідах на клітинних культурах вводилося занадто велика кількість наночастинок.

У цьому зв'язку ми можемо послатися на думку академіка РАН, декана факультету фундаментальної медицини МДУ Всеволода Арсенійовича Ткачука. «Ми можемо зробити так, щоб наночастинки рухалися не хаотично, а направлено, розумно, так ми забезпечимо доставку ліків у потрібну частину клітини, - розповідає академік, - але є й ряд проблем, пов'язаних з наночастинками. Справа в тому, що, коли речовина подрібнюється, воно набуває нових властивостей, які можуть бути шкідливі. Наприклад, вони можуть викликати агрегацію білків, зміна структури білків. Але агрегації можна уникнути, якщо правильно сконструювати наночастинку, задати правильний заряд і розмір, надати потрібну шорсткість або вибрати вірну дозу. Парацельс сказав, що «все в світі є отрута, і лише тільки частка робить речовину безпечним». Для цього ми їх ретельно перевіряємо, перш ніж використовувати. Дивимося, як вони впливають на морфологію, структуру, на поділ, рух, на життя клітини ».

Інший аспект, який викликає заклопотаність випробувачів - наслідки накопичення в організмі нерозкладних металів, з яких складаються наночастинки. Можливим вирішенням цієї проблеми стануть частинки, які самі розкладатимуться.



5. Україна та нанотехнології

В Україні, для виконання передових досліджень і розробок в області наномедицини та нанобіотехнологій, спрямованих на створення інноваційних лікарських препаратів і систем діагностики з приватної ініціативи за підтримки президента Національної академії наук України академіка Б.Є. Патона створено ТОВ «НаноМедТех».

За період своєї роботи вітчизняні вчені наблизились до створення функціональних наночастинок, що дасть змогу використовувати їх для діагностики захворювань, адресної доставки та контрольованого вивільнення лікарських препаратів, терапії.

На основі наночастинок срібла вже розробляють нанодезінфектанти. Вони мають широкий спектр біоцидної і антивірусної активності та більш високу токсичність стосовно до мікробів, вірусів і грибків, у тому числі до штамів, які вже не сприйнятливі до традиційних антибіотиків, дезінфектантів та антисептиків. Наприклад, папір з нанесеним на нього наночастинками срібла володіє згубними властивостями для таких бактерій, як кишкова паличка.

Завдяки новітнім технологіям отримання та нанесення наночастинок можна досягти рівномірного розподілу наночастинок по поверхні паперу та уникнути утворення агломератів, що призводить до збільшення ефективної поверхні срібла при зовсім невеликої витраті металу.

Також, нанесення наночастинок срібла на сульфаніламід (стрептоцид), який сам по собі володіє широким спектром протимікробної дії, модифікує існуючий лікарський засіб та призводить до таких позитивних ефектів як пролонгація та локалізація дії.

Ми повинни визнати, що успіхи та досягнення традиційної медицини не супроводжуються радикальним покращенням здоров'я населення. Всі тенденції ведуть до того, що саме наномедицина може стати тією галуззю, яка буде суттєвою віхою у розвитку людства. Саме тому уряди розвинених країнах світу виділяють значні кошти на фінансування нових розробок лікарських препаратів на базі нанотехніки.

Узагальнюючи інформацію щодо перспектив розвитку нанотехнлогій в медицині зупинення негативного впливу шкідливих звичок на продовжуваність життя людини можливе тільки за умови поєднання досягнень традиційноі медицини та нанотехнологій.



Висновок

«Наномедицина» - це стеження, виправлення, конструювання та контроль над біологічними системами людини на молекулярному рівні, використовуючи розроблені нанороботи та наноструктури.

Всі варіанти застосування нанотехнології в медицині можна розділити на три великі групи: 1) терапевтичні підходи, засновані на застосуванні нанотехнології, 2) діагностичні наномедичні процедури, 3) використання наноматеріалів в технології виготовлення різних виробів медичного призначення. Впровадження нанотехнологічних підходів у практику медичної діагностики дозволяє здійснювати ранню діагностику захворювань, виявляти онкологічні, ендокринні, серцево-судинні захворювання, вірусні та бактеріальні інфекції та покращити продуктивність діагностики, основаної на передачі візуальної інформації про молекулярні структури - молекулярної фізіографії .

Сучасні нанотехнології в медицині можна розділити на кілька груп:

· Наноструктуровані матеріали, в т. ч., поверхні з нанорельефом, мембрани з наноотверстіямі;

· Наночастки (в т. ч., фулерени та дендримеру) (мал..1.1);

· Мікро-і нанокапсули;

· Нанотехнологічні сенсори і аналізатори;

· Медичні застосування скануючої зондової мікроскопії;

· Наноінструменти і наноманіпулятор;

· Мікро-та нанопристрої різного ступеня автономності.

Наноматеріали - це матеріали, структуровані на рівні молекулярних розмірів або близькій до них. У медицині матеріали з наноструктурованою поверхнею можуть використовуватися для заміни тих чи інших тканин. Клітини організму пізнають такі матеріали як "свої" і прикріплюються до їх поверхні.

Адресно доставляти лікарські речовини в клітини-мішені джерела розвитку патологічного процесу можна за допомогою наночастинок, які стають своєрідними «кур'єрами» або «контейнерами». В якості останніх можуть бути використани наночіпи - фосфоліпідні частинки, ліпосоми і фулерени. Спектр можливих застосувань надзвичайно широкий. Він включає боротьбу з вірусними захворюваннями такими, як грип і ВІЛ, онкологічні та нейродегенеративними захворюваннями, остеопорозом, захворюваннями судин.

В даний час все більшого поширення одержують мініатюрні пристрої, які можуть бути поміщені всередину організму для діагностичних, а можливо, і лікувальних цілей.

Використання мікро - і нанотехнологій дозволяє багаторазово підвищити можливості щодо виявлення та аналізу надмалих кількостей різних речовин. Одним з варіантів такого роду пристроїв є "лабораторія на чіпі" (lab on a chip). Це диск, на поверхні якої впорядковано розміщені рецептори до потрібних речовин, наприклад, антитіла.

Розглядаючи окремий атом в якості цеглинки або "детальки" нанотехнології шукають практичні способи конструювати з цих деталей матеріали із заданими характеристиками. Багато компаній вже вміють збирати атоми і молекули в певні конструкції. У перспективі, мабуть, молекули будуть збиратися подібно до дитячого конструктора. Для цього планується використовувати нанороботів (наноботів). У медицині проблема застосування нанотехнологій полягає в необхідності змінювати структуру клітини на молекулярному рівні, тобто здійснювати "молекулярну хірургію" за допомогою наноботів. Очікується створення молекулярних роботів-лікарів, які можуть "жити" всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи виникненню таких.

Нанороботи повинні бути спроектовані так, щоб уникнути збоїв у роботі і зменшити медичний ризик.

Для досягнення цих цілей людству необхідно вирішити три основні питання:

1. Розробити і створити молекулярних роботів, які зможуть ремонтувати молекули.

2. Розробити і створити нанокомп'ютери, які будуть керувати наномашинами.

3. Створити повний опис всіх молекул в тілі людини, інакше кажучи, створити карту людського організму на атомному рівні.

В Україні, для виконання передових досліджень і розробок в області наномедицини та нанобіотехнологій, спрямованих на створення інноваційних лікарських препаратів і систем діагностики з приватної ініціативи за підтримки президента Національної академії наук України академіка Б.Є. Патона створено ТОВ «НаноМедТех».

Я думаю, що можливі ризики будуть порівнянні з перспективами. Так що громадськості треба більше приділяти уваги цьому питанню. Щоб вчені не тільки розглядали «обидві сторони монети», а й ставили суспільство до відома про це.

Незважаючи на всі побоювання, перспективи наномедицини в цілому залишаються обнадійливими. Оптимісти прогнозують, що незабаром вченим вдасться об'єднати вже створені окремо елементи, такі, як двигуни, маніпулятори, вантажний відсік у вигляді нанокапсул, і створити повноцінного наноробота, який буде переміщатися по організму і діагностувати хвороботворні процеси, очищати кров, поліпшувати роботу клітин , регулювати баланс речовин, знищувати інфекцію і хворі клітини, а можливо - чим чорт не жартує - дозволить нам не старіти.



Список використаної літератури

1. Гаташ, В. Нанотехнологии для медицины и биологии / В. Гаташ // Всеукраинская техническая газета. - 2007. - № 5/6. - С. 1; 8.

2. Жданов, В. «Хозяева микрокосмоса» / В. Жданов // Наша газета. - 2008. 24 января. - С. 9.

3. Москвитина О.А. Использование микросистемы техники и нанотехнологии в медицине : состояние и перспективы по данным технической, научно-популярной и патентной литературы / О.А. Москвитина История науки и техники. - 2005. - № 12. - С. 50-55.

4. Свиденко, Ю.Г. Будущее медицины : биотех или нанотех? / Ю.Г. Свиденко, А.Е. Чубенко // Наука и жизнь. - 2005. - № 2. - С. 2-7.

5. Семенюк, В. «Як НАНУ впроваджує НАНО» / В. Семенюк // Урядовий кур'єр. - 2007. - 24 січня. - С. 13.

Размещено на Allbest.ur

...