Нанотехнологии в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Нанотехнологии в медицине



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1.1 История развития нанотехнологии

1.2 Классификация нанотехнологии

ГЛАВА 2. МЕДИЦИНСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ

2.1 Нанотехнологии в фармации

2.2 Нанотерапия

2.3 Этические проблемы наномедицины

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

3.1 Перспективы нанотехнологий в медицине

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Человечество всегда стремилось к прогрессу и с древних времён искало способы лечить болезни и продлевать жизнь. Люди пытались излечивать болезни разными способами - если в XX веке умели решать проблемы на клеточном уровне, то в наше время уже научились решать их на атомном и молекулярном. Учитывая это, в XXI веке особенно активно стали проводиться исследования по применению нанотехнологий в медицине.

Нано- (обозначение н или n) -- дольная приставка в СИ, означающая множитель 10?9. В последнее время нано- часто используется в словах не имеющих отношения к единицам величин, в этом случае приставка нано- может означать -- имеющий отношение к нанотехнологиям либо измеряемый в масштабах нанометров.

Впервые о нанотехнологиях заговорил Ричард Филипс Фейнман, в 1959 году высказав мысль о возможности манипулирования веществом на уровне атомов. Позже были изобретены туннельный и атомно-силовой микроскопы, позволяющие видеть отдельные атомы и манипулировать ими. Итогом этих открытий послужил труд Дрекслера, который рассмотрел возможность сборки частиц и молекул.

Нанотехнологии связаны не только с медициной, но и с электроникой, военным делом и даже бытом людей.

Развитию этой области науки уделяют большое внимание на самом высоком уровне. На международном форуме по нанотехнологиям 08.10.2009 президент Российской Федерации Дмитрий Медведьев сказал: «Нанотехнология - основа будущей экономики».

Цель моей работы рассказать в максимально доступной форме о таком важном изобретении как нанотехнология, о его применении в медицине, и о перспективах его разработки.

В связи с этой целью, поставлены основные задачи работы - дать определение понятия "нанотехнология", изучить её значение для медицины, обобщить сведения, полученные из разных источников и представить материал в виде реферата.

Методы, использованные при написании курсовой работы: аналитический, изучение публикаций и статей, обобщения.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.



ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1.1 История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Новое междисциплинарное 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.

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека,Суздалев. И П. Нанотехнология М.--Комкнига, 2006 -- 592 стр. определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность. Пул-мл., Ч. Нанотехнологии [] : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 335 стр.

Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

1.2 Классификация нанотехнологии

Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

1. наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

2. нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

3. наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектами нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Наночастицы.

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

- трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,

- двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д.,

- одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д.

Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях.

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков).

Наноматериалы.

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен - нанопленка толщиной в один атом. Ученые из университета Манчестера при содействии германского института Макса Планка создали новую стабильную наноструктуру - пленку толщиной в один атом. Новый вид материала получил название «графен» (graphene, слово, близкое к «графиту», обозначающее двумерную структуру из атомов углерода, расположенную в виде бензольных колец). Эта самая тонкая нанопленка из всех существующих на Земле открывает революционные перспективы в компьютерной технике и медицине.

Традиционно считалось, что создать нанопленку толщиной в один атом невозможно, так как она будет предельно нестабильна и разрушится при комнатной температуре. Однако ученые нашли решение: они расположили атомы углерода в конфигурации, напоминающей пчелиные соты, оставив им при этом небольшое пространство для колебаний.



ГЛАВА 2. МЕДИЦИНСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ

2.1 Нанотехнологии в фармации

Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты. Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты.В 1959 году знаменитый американский физик-теоретик Р. Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 году никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». Медицина и фармацевтика - одни из важнейших практических приложений работы нанотехнологов, потому что описанный выше мир - мир этих научных дисциплин. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (к которым следует отнести и наночастицы) в медицине была высказана Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции «Там внизу - много места». Но только в последние годы, предложения Фейнмана приблизились к реальности, хотя, отметим, они ещё далеки от предложенного им микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца, произвести там операцию на клапане, а также выполнить целый набор подобных процедур, поражающих воображение. Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро- и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро- и наноустройства различной степени автономности Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро- и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы;микро- и наноустройства различной степени автономности. То есть, «нано» (греч. - миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 10-9 м, что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение «наночастицы», попадают практически любые надмолекулярные комплексы, то есть, образования как «малых», так и огромных органических молекул (по современной терминологии - «хозяин») с ионными либо ковалентно построенными молекулами. Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции. Эти представления сегодня требуют предельной конкретизации. В своем обзоре, опубликованном буквально несколько дней назад исследователи из США и Франции настаивают на пересмотре термина «наночастица». Они считают, что назрела необходимость более точной систематизации этих частиц для дальнейших исследований и практического применения в различных областях. С такой точкой зрения нельзя не солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее. Что же это такое - нанотехнологии в фармацевтике? Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug - лекарственный препарат, design - проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты - лекарство и мишень являются молекулярными объектами. Основные понятия, используемые в драг-дизайне - это мишень и лекарство. Мишень - это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определённой функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определённое воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени - это рецепторы и ферменты. Лекарство - это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью. Если в качестве мишени выступает рецептор, то лекарство будет, скорее всего, его лигандом, то есть соединением, специфическим образом взаимодействующим с активным сайтом рецептора. Например, F1-аденозинтрифосфатаза (F1-АТФаза), относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. Диаметр молекулы фермента составляет 10-12 нм. Супрамолекулы - это ассоциаты двух или более химических частиц, связанных межмолекулярными нековалентными связями из обладающих геометрическим и химическим соответствием (комплиментарностью) фрагментов. Перегруппировка молекул приводит к разнообразию их комбинаций. Такие системы являются предметом изучения супрамолекулярной химии (этот термин предложен нобелевским лауреатом Ж.-М. Леном) и химии «хозяин-гость», и еще мало исследованы, хотя на их основе уже созданы новые материалы с уникальными свойствами. Например, использование пористой структуры, играющей роль «хозяина» (а в других случаях, эту роль обычно выполняет органический лиганд), позволяет обратимо разместить «гостя» наноразмерного масштаба для избирательного транспорта и выделения лекарственных веществ. Хотя бытует мнение о том, что нанообъектом следует считать любой объект, размер которого хотя бы по одному их измерений будет меньше 100 нм, в обзоре, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследователи настаивают на введении более жёсткой классификации. В этих терминах, взаимодействие таргетных лекарственных препаратов (размеры 1-10 нм) с биомишенью (белок или система белков, размерами до 100 нм), дает комплекс «лиганд-биомишень» по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой. Несомненно также, что и сами компоненты такой системы есть структурные объекты нанотехнологии. Продолжая эти рассуждения, напомним, что терапевтическое наноразмерное воздействие таргетного препарата на биомишень может осуществляться только при условии образования супрамолекулярной наносистемы«лиганд-биомишень» и лишь в во время существования последней. То есть, разработка таргетных лекарственных препаратов попадает под данное выше определение нанотехнологии, так как, в основемеханизма их действия лежит целенаправленное взаимодействие с биомишенью, ответственной за болезнь. Именно это взаимодействие в наномасштабах, реализующееся посредством нековалентной (а координационной, в то числе, водородной) химической связи между препаратом и белком которое изучается при разработке, и определяет избирательность, эффективность и более низкую токсичность таргетных препаратов сравнительно с предыдущим поколением лекарств, то есть улучшает потребительские свойства. Более того, во время своего существования, система «лиганд-биомишень» по всем своим характеристикам является биомашиной, а результатом её работы будет модификация болезни. Таким образом, к. п. д. нанобиомашины зависит от силы и продолжительности связывания компонентов обсуждаемого комплекса, что, для постоянной мишени, зависит исключительно от свойств инновационного таргетного препарата- лиганда. Тогда, формализуя понятия, можно утверждать, что нанотехнологии в фармацевтике - это совокупность методов и приёмов изучения, проектирования, производства и использования, основными этапами которых следует считать:

- биологический скрининг, то есть, поиск активных молекул (1-10 нм), взаимодействующих с биомишенью (белок или система белков, размером до 100 нм).

- изучение механизма действия (поиск биомишени и выявление механизма взаимодействия с ней активной молекулы).

- компьютерный дизайн потенциально активных соединений, путем расчёта энергий взаимодействия молекул-кандидатов и биомишени (белка) на расстоянии нескольких нанометров, то есть расчёт возможных структур и положений молекул, соответствующих минимальной энергии такого взаимодействия (динамическое моделирование которого занимает примерно 24 часа на суперкомпьютере мощностью около 200 терафлопс).

- целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих наномасштабных элементов («лиганд-биомишень», около 1-100 нм), что приводит к улучшению либо появлению дополнительных эксплуатационных и\или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов (повышение эффективности, биодоступности, уменьшение токсичности и побочных эффектов получаемых инновационных лекарственных препаратов).

- производство наноразмерных готовых лекарственных форм (липосомальные формы, биодеградируемые полимеры, наночастицы для направленного транспорта и т. д.).

- применение таргетных инновационных препаратов, обеспечивающее наноразмерное воздействие на биомишень, что приводит к терапевтическому эффекту. Системы доставки биологически активных веществ.

Наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул.

1- липосома и аденовирус;

2 - полимерная наноструктура;

3 -дендример;

4 -углеродная нанотрубка.

Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно из-за своей простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости отего молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Бактерии как нанобиомашины, доставляющие лекарства. Уже доказано, что бактерии можно использовать в качестве средства точечной доставки лекарств к больным тканям. Специалисты запустили в кровяную систему крысы бактерии MC-1. Эти бактерии способны быстро двигаться за счёт вращения своих жгутиков, но кроме того, они содержат магнитные наночастицы, что делает их чувствительными к магнитному полю и заставляет двигаться вдоль силовых линий. Исследователи считают, что прежде чем пытаться создавать искусственные наномашины, способные продвигаться по телу человека, следует обратить внимание на уже существующие создания природы. Наносферы и нанокапсулы относятся к семейству полимерных наночастиц. Если наносферы являются цельными матрицами, на полимерной поверхности которых распределяется активное вещество, то в нанокапсулах полимерная оболочка образует полость, наполненную жидкостью. Вследствие этого, активное вещество выделяется в организм по различным механизмам - из наносфер высвобождение носит экспоненциальный характер, а из нанокапсул - происходит с постоянной скоростью в течение длительного времени. Полимерные наночастицы можно получить из естественных либо синтетических полимеров, каковыми являются полисахариды, полимолочная и полигликолевая кислоты, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его аналоги, и др. Полимерные материалы характеризуются набором ценных свойств для лекарственного транспорта, как биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а «ветвящееся» строение. Первый образец был получен ещё в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в 80-е годы. Термин «дендримеры» появился раньше, чем «нанотехнология», и первое время между собой они не ассоциировались. Однако, в последнее время, дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических и наномедицинских применений. Дендримеры являются уникальным классом полимеров, поскольку их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе, что крайне важно для нанопереносчиков. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательные конвергентную и дивергентную полимеризации (в том числе, используя методы пептидного синтеза), задавая, таким способом, характер ветвления. Типичными мономерами, используемыми в синтезе, служат полиамидоамин и аминокислота лизин. «Целевые» молекулы связываются с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверхностью либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями. Кроме того, на поверхности дендримеров можно стереоспецифически расположить необходимые функциональные группы, которые с максимальным эффектом будут взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel - гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. В 1991 году, снова - совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок Среди углеродных наночастиц, образованных только атомами углерода, наиболее широко распостранены фуллерены и нанотрубки, которые можно получить с помощью разнообразных химических или физико-химических методов. Например, в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа, при пониженном давлении, в присутствии катализатора. Фуллерены, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Главная особенность - их каркасная форма: молекулы выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». нанотехнология медицина молекула лекарство

Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен С60, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов). После разработки методики получения фуллеренов в макроколичествах, было обнаружено множество других, более легких либо более тяжелых фуллеренов: начиная от С20 - и до С70, С82, С96 и выше.

На основе фуллеренов разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.В 1991 году, снова - совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Они характеризуются разнообразием форм: большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные; уникальной прочностью, демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Вообще-то нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для транспорта многих химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Для нужд медицины нанотрубки обладают важным повышенным сродством к липидным структурам, они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами и, даже инкапсулировать эти молекулы. Совокупность указанных свойств обуславливает их применение в виде эффективных систем доставки вакцин и генетического материала.К неорганическим наночастицам, одному из важнейших классов нанопереносчиков, относятся соединения оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). Часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность (и, в частности, высвобождение терапевтического агента) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля.

В случае гетерогенных твёрдофазных композитов, например, наночастиц металла на поверхности пористого носителя, вследствие их взаимодействие появляются новые свойства.Самыми распространенными платформенными технологиями являются микрокапсулирование, а также технологии получения матричных, многослойных, оболочечных таблеток и капсул. Например, в России разработаны и сейчас патентуются платформенные технологии создания наноразмерных комплексов действующих веществ с биосовместимыми и биодеградируемыми синтетическими и природными полимерами. Наноформулировка может приводить к увеличению активности препарата в 2-4 раза, а также к появлению более выраженных терапевтических свойств. В ряде случаев уже ведутся доклинические исследования известных лекарств в новых наноупаковках. Платформенные технологии контролируемого высвобождения лекарств актуальны для направленной доставки высокотоксичных противоопухолевых лекарственных веществ. Традиционные онкологические препараты равномерно распределяются по всему организму: попадают в очаги болезни и в здоровые органы.

Проблему можно решить при помощи - направленной доставки лекарственного вещества вместе с биодеградируемым полимером - тогда лекарство высвобождается не моментально, а по мере деградации полимера. Но есть ещё более продвинутые методы целевой доставки лекарства при помощи наночастиц генетического материала, ДНК или РНК. Частицы размером около 200 нанометров или немного меньше, могут выйти из кровотока только в местах воспаления - там, где у капилляров расширены поры. Во время путешествия по кровотоку наночастицы могут обрастать белками плазмы крови, их поглощают иммунные стражи - макрофаги. Для продления срока пребывания наночастиц в организме к ним прикрепляют полимерные цепочки. Еще один вариант - прикрепление к наночастице антител опухолевых клеток, которые знают дорогу к мишени, и антибиотика, который уничтожит злокачественное образование. Например, учёные конструируют липосомный противораковый препарат, в котором термочувствительные липосомы завернуты в полимер и снабжены антителами, определяющими «адрес доставки».

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали рутинной процедурой, но сама методика практически не изменилась за последнее столетие. На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через кожу, к присутствующим там иммунным клеткам. Показано, что использование малых наночастиц (всего 40 нм) позволяет доставлять антигены непосредственно через волосяные фолликулы.В то же время, системы доставки активных веществ сегодня связаны с рисками, то есть побочными эффектами. Недаром, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba и некоторые другие крупные компании связали свои дальнейшие разработки в этом направлении только с биологически расщепляемым наноносителями.

2.2 Нанотерапия

Нанометровые молекулы могут применяться и в качестве активных веществ. Одним из новых походов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров - около половины новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо, то есть, обладают недостаточной биодоступностью.Кристаллы активного лекарственного нановещества состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить из нее гранулы или таблетки. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200-600 нм. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику еще в 2000 году, является Rapamune- иммуносупрессивное средство, которое применяют после трансплантации органов. Термотерапия наночастицами, по всей видимости, имеет большую перспективу. Известно, что при попадании ближнего ИК излучения на нанотрубки, последние начинают вибрировать и разогревают вещество вокруг себя. Эффективность такой терапии оказалась весьма велика: у 80 процентов мышей, получившую дозу раствора многослойных нанотрубок, раковые опухоли в почке через некоторое время полностью исчезли. Почти все мыши из этой группы дожили до конца исследования, которое продолжалось около 9 месяцев. Проводятся клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Исследователи обнаружили, что контакт нанотрубок с поврежденной костной тканью мышей ускоряет регенерацию костной ткани и понижает вероятность возникновения - воспалительных процессов в процессе лечения. Аналогично, частицы нанозолота убивают микробы, распознают и разрушают раковые клетки.

Наночастицы также могут использоваться для стимулирования врождённых механизмов регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клеткам.

Вот несколько достижений:

амфифильные белки, которые поддерживают рост клеток для восстановления поврежденного спинного мозга;

покрытия областей опухоли головного мозга из магнитных наночастиц и чувствительных к ферментам частиц; зонды из наночастиц для внутриклеточной доставки препарата и экспрессии генов, квантовые точки, которые обнаруживают и определяют количество биомаркеров рака молочной железы человека.

Наноантитела представляют собой наименьшие из известных на сегодня белковых антиген-узнающих молекул (размером 24 нм). Они являются фрагментами (вариабельными доменами) особых однодоменных антител - состоят из димера только одной укороченной тяжелой цепи иммуноглобулина и являются полнофункциональными в отсутствие легкой цепи. После синтеза наноантитела уже функциональны и никаких пострансляционных модификаций не требуют. Это позволяет сразу нарабатыватьих в бактериальных клетках или в дрожжах, что делает путь создания данных белков существенно более экономичным.

С наноантителами довольно просто проводить всевозможные генно-инженерные манипуляции, например, создавать более эффективные комбинированные конструкции, включающие два или несколько наноантител, а также другие белковые домены или функциональные группы. Такие антитела не существуют в организме человека, и поэтому приспосабливания к ним нет.

Таким образом, появляется возможность обойти ухищрения аномальных, патологических клеток и микроорганизмов, которые сумели адаптироваться к иммунной системе человека и нащупать слабое звено в их защите.

2.3 Этические проблемы наномедицины

Вне проблемы безопасности лежат этические вопросы наномедицины: согласие пациента на основе полной информации, оценка рисков, токсичность и оздоровление человека - лишь некоторые из существующих этических проблем, обсуждающихся специалистами. Эксперты предупреждают, что обсуждение этики наномедицины принесет много трудных вопросов для общества. «Генетические проверки, например, могли бы стать намного легче и широко доступными, - объясняют они. Но тогда проблема аборта дефектных зародышей коснется большого количества людей».

Наномедицина поднимет целый пласт социальных вопросов. По мнению экспертов группы по этике в науке и новых технологиях Европейской комиссии, прииспользовании наномедицины, вопрос согласия пациента (врача) на основе полной информации очень сложен. «Согласие на основе полной информации требует, чтобы информация была понята. Реально ли дать информацию о последствиях и провести оценку рисков в быстро развивающейся области исследований, на фоне многих неизвестных факторов и уровня сложности?», - ответы на эти вопрос не могут быть даны сегодня, и возможно, в обозримом будущем. Другая проблема - связь между медицинскими и немедицинскими использованиями нанотехнологии в диагностических, терапевтических и профилактических целях.

Другая проблема - связь между медицинскими и немедицинскими использованиями нанотехнологии в диагностических, терапевтических и профилактических целях. Хорошая новость - эти вопросы задают, но плохая тоже есть - ещё очень много работы в данном направлении. Новые вещи и изменения в привычном укладе жизни могут привести к расшатыванию основ общества, появлению ряда этических проблем. Это относится, например, к медицинским препаратам и устройствам, позволяющим относительно легко модифицировать структуру мозга или осуществить стимуляцию определенных его отделов для получения эффектов, имитирующих любые формы психической активности.

Несмотря на огромный потенциал наномедицины и значительное финансирование, исследования этических, юридических и социальных значений применений наномедицины невелики. «Наука рвется вперед, этика отстает». Как и с нанотехнологией вообще, есть опасность крушения наномедицины, если исследование этических, юридических и социальных значений критически отстанет от научного развития. Ожидаемые риски нанопрепаратов Наномедицина и нанотехнология вообще являются новыми областями, и существует немного экспериментальных данных о непреднамеренных и неблагоприятных эффектах. Нехватка знаний о том, как наночастицы будут «встраиваться» в биохимические процессы в человеческом организме, доставляет особое беспокойство.



ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

3.1 Перспективы нанотехнологий в медицине

Мировой рынок нанопродукции медицинского назначения имеет серьезную положительную динамику. По прогнозам большинства аналитиков, с 2005 по 2015 год он вырастет более чем в восемь раз и, по оценкам, достигнет 84 млрд. долл. В медицине существует потребность в инновационных подходах. Нанобиотехнология позволит, в частности, решить проблемы профилактики генетической предрасположенности к заболеваниям и обеспечат персонализацию лечения.

Сектор "медицина и биотехнологии" может стать основой для развития экономики РФ и реализации ряда ее федеральных целевых программ. Например, успешное внедрение разработок в наномедицину и их применение, несомненно, позволят решить в ближайшей перспективе следующие проблемы:

- поднять качество инновационной национальной продукции;

- сократить потребность в импорте товаров нового технологического уклада;

- улучшить экологическую обстановку в стране;

увеличить занятость населения.

Одним из ведущих носителей нанобиотехнологий становится фармацевтическая промышленность. Перспективным направлением, в частности, представляется адресная доставка лекарств. Ожидается, что внедрение ее позволит повысить эффективность медицинских препаратов и снизит негативное влияние лекарственных средств (ЛС) на другие органы. Согласно проведенному в СПбГПУ исследованию, в результате развития нанобиотехнологий будут созданы новые эффективные препараты, причем наночастицы смогут использоваться как ЛС нового поколения, а также как контейнеры адресной доставки лекарств в клетки-мишени. В соответствии с прогнозом, такие технологии позволят создать комплексные вакцины, адаптирующиеся к мутирующим вирусам; тест-системы на основе биочипов для диагностики наиболее опасных заболеваний человека (туберкулез, ВИЧ, гепатит, сердечно-сосудистые и онкологические). Ожидается появление новых имплантатов с биоактивными покрытиями, способствующими быстрому вживлению костной ткани в поверхность таких изделий. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В., Рудской А.И. Прогноз инвестиционно-технологического развития России с учетом мировых тенденций на период до 2030 года. - М.: МИСК, 2008.

Для анализа мирового рынка нанопродукции в секторе "медицина и биотехнологии" важно сформировать прогноз развития различных его сегментов. Эти результаты будут способствовать разработке действенных мероприятий по повышению роли инновационной составляющей, в том числе посредством преодоления востребованными инновационными нанопродуктами так называемой "долины смерти".

На основе изучения исследований ведущих аналитических компаний Ткачук В.А. Нанотехнологии и медицина. - Российские нанотехнологии", 2009,т.4, №7, 8, с.9. и выступлений официальных лиц,Научно-технологическое развитие РФ: состояние и перспективы. / Под ред. Л.Э. Миндели. - М.: Институт проблем развития науки РАН, 2010. динамику мирового рынка нанопродуктов в 2001-2015 годах можно представить следующим образом.

Доля России в рассматриваемом рынке невелика. Она составляет от 0,04 до 1%. По этой причине основная задача правительства страны - скорейшее внедрение передовых достижений в области нанотехнологий на прорывных направлениях, причем программа развития наноиндустрии России имеет результативную и ресурсную части, которые и должны обеспечить достижение заявленных результатов.

Для оценки эффекта от применения нанотехнологий целесообразно построить сводный индикатор уровня их развития. К их числу относятся, например: государственные расходы на развитие наномедицины, в том числе по показателю покупательной способности; объемы рынков фармацевтики и наномедтехнологий, целевой доставки лекарственных средств, ДНК - и протеиновых чипов, коронарных стентов, приборов и инструментов медицинского назначения, включая нанопродукцию для других секторов; количество опубликованных научных статей по проблеме. Важно отметить, чем точнее и длительнее предыстория индикаторов, тем надежнее прогноз.

В работе используется формула:

где KHi(t) - параметр на дату t нормированного на t0 i-го показателя; Vi - вес i-го показателя уровня развития нанотехнологий в медицине и технологии; m - число используемых частных показателей уровня развития нанотехнологий.

На основе анализа более 30 опубликованных отчетов рассчитан сводный индикатор уровня развития нанотехнологий и построена гистограмма изменения этого индикатора в медицине и биотехнологии в 2005-2015 годах.

Гистограмма позволяет сделать следующие выводы:

- применение нанопродуктов в секторе "медицина и биотехнологии" непрерывно растет;

- наиболее динамичный рост их применения в рассматриваемом секторе наблюдается с 2009 и завершится в 2015 году;

Для количественной оценки развития нанотехнологий в медицине и биотехнологии во времени необходимо построение трендовой модели.

По результатам анализа этой модели можно сделать следующие выводы:

- cредний показатель стоимости нанопродукции в секторе "медицина и биотехнологии" в мире составляет 40627,1 млн. долл.;

- в среднем уровень стоимости нанопродукции в данном секторе возрастает на 5912,7 млн. долл. в год.

На основе предложенной модели построен график развития нанотехнологий в рассматриваемом секторе. В целом медицина и биотехнологии - динамично развивающиеся направления нанотехнологий, в которые целесообразно осуществлять серьезные инвестиции. Наибольшая прибыль ожидается при создании терапевтических средств и препаратов направленной доставки лекарств, а также покрытий имплантатов, новых приборов и инструмента [5]. Вместе с тем развитие их производства в стране потребует значительного количества соответствующих материалов.

Эксперты отмечают, что потенциально рынок имплантатов, медицинского инструмента и материалов для их изготовления достаточно велик, причем пока до 90% российского рынка занимает импортная продукция. В дальнейшем перспективен также их экспорт за рубеж.

В целом для развития рассматриваемого сектора необходимо сосредоточить усилия на следующих задачах:

- скоординировать фундаментальные исследования на материалах и технологиях для медицинской техники;

- создать инфраструктуру прикладных исследований, объединив научно-технические центры, технопарки, бизнес-инкубаторы и центры трансфера технологий. Это позволит проводить НИР и апробировать новые материалы и технологии на опытном и мелкосерийном производстве;

- финансировать на регулярной основе и в достаточных объемах клинические испытания в области медицины и биотехнологий;

- обеспечить сертификацию и стандартизацию создаваемых материалов и технологий в соответствии с международными требованиями, что повысит экспортный потенциал отрасли.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перспективы развития нанотехнологий с помощью 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. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой «серой слизи» может покрыть всю Землю,- являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Как я поняла в процессе написания своей работы, нанотехнология является той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит какие-либо новшества. Правдива ли эта критика или нет я судить не могу.

Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Лично я считаю, что использование, например, таких нанотехнологий как наносенсоры может иметь рискованный характер. Ведь любая даже самая простейшая система может давать сбои, что уж тогда говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? И кроме того надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека. И так, перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые NASA ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанороботов станут неуправляемыми как зомби. Я думаю, что возможные риски будут сопоставимы с перспективами. Так что общественности надо больше уделять внимания этому вопросу. Чтобы ученые не только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность об этом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Игами М., Оказаки Т. Современное состояние сферы нанотехнологий: анализ патентов // Форсайт. -- 2008.- № 3 (7). --с. 32-43.

2. Robert A. Freitas Jr. Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics// Journal of Computational and Theoretical Nanoscience.--2005.-- V. 2.-- P.1-25.

3. Roco M.C. National nanotechnology initiative: Past, present and future // Handbook on nanoscience, engineering and technology. Ed. Goddard, W.A et al. CRC, Taylor and Francis, Boca Raton and London.--2007.-- P.3.1-3.26.

4. Robert A. Freitas Jr. // Nanomedicine, Basic Capabilities. LandesBioscience, Austin.-- 1999.-- V. 1. P.7-20.

5. K. Eric Drexler. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.//John Wiley and Sons, NY, 1992.

6. K. Eric Drexler. // Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.-- 1986.-- V. 2.-- P.17-25.

7. Lipsey R., Carlaw K., Bekar C. Economic Transformations: General Purpose Technologies and Long-Term Economic Growth. // Oxford University Press.--2005.-- P. 87, 110, 131, 212-218.

8. Хульман А. Экономическое развитие нанотехнологий: обзор индикаторов // Форсайт. -- 2009.-- № 1. -- с. 31-32.

9. Youtie J., lacopetta M., Graham S. Assessing the nature of nanotechnology: can we uncover an emerging general purpose technology? // Journal of Technology Transfer.-- 2008. -- V. 33. -- P. 315-329.

10. Ратнер М. / М. Ратнер, Д.Ратнер. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. // Пер. с англ. / М.: Вильямс. -- 2004. -- С. 20-22.

11. Kearnes M. Chaos and Control: Nanotechnology and the Politics of Emergence // Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 217 Серія -- Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49 Огляди

Paragraph. -- 2006. -- № 29. -- P. 57-80.

12. Игами М. Библиометрические индикаторы: исследования в области нанонауки // Форсайт. -- 2008. -- № 2. -- с. 36-45.

13. Miyazaki K., Islam N. Nanotechnology systems of innovation. An analysis of industry and academiaresearch activities // Technovation. - 2007. - № 27. - P. 661-675.

14. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б.// Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ.--2002, с. 244-247

...