Реферат
На тему:
Наночастицы в медицине и биологии
Выполнили: студентки 1 курса
леч.факультета, 17 группа
Яковенко Анна,
Миняева Ирина,
Рожкова Альбина
Применение нанотехнологий и наночастиц в медицине: будущее наномедицины
Наномедицина - направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.
Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснованы, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и дальнейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться все более миниатюрными и совершенными, а их функции - все более богатыми.
С другой стороны, можно ожидать, что на этом пути нас встретят неожиданные повороты. Некоторые из подходов, которые кажутся сейчас перспективными, окажутся бесплодными. Другие, которые кажутся сейчас фантастикой, могут оправдать себя.
От мини к нано
История современной медицины – это бег от большого к малому. Многие диагностические аппараты из громыхающих монстров постепенно превратились в элегантные чемоданчики. Довольно объемные мензурки с микстурами и капельницы эволюционировали до крошечных таблеток, подкожных резервуаров с лекарствами или даже пластырей. Устрашающие взгляд полостные операции заменили крошечные проколы, сквозь которые хирурги манипулируют под взглядом видеокамеры.
Но нет предела совершенству. Многие болезни начинаются с изменений в считанных клетках человеческого тела, а болезнетворные бактерии и вирусы тоже вещества микроскопические. Поэтому медицина дерзко мечтает лечить болезнь там, где она возникает, – в клетке.
Нанотехнологиями сегодня активно занимаются примерно в 50 странах. Лидируют США, Япония, Южная Корея, ФРГ. Россия занимает место во второй десятке. Но по числу публикаций по нанотематике мы на почетном 8-м месте
А воплотить эти мечты можно только с помощью нанотехнологий – манипуляций на уровне молекул, атомов и искусственных конструкций тех же размеров. Представить их невозможно, поскольку человеческому глазу сравнить их не с чем. Однако мы знаем, что 1 нанометр – это миллиардная доля метра.
Кто все это придумал
Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места». Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана.
В 1967 году биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов первым выдвинул идею «мокрой технологии» – использования для лечения людей живых механизмов, существующих в природе. В частности, собирать их из нуклеиновых кислот и ферментов. Потом Роберт Эттингер предложил использовать модифицированные микробы для ремонта клеток.
Термин «нанотехнология» широко распространился в мире после выхода в 1986 году знаменитой книги «Машины творения» физика Эрика Дрекслера. Он стал называть свои предложения по конструированию отдельных молекул, обладающих заданными свойствами, «молекулярной нанотехнологией». Так что история нанотехнологий уже насчитывает более 20 лет.
Возможности безграничны…
Что же нанотехнологии сулят медицине помимо уже широко разрекламированных, но пока нереальных «нанороботов», которые будут шастать внутри человека и что-нибудь починять?
На самом деле куда больше. Они смогут создавать:
· наноматериалы с заданными свойствами – наночастицы (фуллерены и дендримеры)
· микро- и нанокапсулы (например, с лекарствами внутри)
· нанотехнологические сенсоры и анализаторы – наноинструменты и наноманипуляторы
· автоматические наноустройства (помимо все тех же нанороботов).
Фуллерен – это пятая (кроме алмаза, графита, карбина и угля) форма углерода, которую сначала предсказали теоретически, а потом открыли в природе. По виду молекула фуллерена (С60) похожа на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. Медицине же фуллерены интересны тем, что могут пролезать в молекулу ДНК, искривлять и даже «расплетать» ее.
Дендримеры – это древовидные полимеры (длинные молекулы, состоящие из повторяющихся одинаковых элементов). Они способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например, раковые.
…а достижения скромны
Но какими бы захватывающими ни были перспективы нанотехнологий, реальные достижения пока невелики.
Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита. А уже потом на эту «шпатлевку» приклеивались собственные костные клетки человека – таким материалом можно замещать дефекты костей после травм или операций.
Другая разработка, напротив, не дает клеткам приклеиваться к поверхности. Это нужно, к примеру, для создания биореакторов, в которых будут содержаться стволовые клетки. Проблема в том, что, как только стволовая клетка «села» на какую-то поверхность, она немедленно начинает специализироваться – превращаться в клетку конкретной ткани. А чтобы она сохраняла свой потенциал, надо не давать ей «присесть».
Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа – они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.
Искусственно сконструированная клетка-респироцит сможет заменить недостающие в крови эритроциты – она умеет переносить и кислород, и углекислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.
Не все то золото, что серебро
У российской науки есть и свои рекорды на обширном поле нанотехнологий. Так, мы – явные лидеры в изучении и применении наночастиц металлов в медицине. На солидной научной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», которая прошла в конце прошлого года в Новосибирске, чуть не 90% докладов посвящались золоту, серебру, цинку, висмуту и различным комбинациям полимеров, сорбентов и т.п.
Бактерицидные и ранозаживляющие свойства серебра известны медицине давно. Однако наши ученые выяснили, что если серебро и прочие металлы превратить в наночастицы, эти свойства резко возрастают. И доказали это на многочисленных клинических исследованиях. Ожоги, огнестрельные раны, переломы, кожные, гинекологические и прочие воспаления/раны заживают значительно быстрее и эффективнее. Наши ученые создали десятки препаратов, основанных на спасительных свойствах этих металлов. Только не ищите в аптеках – их нет. Почему – это уже вопрос не к ученым, а к тем, кто закупает импортные антибиотики, в тысячи раз более дорогие.
Между прочим, наша сибирячка Нина Богданчикова, которая в России занималась как раз исследованиями серебра, а потом переехала в Мексику и начала работать в Национальном университете, стала инициатором развития этого научного направления во всей Латинской Америке. И теперь оно бурно развивается на континенте. Понятно почему – серебра там хоть завались, а препараты из него получатся не слишком дорогими. Кончится все, как обычно, тем, что начнем их импортировать.
Нам есть чем гордиться
Второе направление, на котором мы могли бы лидировать в мире, – создание биочипов. Чип – это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам – белкам, токсинам, аминокислотам и т.п. Достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам. А потом прибор-анализатор считает информацию.
Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН под руководством академика Андрея Мирзабекова, уже умеют практически мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п. Причем наши биочипы оказались намного дешевле и удачнее американских. Однако внедрение этой новейшей технологии в практическую медицину идет гораздо медленнее, чем хотелось бы.
Теперь рассмотрим, какими способами в будущем могут быть осуществлены диагностика и лечение на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.
Сегодня предполагаемые пути к этому могут быть разбиты на три группы.
1)Подход "Сверху вниз". Так можно назвать подход, заключающийся в дальнейшем усовершенствовании существующих микроустройств, в первую очередь - в их дальнейшей миниатюризации. Идею подхода "сверху вниз" (как и идею нанотехнологии в целом) впервые последовательно изложил в 1959 г. Ричард Фейнман.
Использование методов современной микроэлектронной технологии позволяет изготовлять элементы размером менее микрона. Эти методы могут быть распространены за пределы чисто электронной техники. Примерами являются микроэлектромеханические системы (micro electro-mechanical systems - MEMS) и микрофлюидика - управление потоками жидкости на микронных масштабах. Современная технология позволяет изготовлять множество устройств таких, как микромоторы, акселерометры, гироскопы, разнообразные микродатчики, микроклапаны, микронасосы и шестеренчатые передачи.
В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Такие устройства могут быть стационарно закрепленными в тканях, перемещаться пассивно - например, вдоль желудочно-кишечного тракта - или активно. В последнем случае они могут "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, плавать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях.
Диагностика. Для диагностики наноустройства могут использовать довольно большое количество разнооб-разных методов:
· измерение макроскопических параметров среды (температуры, давления, вязкости).
· измерение химических параметров (Ph, концентрации кислорода, углекислого газа, наличия антигенов, полинуклеотидов, гормонов, нейротрансмиттеров).
· атомно-силовое сканирование поверхности клетки.
· оптическая микроскопия ближнего поля
· акустическая микроскопия (по принципу эхолокатора; акустического томографа).
· магнито-резонансная томография.
· электромониторинг активности нейронов, мышечных клеток и др.
· химический мониторинг синапсов.
Можно предположить, что в будущем будут придуманы и другие, еще более эффективные методы диагностики.
Наносенсоры станут звеном перехода к индивидуализированной медицине. Используя свои нанотехнологические средства - GeneEngine- компания Дженомикс из США уже обнаружила вариации генов на цепочках ДНК, это 200000 основных пар в длину. Компания прогнозирует возможность расшифровки всего генома человека, состоящего из 3 млн.пар. При этом будут использоваться возможности индивидуализированной терапии с применением нанотехнологической доставки лекарств
Создание новых линий производства приведет к снижению цен. Сегодня такие компании как Роше Дайагностикс используют технологию цепной реакции полимеразы для диагностики и выявления таких заболеваний как ВИЧ и гепатит. Система диагностики, созданная из нанокристаллов, подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для полупроводниковой промышленности.
2)"Мокрая" нанотехнология. Этот подход основан на использовании готовых механизмов, существующих в живой природе. Пожалуй, впервые эта идея была сформулирована в 1967 г. американским биохимиком (и, по совместительству, писателем-фантастом) Айзеком Азимовым. Он первым предложил использовать механизмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот и энзимов. Годом позже Вайт предложил использовать генетически модифицированные вирусы в качестве механизмов для ремонта клеток.
1964 г. физик Роберт Эттинджер в своей книге "Перспективы бессмертия" предложил использовать замораживание до сверхнизких температур (крионику) для сохранения человеческого организма до тех пор, пока развитие науки не позволит его разморозить, оживить и вылечить. Прекрасно понимая, какие повреждения повлечет такое замораживание на клеточном уровне, Эттинджер предположил, что в будущем станут возможны механизмы, способные такие повреждения исправлять. В 1972 г. Эттинджер предположил, что для восстановления поврежденных клеток можно будет использовать биороботов на основе генетически измененных существующих микроорганизмов. (Подробнее идеи крионики будут рассмотрены ниже).
Биотехнология.
Использование существующих организмов в качестве основы для создания биороботов обещает целый ряд преимуществ. Исходный организм обеспечивает готовые системы энергоснабжения, размножения, перемещения, саморемонта и т.д. Существуют отработанные методы получения генетических модификаций; опыт использования микроорганизмов с различными целями. Разумеется, пройдут годы или даже десятилетия прежде, чем станет возможно создать действительно эффективного биоробота.
Вирус как робот. В настоящее время вирусы уже активно используются для внесения в клетки нового генетического материала. В перспективе можно представить себе использование разнообразных роботов-вирусов, способных распознавать клетку определенного типа, находящуюся в определенном состоянии. В зависимости от конкретной ситуации такой робот-вирус сможет убить эту клетку (например, возбудителя заболевания) или ввести в нее необходимые молекулы ДНК или РНК - вплоть до полной замены поврежденного генетического материала.
Клетка-робот. Клетки в организме человека способны целенаправленно перемещаться, иногда на большие расстояния, уничтожать другие клетки или, наоборот, встраиваться в поврежденные ткани на место погибших. Не так уж трудно представить себе клетки, искусственно модифицированные так, чтобы они разрушали атеросклеротические бляшки, регенерировали поврежденные органы, конечности и т.д. Клетки могут нести метки, позволяющие следить за их перемещением по организму, выделять в окружающую среду вещества, несущие диагностическую информацию.
Можно упомянуть несколько типов клеток, которые представляются перспективными в качестве основы для биоробота.
Во-первых, это различные бактериальные клетки. Они могут обладать готовыми механизмами перемещения и даже внедрения в клетки организма-хозяина. Генетический аппарат бактерий довольно просто модифицировать. Они способны к довольно сложному "поведению". Они могут вырабатывать самые разные белки и другие вещества в зависимости от ситуации. Бактерии способны даже к согласованию своих действий путем выделения в окружающую среду различных сигнальных веществ. Они могут передавать и значительные объемы информации, обмениваясь кольцевыми молекулами ДНК - плазмидами.
Разумеется, геномы бактерий должны быть модифицированы таким образом, чтобы они не представляли опасности для человека. Так, бактерии могут быть лишены возможности размножаться в самом организме; нужные количества будут получаться вне его в специальных условиях.
Во вторых, это человеческие клетки - такие, как фибробласты. Достоинство фибробластов в том, что они не несут на своей поверхности так называемых антигенов системы HLA, которые в основном и определяют отторжение иммунной системой организма чужеродных тканей.
Еще один тип клеток, который кажется очень перспективным, это лимфоциты. В организме человека существует несколько типов лимфоцитов, выполняющих различные задачи в рамках обеспечения иммунной защиты. Многие из них способны на весьма сложное "поведение". Не исключено, что окажется возможно генетически модифицировать собственные (и потому не отторгаемые) лимфоциты человека так, чтобы придать им те или иные дополнительные функции.
Методы молекулярной биологии. В организме человека существует огромное количество разнообразных ферментов (другое их название - энзимы). Это белки или соединения белков, обладающие разнообразной и высокоизбирательной активностью. Некоторые из них выполняют чрезвычайно сложные и ответственные функции. В первую очередь это относится к тем ферментам, которые совместно с нуклеиновыми кислотами обеспечивают работу генетического механизма. Для примера рассмотрим фермент ДНК-репаразу. Молекула ее перемещается вдоль двойной спирали ДНК и исправляет ошибки в последовательности составляющих эту спираль нуклеотидов. Такие ошибки неизбежно возникают под действием температуры, различных химических веществ, радиации и т.д. Молекула ДНК-репаразы находит молекулу ДНК, перемещается вдоль нее, распознает нарушения в последовательности нуклеотидов, принимает решение о том, какую из 2-х нитей ДНК считать правильной, "вылавливает" из окружающей среды нужный нуклеотид, удаляет неправильный и вставляет на его место правильный. Практически, она ведет себя как робот, решающий довольно сложную и многовариантную задачу ситуационного поведения.
То, каким образом белковые молекулы оказываются способными на столь сложное "поведение" далеко не ясно. Так, высказывалось предположение, что комплекс ДНК-фермент способен работать как квантовый компьютер. Пока нет возможности подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Однако, сама способность белковых молекул к сложному "поведению", связанному с обработкой информации, является несомненным фактом.
Представляется очень соблазнительным попытаться модифицировать существующие белки или синтезировать новые, способные (возможно, в комплексе с несущей информацию и "программы" ДНК) к решению и других, в т.ч., еще более сложных задач, таких, как лечение поврежденных или состарившихся клеток. Нужно признать, однако, что до необходимого уровня понимания работы ферментов нам еще довольно далеко.
Более простым путем может быть использование способности молекул белков и более коротких полипептидов избирательно связываться друг с другом и с молекулами других веществ. Это должно позволить осуществить самосборку таких молекул в наперед заданную супермолекулярную конструкцию наподобие деталей детского конструктора.
Литература:
- Ю. Д. Семчиков. "Дендримеры - новый класс полимеров". Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 12, стр. 45-51.
- "Магия микрочипов". "В мире науки", ноябрь, 2002, стр. 6-15.
- Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И. В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.
- Роберт Эттингер. Перспективы бессмертия. М., "Научный мир", 2003
- Жан-Мари Лен. "Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы". Новосибирск, "Наука", 1998 г.
- Р. Ф. Фейнман, "Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?", изд. "Регулярная и хаотическая динамика", 2001 г.
- "Квантовые вычисления: за и против" (сборник). Ижевск, 1999.
- C.Б. Нестеров. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые нформационные техноло-гии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004, 421 с., с.21-22.
- И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с. 244-247
- И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й на-учно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с. 248-253