НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ
Дуйсен А.О. студент;
Казахстанско-Российский медицинский университет. г.Алмата, Казахстан.
Аннотация: Представлен краткий обзор литературы в области нанотехнологий в медицине. Отмечается, что в настоящее время есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Ученые утверждают, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Ожидается также создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок реализации – середина XXI века.
Ключевые слова: нанотехнологии, наноэлектроника, наноматериалы, нанобиотехнологии, наномедицина, нанодиагностика, нанороботы
Введение
Прежде чем говорить о возможных рисках и преспективах нанотехнологий в медицине, надо сказать, что же это такое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «нанотехнологии» - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-х направлениях:
- изготовление электронных схем размеров с молекулу (атом);
- разработка и изготовление машин;
- манипуляция атомами и молекулами[1].
Что такое наномедицина? «Наномедицина» - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноботы и наноструктуры (Р, Фреейтас) [2,4].
В настоящее время наномедицины не существует, есть лишь проекты, воплощение которых и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда будет создан первый наноробот, знание, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь, тогда за считанные вы избавитесь от вируса гриппа или от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором был в молодости. От операции на органах перейдут к операции на молекулах и мы, таким образом станем «бессмертны»[3].
Наномедицина. Перспективы и возможные риски
Ученые утверждают, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развитие болезни. Прогнозируемый срок реализации – 1-ая половина ХХІ века [4], а пока журналисты и общественность спорят: могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно, как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Как выразился Э. Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота,покрывающие землю «серая слизь» (graygoo)» - крохотная причина конца света [5].
Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых? Упорядоченные одним образом, атомы составляют дома и свежих воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым. Уголь и алмаз, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое и драгоценного, больное от здорового.
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпича или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих детали материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать лнанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, 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[5,6].
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. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создание роботов-врачей, первая половина ХХІ века [4].
В действительности наномедицины пока еще не существует, существует лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии – как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями [7].
Наноботы или молекулярные работы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавление новых для усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм! [8].
Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно потому, что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономики, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей. Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" нанботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клетки. Для достижения этих целей необходимо решить три основных задачи:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.
Основная сложность – создание первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений. Одного из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата. Другой путь к созданию первого нанобота – химический синтез. Можно спроектировать и синтезировать химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе. Еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и их можно использовать для создания более универсальных роботов [9,10].
Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитие исследований в этой области, они предложили устоновить правительственный контроль над исследованиями. Такой надзор может предотвратить случайную катастрофу, например когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.
Рей Курцвейл утверждает, что к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанароботов размером с клетку. По оценкам Роберта Фрайтса, ведущего ученого в обласьт наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году. Эти наноботы смогут тормозить процессы старение, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так они практически сольются с нами.
Ученые с штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни, В США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так: перед стартами астронавт, используя шприц для подкожных инъекций, вводит в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц, на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. По беспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будет приниматься необходимые меры[11].
Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет. Сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК. Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым смогут воспользоваться врачи в повседневной работе, понадобиться около пяти лет. С помощью нанотехнологий медицина сможет не только бороться с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адаптации человека в космосе [12].
Могут ли влиять «устаревшиенанароботы» на человека? Когда механизм завершит свою работу, нанодоктара должны будут удалять нанаботов из организма человека. Поэтому опасность того, что «устаревшиенанароботы», оставшиеся в теле человека будут работать неверно, очень мала. Нанароботы должны будут спроектированы так, чтобы избежать сбоев в работе и уменьшить медицинский риск. А как нанароботы будут удалены из тела? Некоторые из них будут способны к самоудалению из организма человека путем естественных каналов. Другие же будут спроектированы таким образом, чтобы из могли удалить медики. Процесс удаление будет зависеть от устройства данного нанаробота [11,12].
Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанароботами человека? Считается, что первостепенной опасностью для пациента будет некомпетентность лечащего врача. Но ведь ошибки могут происходить и в неожиданных случаях. Одним из непредвиденных случаев может быть взаимодействие междц роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если нанаробот А будет удалять последствия работа В, то это приведет к повторной работе А, и этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то есть нанороботы будут исправлять работу друг друга. Чтобы таких ситуаций не позникало, лечащий врач должен постоянно следить за работой нанороботов и в случае чего, перепрограммировать их. Квалификация врача является важным фактором [13].
Как будет реагировать организм человека на нанороботы? Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродное тела. Поэтому размер наноробота играет важную роль, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается, что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из той проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и сильной ее гладкости, внешняя оболочка роботов будет химически интерной [14].
Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине основным областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплантаты. Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях. У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через методы глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей. Многие коллеги Азизы говорят, что этот метод не эффективен и может быть негативнее последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то, ни другое сейчас не доказано.
Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Прицип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же генетическую информацию, что они сцепливаются. Преимущество биочипов – большое количество биологических текстов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа[15].
Выводы
Перспективы развития нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны. Примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов[16]. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводстван нанроботов толстой слой «серой слизи» может покрыть все Землю, являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Нанотехнологии являются той областью науки которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводить какие-либо новшества. Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Использование, например, таких нанотехнологий, как наносенсоры, может иметь рискованный характер, ведь любая, даже самая простейшая система может давать сбой, что уж говорить о таких передовых технологиях, как нанароботы? И, кроме того, надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека.
Итак. Перспективы развития нанотехнологий велики. В ближайшем будущем с их помощью можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанароботов станут неуправляемыми, как зомби. Так что общественности надо больше уделять внимания по этому вопросу: чтобы ученые не только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность об этом.
Литература
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 Ralton and London. – 2007. – P.3.1-3.26.
4. Robert A. Freitas Jr. // Nanomedicin, Basic Capabilities. LandesBioscience, A ustin. – 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., iacopetta 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. Нанотехнолигия: простое объяснение очередной гениальной идеи. // Пер. с англ / М.: Вильям, - 2004. С. 20-22.
11. Kearnes M. Chaos and Control: Nanotechnology and the Politics of Emergence // 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. Nanotechnology systems of innovation. An analysis of industry and academia research activities // Technovation. – 2007. – №27 - P. 661-675.
14. Артюхев И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. // Биомедицинские технологии. Обзор состояния направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»-М.: МИЭМ. – 2002, с.244-247
15. Артюхев И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. // Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»-М.: МИЭМ. – 2002, с.248-253
16. Магия микрочипов. // В мире науки. – 2002. - № 11. – с. 6-15.