История развития нанотехнологий и ее применение в медицине. Нанотехнологии в медицине - наше будущие! Рецензия на тему нанотехнология в медицине

Медицина и фармацевтика в наномире

Редакция STRF продолжает публиковать материалы посвященные нанотехнологиям. На этот раз речь пойдет о наномедицине, которая в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом.

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, представляющая собой совокупность теоретического обоснования, приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

В принципе, нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Она, заменив другие технологии, позволит не только победить старение и болезни, но и обеспечит человечество фантастическими материальными богатствами. Практически же нанотехнология в медицине, фармацевтике и смежных с ними областях, решает сегодня следующие основные задачи:

• Создание твёрдых тел и поверхностей с измененной молекулярной структурой. На практике это даст металлы, неорганические и органические соединения, нанотрубки, биологически совместимые полимеры (пластмассы) и другие материалы имитирующих ткани живых организмов, служащие транспортными средствами доставки лекарств либо имплантантами.
• Развитие наноконтейнерных технологий векторной доставки лекарств.
• Синтез новых химических соединений путем образования молекул без химических реакций. В ближайшие 10–20 лет это приведёт к созданию принципиально новых лекарств, которые синтетики, фармацевты и медики будут «конструировать», исходя из конкретной болезни, и, даже – конкретного пациента.
• Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших.
• Создание точных медицинских наноманипуляторов и диагностических устройств.

Рассматривая отдельный атом в качестве детали, нанотехнологи разрабатывают методы конструирования из этих деталей материалов с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться, подобно детскому конструктору, поскольку любую химически стабильную структуру, которую можно описать соответствующей формулой, можно и построить.

Развитие наномедицины

По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрейтаса, наномедицина – это: «слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры». Таким образом, в медицине перспектива применения нанотехнологий заключается, в конечном счете, в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне с помощью нанороботов либо иными нанотехнологиями

Наномедицина в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом. Под этим термином (отражающим и перспективу) сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний.

Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.

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.

Место лекарственных препаратов и биоактивных молекул в нанометровом мире

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.

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 (супрамолекулярные) комплексы, то есть, образования как «малых», так и огромных органических молекул (по современной терминологии – «хозяин») с ионными либо ковалентно построенными молекулами («гость»). 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 (13 сентября, журнал Nature Nanotechnology, 2009, DOI: 10.1038/nnano.2009.242 ), 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 быть солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее.

Вот, для примера, размеры (табл. 1) молекул некоторых веществ (молекул, частиц) в нанометрах:

Таблица 1.

Специалисты высказывают важнейшую мысль о том, что отнесение новых объектов к наноматериалам не должно строиться «слепо по их размеру» – а на основании того, приводит ли данный размер к появлению новых свойств таких объектов.

Несмотря на то, что во многих странах наноматериалы уже нашли широкое применение даже в косметических средствах и солнцезащитных кремах, в этих же странах не существует чётких правил, упорядочивающих безопасное применение наночастиц, при этом очевидно, что без четкого определения понятия «наночастица», появления таких правил вообще вряд ли уместно ожидать. 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.

Авторы обзора отмечают, что нельзя просто классифицировать наночастицы, «гребя их всех под одну гребёнку», однако, добавляют, что не всё, что «мало» – непременно представляет собой наноматериалы. Возникает вопрос, какие же критерии следует использовать при систематизации наноматериалов? В обзоре рассматриваются различные физико-химические характеристики, которые могут лечь в основу предлагаемой новой классификации. Так, например, размер наносистемы влияет на строение её кристаллической структуры, которая, в свою очередь, определяет реакционную способность наночастиц и особенности их взаимодействия с окружающей средой. Обнаружено, например, что свойства наночастиц, имеющих размер 10–30 нм, значительно отличаются от более крупных образований.

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. Несомненно, супрамолекулярные структуры – следующий за нанокристаллами перспективный объект детального изучения. 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» (типа «субстрат-рецептор» или «хозяин-гость»), по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой (супрамолекулярным комплексом). 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 основе механизма 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 (лигандом) и белком (мишенью), 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 (полное или частичное излечение). 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.

Хотелось бы напомнить слова, сказанные академиком В. Л. Гинзбургом: «В то же время, биология, используя в основном всё более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и, после расшифровки в 1953 году генетического кода, начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по существу, распределением „мест“ в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология».

Системы доставки биологически активных веществ

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 от его молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Тем не менее, для описанных ниже нанопереносчиков, трансдермальный метод рассматривается, как один из возможных способов транспорта нанообъектов. (На рисунке – наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул: 1 – липосома и аденовирус; 2 – полимерная наноструктура; 3 – дендример; 4 – углеродная нанотрубка

Уже давно известны различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы , образующиеся в растворах липидов. Интерес для практических целей могут представлять липосомы, размерами не более 20–50 нм, которые и используются как средства доставки лекарственного средства к биологической мишени. Кроме того, сама природа заблаговременно подготовила большой набор нанопереносчиков, например, вирусов . Обработанные определенным образом аденовирусы могут быть эффективно использованы для вакцинации через кожу. К искусственным биогенным наночастицам, способным к направленной доставке, помимо липосом относят также липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии липидного происхождения, некоторые циклические пептиды, хитозаны, наночастицы из нуклеиновых кислот.

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. Такие силовые линии способно создавать, например, устройство магнитного резонанса. 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.

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». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С 60 , 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 С 20 и до С 70 , С 82 , С 96 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.

Пожалуй, 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 (например, таксол или нурофен пролонгированного действия). 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.

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 (Wyeth-Ayers Laboratories) – 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 клетками. 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 2?4 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 нарабатывать их 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.

Биологически активные добавки (БАД), разработанные с применением нанотехнологий, так называемые наноцевтики (nanoceuticals), нацелены на мощное усиление возможностей организма: от усиления усвояемости активных компонентов пищи и до улучшения умственной деятельности и возможности сконцентрироваться, являются изюминкой современного рынка. Однако, общества по правам потребителей настаивают на более жёстком государственном контроле реальной безопасности и эффективности продуктов, попадающих на прилавки магазинов.

О безопасности нанотехнологий в здравоохранении

Общее мнение экспертов – исследователи еще не создали инструментарий, необходимый для 100%-ной оценки рисков, связанных с нанотехнологиями в здравоохранении. Такие разработки на 3–5 лет, а по некоторых оценкам – и больше, отстают по срокам от собственно создания важнейших медицинских наноматериалов. Наноматериалы относятся к абсолютно новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием (в том числе токсическим), которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий (Таблица 2).

Наука не стоит на одном месте.

Технологии развиваются стремительными темпами и позволяют создавать устройства и приложения, которые открывают безграничные возможности в самых различных областях медицины.

В результате, человек все больше и больше приближается к пониманию того, что происходит в его организме не только на клеточном, молекулярном, но и атомном уровне - на наноуровне.

Вот 25 способов использования нанотехнологий в медицине.

1. Наноботы — это поколение наномашин будущего. Они смогут чувствовать окружающую среду и адаптироваться к ее изменениям, выполнять сложные вычисления, общаться, двигаться, проводить молекулярную сборку, ремонт или даже размножаться. Эти устройства имеют большой потенциал для применения в медицинских целях.
2. Нанокомпьютеры . С их помощью происходит управление наноботами. Усилия по созданию нанокомпьютеров, а также движение к квантовым вычислениям открывают новые возможности для медицины.
3. Регенерация клеток . Повреждение клеток организма зачастую очень трудно восстанавливается из-за невероятно малых размеров клеток. Однако с помощью нанотехнологий появляется возможность обойти это. Наноботы или другие устройства могут быть использованы для манипулирования молекулами и атомами на необходимом для регенерации клеток индивидуальном уровне.
4. Старение . Nanoустройства могут быть использованы для удаления некоторых признаков старения. Например, лазерная технология уже может уменьшить проявление возрастных линий, пятен и морщин. В будущем с помощью мощных нанотехнологий планируется полное устранение этих признаков.
5. Лечение рака . На сегодняшний день уже сделаны первые успешные шаги в работе по использованию нанотехнологий в лечении рака. Данный процесс осуществляется благодаря тому, что небольшие специализированные функции некоторых наноустройств можно более точно направить на раковые клетки. При этом происходит уничтожение раковых клеток и не наносится ущерб окружающим их здоровым клеткам.
6. Заболевания сердечно-сосудистой системы . Существует возможность того, что нанороботы могут выполнять ряд функций, связанных с сердцем. Регенерация поврежденных тканей сердца — это только одна возможность. Другой вариант использования нанотехнологий заключается в использовании наноустройств для очищения артерий от атеросклеротических бляшек и устранения других проблем.
7. Имплантация устройств . Вместо имплантации устройств, которые на сегодняшний день используются в медицине, можно было бы направить наноботы для создания необходимых структур внутри тела.
8. Виртуальная реальность . Благодаря использованию инъекций наноботов врачам легче изучить организм человека. Создание виртуальной реальности может помочь медицинским работникам сделать некоторые операции более "реалистичными".
9. Доставка лекарств . Системы для автоматизации доставки лекарств способствуют повышению согласованности между системами организма. При этом обеспечивается лекарствами та система, которая в них нуждается. Для обеспечения высвобождения определенных лекарственных веществ в нужное время и без человеческих ошибок с помощью нанотехнологий можно программировать системы доставки.
10. . Нанотехнологии позволяют проникать нанороботам в организм и вносить изменения в геном. Благодаря этому возможно произвести коррекцию генома и в результате вылечить различные генные болезни.
11. Нанопинцеты . Эти устройства предназначены для работы наноструктур. Они могут быть использованы для перемещения наноустройства в теле или для размещения их до установки. Нанопинцеты, как правило, построены с использованием нанотрубок.
12. Стволовые клетки . Нанотехнологии могут фактически помочь взрослым стволовым клеткам превратиться в любой необходимый тип клеток. Исследования на мышах показывают, что нанотрубки позволяют взрослым стволовым клеткам превратиться в функционирующие нейроны.
13. Регенерация костей . Используя нанотехнологии можно ускорить регенерацию костей. Наночастицы имеют различный химический состав, который может помочь соединить кости вместе и даже может помочь в некоторых случаях повреждения спинного мозга.
14. Визуализация . Нанотехнологии очень перспективны для использования в области медицинской визуализации, позволяя быстро получить точное специфическое изображение. Наноустройства используются в молекулярной визуализации и приводят к улучшению диагностики различных заболеваний и состояний.
15. Сахарный диабет . Вместо того, чтобы брать кровь для исследования уровня сахара в крови, нанотехнологии предоставляют возможность диабетикам использовать для этого линзы. По изменению цвета можно судить об уровне сахара крови.
16. Хирургия . В современном мире уже есть хирурги-роботы, а вот нанохирургия — перспективная отрасль, в которой можно использовать некоторые лазеры, а также наноустройства, которые могут быть запрограммированы для выполнения некоторых хирургических операций.
17. Эпилепсия . Разрабатываются наночипы, которые способны помочь управлять приступами судорог. Эти чипы предназначены для анализа сигналов мозга, последующего их анализа и выполнения необходимых настроек мозга таким образом, чтобы стало возможно лучше контролировать приступы эпилепсии.
18. Обратная сенсорная связь . Наночипы могут быть полезны людям, которые утратили способность чувствовать свое тело. Для этого наночипы перехватывают электрические импульсы и их интерпретируют.
    
19. . Протезирование продолжает двигаться вперед. Нанотехнологии дают возможность с помощью мозга управлять протезами. Уже есть некоторые примеры использования наночипов с этой целью.
20. Медицинский контроль . С помощью нанотехнологий можно контролировать состояние различных систем организма. Наночипы, имплантированные в тело, контролируют состояние здоровья и отправляют полученные сведения на компьютер или другое устройство.
21. Медицинские отчеты . В дополнение к мониторингу собственных систем организма, нанотехнологии могут быть использованы для отправки информации поставщикам медицинских услуг, тем самым повышая эффективность электронных медицинских записей.
22. Профилактика заболеваний . Наличие наноустройства в организме способно реально помочь предотвратить различные болезни. При правильном программировании возможно избежать некоторых заболеваний, откорректировать возникшие проблемы раньше, чем они станут серьезными проблемами. Наноустройства могут даже помочь предотвратить хронические заболевания.
23. Пренатальная диагностика . Есть несколько способов использования нанотехнологий в пренатальной диагностике. Наноустройства способны проникать внутрь матки и даже внутрь плода, не вызывая повреждений. Кроме этого, они потенциально могут помочь устранить многие проблемы еще в утробе матери.
24. Индивидуальная медицина . Будучи в состоянии точно подстроиться под геном каждого человека в отдельности, нанотехнологии позволят более точно определить надлежащее лечение и настроить план лечения в соответствии с индивидуальными потребностями организма.
25. Исследования . Нанотехнологии позволяют стремительно продвигаться вперед медицинским исследованиям, предоставляя необходимые для этого инструменты, с помощью которых человек узнает новое о строении и функционировании организма человека, и благодаря исследовании в области физики и химии, нанотехнологии обеспечивают организм строительным материалом.

« Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Другим древнейшим применением нанотехнологий в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.

Шунгитная вода: полезно или все-таки вредно?

Наверное, уже многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитную воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов. Расскажем о такой воде немного подробнее. Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить — через несколько часов, она теряет свои уникальные свойства.

Проведенные на Украине и в Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале — шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра.

Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений», и разрушающие живой организм. Высокими антиоксидантными свойствами обладают витамины С, Е, А, янтарная кислота и ряд других веществ.

Проведенные исследования с применением марциальных вод указывают на высокий оздоровительный эффект при раковых заболеваниях, атеросклерозе, диабете, болезнях почек и печени, нарушениях в работе мозга и т.д.

Однако у этих исследований есть и свои противники. Ряд ученых выражают озабоченность в связи с открытой продажей шунгитовой воды именно потому, что в ней, в отличие от марциальных вод, могут находиться и фрагменты фуллеренов, которые, как известно, крайне нестабильны. Употребляя воду, настоянную на шунгите, человек может выпить не только полезные кластеры. Фуллерены или их осколки с легкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер, то есть проникают в живые ткани, в том числе и мозг. В тоже время, эти наноразмерные частицы дополнительно могут еще и транспортировать на себе самые разные вещества, которые в норме барьер не проходят и в нервные ткани не проникают.

Применение в строительстве асбестоцементных плит (например, из них изготавливают стены ванной и туалета) во многих странах мира считается опасным. Асбест состоит из мелких игольчатых микро- и наноструктур. Шахтеры, которые добывают асбест и много лет подряд вдыхают асбестовую пыль, почти гарантированно получают рак легких из-за воздействия этой пыли. В целях заботы о здоровье во многих странах мира асбестовые конструкции демонтируют. Можно вспомнить пример со зданием правительства в бывшей восточной Германии, которое новые власти практически снесли из-за активного применения в нем асбестовых материалов.

Нелепо предположить, что можно взять минерал (камень) из того же алюмосиликата, измельчить его, затем настоять на нем воду и предлагать потребителю. Применение шунгитовой воды должно осуществляться под строгим медицинским контролем, с длительным изучением как возможных положительных, так и отрицательных последствий.

«Опасное» нано

На Совете Федерации 19 марта 2008 года Сергей Иванов неоднозначно заявил, что нанотехнологии пока освоили только жулики, которые уже рекламируют всевозможные нанокремы. «Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы их намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли», — предупредил первый вице-премьер. Другие жулики тем временем пытаются покуситься на 130 млрд. рублей, которые государство выделило госкорпорации «Российские нанотехнологии», и представляют «завиральные и фактически неосуществимые проекты».

Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон (Hanna Karlsson), ученый из Karolinska Institutet (Швеция).

По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Исследование показало, что воздух в метро содержит частицы железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, когда свободные радикалы образуются в клетках организма. Свободные радикалы — это быстродвижущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает ученый, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.

Аналогичные частицы, которые были обнаружены в ходе исследования, возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.

В связи с высокой проникающей способностью наночастиц некоторыми учеными также высказываются опасения и относительно применения различных твердых наноразмерных объектов в ряде косметических препаратов: кремах, лосьонах и т.д. Механизм и характер поведения наночастиц после нанесения на кожу полностью не изучен. Вполне вероятно, что наночастицы не пожелают надолго задерживаться в кожном покрове и отправятся в путешествие по всему организму.

Однако встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.

«Наногильзы»

Директор Лаборатории нанофотоники (Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Райса в Хьюстоне, Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами — наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки — антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.

«Нанонейровязание» и другие достижения

Марк Гринстафф (Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран дендримеры.

Исследователи из Гонконгского университета — профессора Ратледж Эллис-Бенке (Rutledge Ellis-Behnke) и Геральд Шнайдер (Gerald Schneider), дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.

« Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», — заявил российскому агентству ИТАР-ТАСС профессор Эллис-Бенке .

Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 80 лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже, особенно у мужчин, продолжительность жизни которых, по некоторым данным, равна всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения организма.

Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышек и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа (Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета в Эванстоне (Northwestern University, Evanston), Иллинойс. Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные мыши были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.

Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и ей не вводились никакие препараты. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы введение нанопрепаратов позволило сердцу восстановиться практически полностью и функционировать так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и подтверждены на подопытных кроликах.

«Наномедицинские» чудеса

Преимущества медицинской нанотехнологии над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в организме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.

Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления мышиной печени, рассеченной исследователями. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.

Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.

В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998-2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин.

Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологий создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, то экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехнологиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

Гродненский государственный университет им. Я.Купалы

Реферат

на тему: «Наноматериалы в медицине»

Подготовила: студентка Бобрицкая Екатерина Олеговна

Преподаватель: Трифонова И.В.

Введение

Большинство из нас не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Понятия «нанотехнологии», «наноматериалы»

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами.

Что касается регулярных структур, то небольшие участки поверхности могут быть структурированы "извне" - например, с помощью зондового сканирующего микроскопа. Однако, достаточно большие (~1 мк2 и больше) участки, а также объёмы вещества могут быть структурированы, видимо, только способом самосборки молекул.

Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток; структура клеточных мембран и органоидов определяется самосборкой из отдельных молекул.

Самосборка молекулярных компонентов разрабатывается как способ построения периодических структур для изготовления наноэлектронных схем, и здесь были достигнуты заметные успехи.

В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как "свои" и прикрепляются к их поверхности.

В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Так, учёные из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp и другие использовали трехмерную самосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как "клей" или "шпатлёвку" для костной ткани.

Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований.

Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

Применение нанотехнологий в медицине: современное состояние

наноматериал молекулярный структурированный лечение

Термин нанотехнологии убедительно входит в нашу жизнь. В 1959 г. известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "удивительно многосложный мир малых форм, а когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до 1960 г. ни один человек не относился всерьез к изучениям этого мира". На начальном этапе развитие нанотехнологии определялось главным образом разработкой устройств зондовой микроскопии. Эти аппараты являются как бы глазами и руками нанотехнолога.

Прогресс в сфере нанотехнологии на данный момент связан с созданием наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.

Но постепенно все чаще отмечается как многообещающая область использования нанотехнологии - медицина. Это вызвано тем, что новая технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Как раз такие величины типичны для главных биологических структур - клеток, их компонентов (органелл) и молекул.

Сегодня можно утверждать о возникновении нового направления - наномедицины. Впервые мысль об использовании микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места" (со ссылкой на идею Альберта Р. Хиббса). Но всего лишь в последние несколько лет идеи Фейнмана приблизились к реальности.

Сейчас мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему попасть внутрь сердца и сделать там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры); Микро- и нанокапсулы; Нанотехнологические сенсоры и анализаторы; Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; Наноинструменты и наноманипуляторы; Микро- и наноустройства различной степени автономности.

Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.

Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме.

Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение.

Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских) применений.

Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них: предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул; наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры; способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций "гость-хозяин".

Микро-и нанокапсулы

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный Р. Фрейтасом; также респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов).

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами.

Хороший обзор возможностей сканирующих микроскопов при изучении биологических объектов содержится в книге. Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Наноманипуляторы

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.

В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.

Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

Микро- и наноустройства

В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.

Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т. д. Подробнее такие устройства (нанороботы) будут рассмотрены ниже.

Медицинский наноробот

Нанотехнология позволит инженерам построить сложных нанороботов, которых можно безопасно вводить в человеческое тело для транспортировки важных молекул, управления микроскопическими объектами и сообщения с врачами посредством миниатюрных датчиков, они будут оснащены двигателями, манипуляторами, генераторами мощности и компьютерами молекулярного масштаба.

Идея строить таких нанороботов основывается на факте, что тело человека - естественный наномеханизм: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов.

Наноробототехника возникла при появлении необходимости работать с миниатюрными объектами на молекулярном уровне. Нанороботы - наноэлектромеханические системы, предназначенные для выполнения определенных задач с точностью в нанодиапазоне. Их преимущество перед обычной медициной заключается в их размере. Размер частиц влияет на длительность и масштабность воздействия, следовательно лекарства в микромасштабах могут использоваться с более низкой концентрацией и обладают более ранним началом терапевтического воздействия. Также обеспечивается возможность доставки препарата к конкретному месту применения.

Типичное медицинское наноустройство вероятно будет роботом размером около микрона, собранным из нано частей. Эти нанороботы могут действовать по командам снаружи либо по заданной программе для выполения работ макро-масштаба

Нанотрубки и инфракрасное излучение

Фототермическая терапия с использованием наноматериалов недавно привлекла к себе внимание как эффективная стратегия в разработке нового поколения средств лечения рака.

Однослойные углеродные нанотрубки (SWNT) являются потенциальным кандидатом на роль фототермического терапевтического фактора, так как производят значительное количество тепла при облучении волнами ближнего инфракрасного света (NIR, длина волны - 700-1100 nm). Для волн такой длины биологические ткани, включая кожу, практически прозрачны. Фототермический эффект вызывает тепловую смерть раковых клеток, причем процесс протекает неинвазивно.

Эффективность комбинированной терапии нанотрубками и облучением продемонстрирована на результатах уничтожения in vivo солидной злокачественной опухоли. Такой способ лечения мышей показал полное разрушение опухолей без вредных побочных эффектов и рецидивов в течение 6 последующих месяцев. В контрольной группе при лечении обычными средствами был продемонстрирован постоянный рост опухоли до самой смерти животных.

Появляется модификация однослойных углеродных нанотрубок с помощью фосфолипидов. Так как однослойные нанотрубки проявляют гидрофобные свойства, практически невозможно добиться их проникновения в клетки пораженных тканей. Такой подход позволил группе корейских ученых обойти эту сложность.

Опухоли, пересаженные на спины мышей, являются карциномой ротовой полости человека. Для облучения мыши были помещены под ИК лампу мощностью 76 Вт/см3 . Продолжительность сеанса составила 3 минуты. Опухоль полностью исчезла через 20 дней после однократного лечения. При этом сначала наблюдалось увеличение содержания нанотрубок в мышце, окружавшей опухоль, селезенке, крови и коже. В течение следующих семи дней нанотрубки накапливались в крови и печени. Через семь дней количество нанотрубок во всех органах резко уменьшилось. Практически все инъецированные нанотрубки было выведены печенью и почками в течение двух месяцев.

Такие результаты позволяют рассматривать фототермический фактор как эффективный метод лечения раковых опухолей.

Стакан из наноматериалов марки «ХуаШен». Лечение ряда заболеваний структурированной водой

О применении наноматериалов в медицине я слышала много, а вот о стакане из наноматериалов марки «ХуаШен» услышала впервые. Лечение с применением стакана из наноматериалов марки «ХуаШен», это лечение с помощью структурированной (низкомолекулярной) воды.

Торговая марка «ХуаШен» принадлежит Тяньзиньской корпорации «ХуаШен», которая объединяет 6 групп компаний и предприятий с системой многопрофильной деятельности: освоение научных технологий, производство и реализация информационных продуктов и лекарственных препаратов из натурального сырья. Все выпускаемые продукты изготавливаются с учетом опыта и традиций китайской медицины. На Российском рынке продукция «ХуаШен» впервые появилась в 2000 году, в Белоруссии и Украине - в 2002 году, в Казахстане, Киргизии и Таджикистане - в 2004 году.

В состав наноматериалов, используемых при изготовлении стакана марки «ХуаШен» входят следующие вещества:

· титановый ангидрит;

· окись цинка;

· более 10 различных микроэлементов.

Залитая в стакан из наноматериалов вода преобразуется уже через 20 минут, а затем ее можно использовать. В этот промежуток времени наноматериалы, из которых изготовлен стакан, превращают макромолекулы воды (состоящие из 13-15 молекул) в микромолекулы (из 5-7 молекул). Полученная вода называется «низкомолекулярной» и имеет 4 особенности:

· высокорастворяющее действие;

· расщепляющее действие;

· проникающее действие;

· действие по активизации обменных процессов.

Если верить различным источникам, то клинические исследования подтверждают, что структурированная вода:

· уменьшает содержание холестерина в крови и очищает кровеносные артерии;

· улучшает пищеварительные функции, регулирует кислотность;

· способствует убыстренной регенерации тканей;

· способствует выведению шлаков и токсинов из организма;

· поддерживает иммунную систему;

· увеличивает продолжительность жизни;

· обновляет метаболический баланс;

· очищает кишечник;

· активизирует и нормализирует работу почек;

· помогает при лечении воспаления слизистой полости рта;

· она эффективна при лечении кишечных заболеваний у детей.

Структурированная (низкомолекулярная) вода из стакана марки «ХуаШен» специалистами рекомендуется для применения при следующих заболеваниях:

· Желудочные заболевания (гастрит, язва желудка, язва двенадцатиперстной кишки, повышенной кислотности, диспепсии и др.) - вода способствует улучшению выделения желудочного сока, стимулирует перистальтику желудка и кишечника, улучшает пищеварение, повышает усваиваемость пищи.

· Сахарный диабет - вода нормализует обмен клеток поджелудочной железы.

· Сердечнососудистые заболевания: большинство заболеваний сердца возникают из-за того, что на венозных артериях скапливается жир, что препятствует свободному току крови. При употреблении воды из стакана из наноматериалов жировые отложения разрушаются и выводятся из организма. В результате улучшается снабжение сердца, нормализуется работа сердечных мышц.

· Гипертония: у большинства больных, главной причиной заболевания является повышенное всасывание жира, на стенках кровеносных сосудов накапливаются холестериновые бляшки, и просвет в сосудах сужается. При регулярном употреблении воды из стаканов марки «ХуаШен» кровь очищается от кислотных веществ, вследствие чего снижается давление и смягчаются кровеносные сосуды.

· Запоры - вода, обработанная с применением наноматериалов, вносит активный кислород, в результате чего запор быстро проходит.

· Косметический эффект: устранение блеклости кожи, морщин, огрубения кожи, сухости, пигментных пятен, воспалений кожи и др.

Порядок приготовления и использования структурированной (низкомолекулярной) воды следующий:

· В стакан из наноматериалов марки «ХуаШен» заливается обыкновенная вода, лучше очищенная, которая выдерживается в нем в течение 20-30 минут. В этот промежуток времени вода преобразуется в низкомолекулярную.

· Уже структурированную (низкомолекулярную) воду можно пить, употреблять для приготовления пищи, использовать для умывания, использовать для полива цветов и др.

· Структурированную воду из стакана можно добавлять в емкости с обычной, очищенной водой в пропорции 0,5 литра на 10 литров (1:20). После 20-30 минут вода и в дополнительной ёмкости приобретет правильную структуру. Так увеличиваются объемы готовой к употреблению воды.

· Структура воды, которая получена с помощью наноматериалов, вне стакана сохраняется в течение 18-24 часов.

· На 1 кг веса человека рекомендуется употреблять 30 мл. воды, т.е. человек весом 70кг. должен выпивать в сутки не менее 2,1 литра воды, а весом в 100 кг. - 3 литра в сутки.

· Для получения желаемого эффекта от лечения, структурированную воду желательно употреблять постоянно.

С помощью использования стакана из наноматериалов марки «ХуаШен» отдельно выбранные болезни не лечатся. Употребление низкомолекулярной воды дает комплексное оздоровление всего организма. Происходит самоочистка тела от десятков видов разнообразных ядов и шлаков. Кроме того, структурированная вода обогащает клетки организма кислородом, создавая среду, которая противодействует образованию раковых клеток.

С одной стороны перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологий кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. Но с другой стороны нанотехнологии могут быть опасными для общества.

Исследователи и защитники окружающей среды сделали прогноз, что самыми опасными экологическими угрозами в будущем станут наноматериалы, вирусы, созданные человеком, и роботы. Весь список угроз состоит из 25 пунктов. Наиболее серьезные проблемы, по мнению специалистов, будут связаны с биороботами, которые могут стать новыми инвазивными видами, с климатическими экспериментами, такими как «удобрение» океана и развертывание щитов, защищающих Землю от солнца.

Кроме того, опасность для экологии будут представлять выросший спрос на биомассу, необходимую для изготовления биотоплива, разрушение морских экосистем, вызванное оффшорным производством электроэнергии, а также эксперименты по контролю инвазивных видов с использованием генетически модифицированных вирусов.

Другие угрозы из списка, которые могут сильно навредить окружающей среде, относятся, скорее, к теоретическим. В их числе проблемы с роботами, которые имитируют поведение животных, и с микробами, созданными из синтетических молекул. Специалисты считают, что если эти искусственные формы жизни будут выпущены в дикую природу, они могут начать вести себя как инвазивные виды.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.

Список литературы

1. Рыбалкина М. - «Нанотехнологи для всех», 2005 г.

2. Г.Г. Еленин - «Нанотехнологии. Наноматериалы, наноустройства»

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Изучение действия и применения известных фармакопейных лекарственных растений. Исследование принципов и особенностей составления растительных сборов для профилактики и лечения заболеваний. Обзор новых технологий упаковки и хранения лекарственных трав.

реферат , добавлен 19.05.2012


Характеристика апитерапии как общего названия методов лечения различных заболеваний человека с применением живых пчёл, а также продуктов пчеловодства. Сущность и роль метода лечения пчелоужаления. Принципы лечения медом. Анализ пчелиных продуктов.

презентация , добавлен 29.03.2015


Определение понятия "десмургия". Ознакомление с основами учения о правилах наложения и применения повязок. Изучение классификации повязок и материалов для их осуществления. Рассмотрение правил бинтования. Способы применения шины, медицинского гипса.

презентация , добавлен 03.02.2016


Анализ показаний к применению стимулирующей терапии: снижение показателей реактивности, отсутствие эффектов от лечения. Характеристика методов общего лечения заболеваний пародонта у детей. Знакомство с физиотерапевтическими методами лечения пародонта.

презентация , добавлен 16.05.2014


Дерматомикозы (Dermatomykoses) как группа заболеваний кожи и ее придатков, вызванных внедрением в нее грибов. Симптомы, описание клинических признаков заболеваний, препараты для лечения ряда грибковых заболеваний. Описание противогрибковых препаратов.

лекция , добавлен 27.11.2009


Место воспалительных заболеваний лимфоидного кольца глотки в структуре патологии ЛОР-органов. Проявление, симптомы и диагностика ряда заболеваний: различных видов тонзиллита, фарингомикоза, дифтерии глотки, аденоидов. Специфика лечения этих заболеваний.

реферат , добавлен 17.02.2012


История введения понятия "невроз" в медицине. Общие механизмы и характеристики этого явления. Классификация неврозов в отечественной психиатрии. Описание симптомов различного рода неврозов, их взаимосвязь с другими заболеваниями, особенности лечения.

реферат , добавлен 09.11.2010


Механизмы электрического и электромагнитного воздействия на организм человека. Электротерапия как метод лечения, реабилитации и профилактики заболеваний. Методы лечебного применения тока. Показания и противопоказания к применению электротерапии.

реферат , добавлен 16.04.2019


Понятие и принципы реализации рефлексотерапии. Анализ и оценка публикаций, посвященных использованию этих методов на различных этапах лечения онкологических заболеваний. Исследование эффективности данных приемов и перспективы их применения в будущем.

презентация , добавлен 29.11.2015


Черты и классификация травм челюстно-лицевой области. Вывихи и переломы зубов, переломы нижней челюсти. Вывихи нижней челюсти: причины, клинические проявления, лечение. Разработка методов диагностики и лечения заболеваний челюстно-лицевой области.

УДК 621.372.061

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

Силаков К.И., студент; Силакова Т.Т., к.ф.-м.н., доцент

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г.Киев, Украина

Введение

Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах 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 размером с молекулу (атом);

Разработка и изготовление машин;

Манипуляция атомами и молекулами.

Что такое наномедицина? «Наномедицина» - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас) .

В настоящее время наномедицины не существует, есть лишь проекты, воплощение которых и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда будет создан первый наноробот, знания, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь. Тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции на органах перейдут к операции на молекулах и мы, таким образом, станем «бессмертны» .

Наномедицина. Перспективы развития и возможные риски

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. Прогнозируемый срок реализации - 1-ая половина XXI века, 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.

212 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых? Упорядоченные одним образом, атомы составляют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым. Уголь и алмазы, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое от драгоценного, больное от здорового.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей 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 нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другогонанобота, 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. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют 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 .

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении 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! .

Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, воз-

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 213

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

можно 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 приме-няются.Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, 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" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой. 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. Одно 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 .

Г руппа 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 установить 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 нанороботов размером с клетку. По оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году. Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так они практически сольются с нами.

Ученые из 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. ДжеймБейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так: перед стартом астронавт, используя шприц для подкожных инъекций, вводит в кроветок 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 будут приниматься необходимые меры.

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 .

Могут ли влиять «устаревшиенанороботы» на человека? Когда механизм завершит свою работу, нанодоктора должны будут удалять нанороботов из организма человека. Поэтому опасность того, что «устаревшие нанороботы», оставшиеся в теле человека будут работать неверно, очень мала. Нанороботы должны будут спроектированы так, чтобы избежать сбоев в работе и уменьшить медицинский риск. А как нанороботы будут удалены из тела? Некоторые из них будут способны к самоудалению из организма человека путем естественных каналов. Другие же будут спроектированы таким образом, чтобы их могли удалить медики. Процесс удаления будет зависеть от устройства данного наноробота.

Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами 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 между роботами при их столкновении. Такие неисправно-

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 215

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

сти трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если наноробот А будет удалять последствия работы робота 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 .

Как будет реагировать организм человека на нанороботы? Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродные тела. Поэтому размер наноробота играет важную роль, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается, что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из этой проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и сильной ее гладкости, внешняя оболочка роботов будет химически инертной .

Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине. Основными областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплантанты. 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 и 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 метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей. Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные 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. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. Преимуществобиочипов - большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Перспективы развития нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны. Примером являются наночи-пыи солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов . А такие

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовос-производствананороботов толстый слой «серой слизи» может покрыть всю Землю, являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Нанотехнологии являются той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит 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, такихнанотехнологий, как наносенсоры, может иметь рискованный характер. Ведь любая, даже самая простейшая система может давать сбои, что уж говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? 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 нанороботов станут неуправляемыми, как зомби. 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.

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 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

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

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

16. Магия микрочипов. // В мире науки. - 2002. - № 11. - с. 6-15.

Силаков К.И., Силакова Т.Т. Нанотехнологии в медицине. 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

Сілаков К.І., Сілакова Т.Т. Нанотехнології в медицині.Представлений короткий огляд літератури в області нанотехнологій в медицині. Відзначається, що в даний час є тільки проекти, втілення яких в реальність і призведе д наномедицини. Вчені стверджують, що настане той день, коли за допомогою нанотехнологій в кров"яні клітини людини можна буде вбудовувати мікроскопічні датчики, що попереджають про появу ознак радіаційного випромінювання або розвитку хвороби. Очікується також створення молекулярнихроботів-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 реалізації - середина XXI століття.

Ключві слова: нанотехнології, наноелектроніка,наноматеріали, нанобіотехноло-гії, наномедицина, нанодіагностіка, нанороботи.

Silakov K.I., Silakova T.T. Nanotechnologies of medicine. The brief review of literature is presented in area of nanotekhnologiy in medicine. It is marked that presently nanomediciny while does not exist, there are only projects embodiment of which in reality and will result in nanomedicine. Scientists assert that will come that day, when by nanotekhnologiy in the bloody cages of man it is possible it will be to build microscopic sensors, warnings at appearance of signs of radiation radiation or development of illness. Creation of molecular ro-bots-doctors which can "live " into a human organism is expected also, removing all nascent damages, or preventing an origin such. Manipulating separate atoms and molecules, nano-boty will be able to carry out repair of cages. The forecast term of realization is a middle of XXI age.

Key words:nanotechnology,nanoelectronics,nanomaterial,nanobiotechnology,nanomedi cine,nanodiahnostika,nanorobots.

218 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49