Учнівська робота "Cучасний стан та перспективи нанотехнології в медицині"

КОЛИ ФАНТАСТИКА СТАЄ РЕАЛЬНІСТЮ

Ще у 1959 р. в своїй знаменитій лекції «Там знизу – багато місця» знаменитий американський фізик-теоретик Річард Фейнман говорив про світ незвичайно малих розмірів і тому невидимий звичайним оком. Сьогодні ми ще далекі від описаного Фейнманом мікроробота, який здатний через кровоносну систему проникнути до серця та виконати там операцію на клапані. Але вчені вже навчилися переміщати окремі атоми і здійснювати «молекулярну хірургію» – змінювати структуру клітини на молекулярному рівні. З’явилася ціла галузь науки, що ввібрала в себе найновіші досягнення фізики, хімії і біології – нанотехнологія.

У широкий науковий вжиток цій термін був введений Ериком Дрекслером, американським вченим та популяризатором науки, в його книзі «Машини творення: прийдешня ера нанотехнології» (1986). Дрекслер передбачив, що розвиток нанотехнологій зможе суттєво впливати на тривалість життя людства, його якість. Наприклад, все – від нанопосуду до нанокилимів – буде самоочищуючими, бо для цих наномашин бруд буде їжею. Інші системи зможуть навіть створювати свіжу їжу: справжнє м’ясо, зерно та овочі – прямо вдома.

Перспективи нанотехнології захопили уми вчених. Фармакологи та лікарі побачили в ній можливий якісний прорив у лікуванні хвороб, бо ця технологія дозволяє працювати з речовиною в нанометрових масштабах. Якраз ці розміри характерні для основних біологічних структур – клітин і молекул.

ОСНОВНІ НАПРЯМИ НАНОТЕХНОЛОГІЇ

У зв’язку з великою соціальною значущістю найбільш швидкими темпами розвиваються і впроваджуються нанотехнології для діагностики, моніторингу та лікування захворювань.

Вирізняють п’ять основних напрямів застосування нанотехнологій в медицині.

1.                Доставляння лікарських речовин

 Нещодавно це була лише мрія, а зараз адресно доставляти лікарські речовини в клітини-мішені джерела розвитку патологічного процесу можна за допомогою наночастинок, які стають своєрідними «кур’єрами» або «контейнерами». Останніми можуть бути використані наночіпи – фосфоліпідні частинки.

Мал.1. Наночастинка, як контейнер для переносу генетичного матеріалу.

Вирізняють два напрями адресної доставки ліків: пасивний направлений транспорт (полегшене подолання природних бар’єрів) та специфічна доставка (впізнавання патологічної тканини). Наприклад, речовина куркумін має потужну протиракову дію, але її практично не могли використовувати через погану розчинність у воді. Використання контейнера з наночастинок дозволило дослідникам із Індії обійти це обмеження. Як показали дослідження американських учених, для доставки спеціалізованих засобів можна використовувати бактерій.

А групою українських дослідників в складі З. Ульберг, Т. Грузіна, О. Карпов доведена можливість трансмембранного транспортування нанорозмірних комплексів і частинок у клітинах бактерій, здатних до вибіркового акумулювання колоїдних частинок золота, а також визначили молекулярні структури і механізми, відповідні за цей процес. У досліджуваних клітинах ідентифіковано Mg-АТФазну активність, що складається з двох компонент: азидчутливої (63%) та азид-резистентної (37%). При цьому для виготовлення таких частинок-носіїв можна використовувати різні матеріали. Є і зовсім екзотичні розробки. Проект, над яким працюють вже кілька років дослідники в Університеті штату Юта США, являє собою мікросубмарину з двигуном, що використовує роботу бактерій, таких як Salmonella typhimurium.

2.                Нові методи і засоби лікування на нанометровому рівні

 Наприклад, прицільна протипухлинна терапія для щоденного клінічного використання має включати такі елементи: – можливість молекулярного відображення найменших проявів наночастинок на клітинному рівні; – ефективний механізм молекулярного прицілювання після ідентифікації певних клітинних маркерів; – технологію знищення клітин, ідентифікованих як злоякісні; – технологію моніторингу одержаного ефекту.

Сучасний стан розвитку нанотехнологій вже дозволяє практично конструювати працездатні медичні нанороботи (мал.2), здатні усувати дефекти в організмі хворої людини шляхом керованих нанохірургічних втручань, зокрема, прилади для контролю рівня глюкози у крові та для виробництва інсуліну. Методиками молекулярного моделювання продемонстровано можливість створення на порядок більш складних систем: штучних еритроцитів тощо.

Мал. 2. Наноробот в кровоносній системі.

3.                Діагностика in vivo

Впровадження нанотехнологічних підходів у практику медичної діагностики дозволяє здійснювати ранню діагностику захворювань, виявляти онкологічні, ендокринні, серцево-судинні захворювання, вірусні та бактеріальні інфекції та покращити продуктивність діагностики, основаної на передачі візуальної інформації про молекулярні структури – молекулярної фізіографії. Контрастна речовина для неї складається з наночастинок, з якими з'єднані компоненти, що візуалізуються, та певні антитіла, або які-небудь інші молекули, що здатні відшукати ціль. Коли контрастна речовина вводиться в кровотік, компоненти, що візуалізуються, потрапляють у хворі тканини. Після чого лишається «зчитати» візуалізовану інформацію (мал. 3.).

 Мал. 3. Наночастинки дозволяють виявляти метастази в лімфовузлах.

Над цією концепцією працює компанія Kereos (СтЛуис), яка в співробітництві зі світовими концернами Philips и Bristol-Myers Squibb розробляє контрастні речовини на основі наноемульсії перфтокарбона. Це майбутнє, але вже зараз в медичній практиці використовуються прості контрастні речовини торгівельної марки Resovist® компанія Schering, які складаються з наночастинок оксиду заліза.

4. Діагностика in vitro розвивається в двох напрямах: – використання наночасток як маркерів біологічних молекул; – застосування інноваційних нанотехнологічних способів вимірювання. Фірма Nanosphere із Іллинойса розробила нові діагностичні тести для виявлення онкологічних захворювань, хвороби Альцгеймера та муковісцидоза. При цьому заявлено, що останній буде коштувати в 10 разів дешевше теперішніх.

А сенсорні системи Cantilever и SPR вже зараз широко використовуються в медицині. Перша суттєво спрощує діагностику. Друга дозволяє вимірювати взаємодію між протеїнами або між протеїнами і ДНК в режимі реального часу.

Варто згадати ще діагностичну систему Quicklab, розроблену Інститутом кремнієвих технологій (ФРН) та реалізовану концерном Siemens Corp. Technology, для експрес-діагностики інфекційних захворювань, зараження крові, запалення легень, інших хвороб, де молекули ДНК та протеїни визначаються біохімічним методом.

5. Медична імплантація отримала в останнє десятиліття імпульс для розвитку в зв’язку з необхідністю в способах і засобах відновлення чи заміщення органів та тканин. Ціла низка фірм вже давно працюють з нанокристалічними матеріалами і покриттям поверхні імплантатів гідроксилопатитом для лікування кісткових дефектів. Завдяки нанокристалічній структурі поверхні імпланта процес остеогенеза практично включає штучний матеріал в природну кістку. Іншим методом є нанокристалічне алмазне покриття, яке також обіцяє значно подовжити функціонування і стабільність імплантатів.

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

Таким чином, нанотехнології є мультидисциплінарним напрямом фундаментальної та прикладної науки з широким спектром різноманітних засобів та інструментів на стику інженерії, біології, фізики та хімії. Їх розвиток випереджає найсміливіші прогнози теоретиків відносно як найяскравішого, так і найбільш похмурого майбутнього всього людства в результаті широкого використання нанотехнологій в нашому житті.

УКРАЇНА ТА НАНОТЕХНОЛОГІЇ

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

Наведені малюнки 4-7 – це зображення, отримані за допомогою електронного скануючого мікроскопу Mira 3 Tescan ТОВ «НаноМедТех».

За період своєї роботи вітчизняні вчені наблизились до створення функціональних наночастинок, що дасть змогу використовувати їх для діагностики захворювань, адресної доставки та контрольованого вивільнення лікарських препаратів, терапії. Наприклад, наночастинки срібла (мал. 4.) проявляють антивірусні, антибактеріальні та ранозагоювальні ефекти, золота – протизапальні, а наночастинки CeO₂ (диоксид церію) мають яскраво виражені антиоксидантні, корегуючи та регенеративні властивості. На основі наночастинок срібла вже розробляють нанодезінфектанти. Вони мають широкий спектр біоцидної і антивірусної активності та більш високу токсичність стосовно мікробів, вірусів і грибків, у тому числі до штамів, які вже не сприйнятливі до традиційних антибіотиків, дезінфектантів та антисептиків. Наприклад, папір з нанесеним на нього наночастинками срібла (мал. 5) володіє згубними властивостями для таких бактерій, як кишкова паличка.Завдяки новітнім технологіям отримання та нанесення наночастинок можна досягти рівномірного розподілу наночастинок по поверхні паперу та уникнути утворення агломератів (мал. 6), що призводить до збільшення ефективної поверхні срібла за мізерної витрати металу. Також нанесення наночастинок срібла на сульфаніламід (стрептоцид) (мал. 7), який сам по собі володіє широким спектром протимікробної дії, модифікує існуючий лікарський засіб та призводить до таких зитивних ефектів як пролонгація та локалізація дії.

Мал. 4. Наночастинки срібла синтезовані хімічним методом.

Мал. 5. Волокна паперу з нанесеними на них наночастинками срібла (при такому збільшенні наночастинки ледь помітні у вигляді білих цяток на волокнах паперу).

Мал. 6. Наночастинки срібла на поверхні волокон.

Мал. 7. Сульфаніламід, поверхня якого вкрита наночастинками срібла.

Література

1. Feynman R. P. There’s Plenty of Room at the Bottom // Engineering and Science (California Institute of Tech-nology). – 1960. – P. 22- 36.

2. Liu W.T. Nanoparticles and their biological and environmental application // J. Biosci. Biomed. — 2006. — №102. — P. 1–7.

3. Овчаренко Ф.Д., Эстрела-Льопис В.Р., Гаврилюк А.И., Духин А.С. О силах взаимодействия микроорганизмов и минеральных частиц в природных дисперсных системах // Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем – К. : Наукова Думка, 1985. – Вып. 17. – С. 3–14.

4. Ульберг З.Р., Грузина Т.Г., Перцов Н.В. Коллоидно-химические свойства биологических наносистем.Биомембраны // Коллоидно-химические основы нанонауки. — К. :  Академпериодика, 2005. — С. 199–237.

5. Estrela-Llopis V.R. The phenomenology of the vital activity for biocolloids (microorganisms) from the colloid science viewpoint // XII International Conference Surface Forces, Zvenigorod (Russia). -2002.- Р. 35.

6. Коллоидно-химический механизм связывания металлов микроорганизмами // Коллоидный журнал. — 1994 — Вып. 58. — №4. — С. 584–588.

7. Ulberg Z.R., Dukhin A.S., Karamushka V.I. Interaction of energized bacteria cells with particles of colloidal gold: peculiarities of the process // Biochimica et Biophysion Acta. — 1992. — №1134. — Р. 89–95.

8. Ulberg Z.R., Karamushka V.I., Dukhin A.S. ATR — Dependent Gold Accumulation by Living Chlorella Cells // Acta Biotechnologica. — 1991. — Vol. 11. —№3. — Р. 197–203.

9. Gregoriadis G. – Engineering liposomes for drug delivery: progress and problems // Trends Bio technol. — 1995. — №13. — Р. 527–537.

10. Roy I., Ohulchaskiy T.Y., Pudavar H.E., Bergey E.Y.,Oseroff A.R., Morgan J., Dougherty T.J., Prasad – P.N. Ceramic-based nanoparticles entrapping water insoluble photosensitizing anticancer drugs: a novel drug-carrier system for photodynamic therapy// J. Am. Chem. Soc. — 2003. — №125. — Р. 7860–7865. 13. Qu L.H., Peng X.G. Control of photoluminescenceproperties of CdSe nanocrystals in growth // J. Am.Chem. Soc. — 2002. — №124. — Р. 2045–2055.

11. Ульберг З.Р., Карамушка В.И., Грузина Т.Г. Определение локализации и выделения фактора, связывающего коллоидные частицы золота // Биотехнология. — 1986. — №1. — С. 65–68.

12. Данилович Г.В., Грузіна Т.Г., Ульберг З.Р., Костерін С.О. Ідентифікація та каталітичні властивості Mg+2 — залежної АТР-гідролази плазматичних мембран Bacillus sp B 4253, здатних до накопичення золота // Укр. біохім. журнал. — 2004. — №16. — С. 45–51

13. Данилович Г.В., Грузіна Т.Г., Ульберг З.Р., Костерін С.О. Вплив іонного та колоїдного золота на АТР-гідролазні ферментні системи в мембрані мікроорганізмів Bacillus sp B4253 та Bacillus spВ4851 // Укр. біохім. журнал. — 2007. — №77. —С. 82–87.

14. Gao X., Cui Y., Levenson R.M., Chung L.W.K., Nie S. – In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots // Nat. Biotechnol. —2004. — №22. — Р. 969–976

15. Ito A., Shinkai M., Honda H., Kobayashi T. – Medical application of functionalized magnetic nanoparticles // J. Biosci. Bioeng. — 2005. — №100. — Р. 1–11.

16. Harisinghani M.G., Barentsz J., Hahn P. F. et al. – Noninvasive detection of clinically occult lymphnode metastases in prostate cancer // N. Engl. J. Med. 2003. V. 348, №25. P. 2491–2499.