Применение нанотехнологий (1075549), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Новое вещество отличается от них тем, что его можно вводить в спинной мозг иглой в жидком виде. Молекулы с отрицательным зарядом в жидкости начинают собираться при соприкосновении с положительно заряженными частицами в организме, такими как кальций или натрий. Молекулы собираются в цилиндрические полые нановолокна, образующие решетчатые структуры для роста внутри них нервной ткани. На поверхности волокна находятся молекулы, подавляющие образование рубцов и стимулирующие рост нервной ткани

1. Точная доставка лекарств

Для улучшения качества и эффективности лечения и диагностики широкого спектра серьезных заболеваний требуются более избирательные и эффективные лекарства и диагностические агенты.

Исследования возможностей направленной контролируемой доставки терапевтических и диагностических агентов находятся на переднем крае науки, и нанотехнология будет все шире использоваться для создания систем, которые позволят доставлять лекарственные средства в определенную точку организма с помощью направленных, особым образом взаимодействующих с внешней средой препаратов, которые могут быть высвобождены в точно определенных дозах, обеспечивая тем самым более надежное и контролируемое лечение заболеваний.

Успехи наномедицины, сочетающей молекулярные инструменты и углубленное понимание архитектуры клетки и биохимических процессов, происходящих в ней, дадут основания надеяться на создание уже в ближайшем будущем более эффективных препаратов, обладающих меньшими побочными эффектами и/или не вызывающих неблагоприятной реакции организма.

Все эксперты придерживаются мнения, что нанотехнология обеспечит лекарственные средства целительными свойствами, которые не могут быть достигнуты с помощью других представлений. Диагностика и терапия получат существенные преимущества от использования нанотехнологии при инкапсулировании лекарственных средств, их доставке и нацеливании.

Свойства и применение.

Наночастицы, применяемые в качестве лекарств или их носителей, будут играть одну из наиболее важных ролей в будущей лекарственной терапии благодаря своим уникальным биологическим, химическим и физическим свойствам, обусловленным их размерами.

Спектр наночастиц, используемых в наномедицине, достаточно широк. Это:

- неорганические наночастицы (например, золотые, силикатные, магнитные);

- полимерные наночастицы (например, на основе полисахаридов, полилактидов, полиакрилатов);

- полимерные терапевтические средства (например, полимерные лекарства и полимерные мицеллы);

- липосомы.

Несмотря на такое разнообразие, подавляющее большинство экспертов отметило, что необходимо дальнейшее исследование новых классов наночастиц, так как множество всех известных сейчас наночастиц не может обеспечить весь спектр нужных терапевтических функций.

Лекарства и препараты могут быть как инкапсулированы в наночастицы, так и сами приготовлены в виде наночастиц, и существует множество приложений, которые могут быть реализованы либо на основе неких свойств, присущих наночастицам изначально, либо посредством их соответствующей функционализации.

Поверхность наночастиц может быть модицифицирована покрытиями, слоями или связками для обеспечения/улучшения их характеристик (таких как, например, биосовместимость, направляемость, способность распознавания формы и участие в биологическом взаимодействии).

Использование наночастиц в качестве своеобразных «нанопаромов» обещает многочисленные преимущества:

- «нерастворимые» препараты могут стать в некотором смысле «растворимыми», если они доставляются «нанопаромами»;

- лекарства могут быть защищены от деструкции во время их переноса к месту назначения;

- наночастицы могут активно или пассивно накапливаться в органе – мишени и высвобождать переносимые лекарства контролируемо как по дозе, так и по времени;

- они могут быть использованы в качестве контрастных агентов диагностических систем.

Увеличение отношения площади поверхности препаратов к объему при уменьшении их размеров может привести к увеличению их терапевтической активности, а поведение определенных типов наночастиц в магнитном поле и/или при изменении температуры среды вкупе с другими их специфическими свойствами открывает более широкий спектр терапевтических методик.

Нанотехнологии рассматриваются как общая платформа возможностей для направленной доставки препаратов, которая дает преимущества на многих уровнях. Действительно, они могут предложить новые способы доставки лекарств, служить основой индивидуальных методов лечения, делая их более эффективными и, таким образом уменьшают эффективную дозу препарата и, соответственно, его токсичность, что улучшает восприимчивость препаратов организмом пациента.

Открытие новых мишеней для лекарств внутри клетки увеличит эффективность известных терапевтических подходов, таких, как доставка ДНК для генной терапии и доставка терапевтических препаратов к месту их действия.

Комбинирование нанотехнологий с другими технологиями методиками — такими как комбинаторная химия, биоинформатика, вычислительные методы дизайна новых лекарств, распознавание образов и обработка данных и другими приведет к открытию и развитию новых препаратов индивидуального назначения. Можно ожидать, что количество таких препаратов, основанных на особенностях генотипов конкретных людей, в ближайшие 10–15 лет возрастет.

Временные рамки для развития технологии.

Ожидается, что такое приложение в биомедицинском секторе, как адресная доставка лекарств, получит наибольшее развитие средствами нанотехнологии в ближайшие 10 лет и далее при несколько различающихся временных рамках для отдельных магистральных приложений.

Предполагается, что к 2015 г. только эффективная точечная доставка препаратов станет, по всей видимости, хорошо разработанной массовой методикой, достигшей коммерческой стадии реализации.

Успешная целевая терапия, которая, разумеется, подразумевает эффективное высвобождение лекарств и определенно могла бы дать много больше преимуществ, к 2015 г., вероятно, будет все еще на стадии первых коммерческих приложений.

Количество заболеваний, качество лечения которых можно было бы улучшить с помощью нанотехнологии, очень велико, однако подавляющее большинство из общего числа экспертов считают, что именно терапия рака должна стать тем полем, где этот подход будет наиболее эффективным, допуская большое разнообразие путей лечения.

Проблемы, барьеры и узкие места

От наночастиц в медицине ждут очень многого. Однако необходимые технологии все еще находятся на самой ранней стадии развития, и для того, чтобы оправдать эти ожидания хотя бы в ближайшие 10 лет, придется решить множество проблем. Одна из них – недостаток понимания фундаментальных биологических принципов, определяющих влияние конкретных приложений нанотехнологии на человека, который требует интенсивных исследований взаимодействия между наночастицами и их целями в организме.

По мнению экспертов, одна из важнейших задач связана с оценкой возможных (вредных) побочных эффектов применения известных наночастиц (например, их токсичности), чтобы применение препарата не вызывало более вреда, чем приносит пользы его терапевтический эффект.

Масштабируемость производства наночастиц также является важным вызовом, особенно при синтезе трехмерных наноструктур. Производственные стандарты для наноматериалов и компонентов все еще нуждаются в изменениях; срочно необходима также и стандартизация методов характеризации и анализа наночастиц, которые могли бы обеспечить химическую (то есть – на молекулярном уровне) характеризацию в области наномасштабов.

Недостаточно точная доставка препарата и неудовлетворительное его высвобождение, перенос лекарств через барьеры, эффективная защита и аккумуляция препарата также рассматриваются в качестве областей исследования, активность в которых необходима в наибольшей степени.

Большинство экспертов сходятся во мнении, что необходимо исследование новых видов наночастиц, поскольку арсенал известных на данный момент наночастиц нельзя считать достаточным.

Клинические испытания, особенно для фармацевтических приложений, также рассматриваются экспертами как важное экономическое препятствие (и узкое место). Длительность этих процедур означает, что и выигрыш потребителей, и прибыльность компаний-производителей в этом секторе экономики достигаются на больших временах, чем в других.

Исследования в этой области дороги и рискованны, поэтому уже развитые препараты должны сыграть роль «блокбастеров» для возврата инвестиций в длительный и сложный процесс разработки новых препаратов.

С другой стороны, не без помощи нанотехнологий медицина будущего движется к более индивидуализированному лечению, и, следовательно, к уменьшению соответствующих целевых групп и рынка в целом, что означает сокращение прибылей. Поэтому общественная поддержка ранних стадий исследований становится фундаментальным фактором для развития нанотехнологии в медицине. Например, могли бы быть рассмотрены возможные способы каким-либо образом упростить процедуру клинических испытаний (разумеется, без потери качества и безопасности самих этих процедур).

1. Биодатчики

БИОЧИПЫ

Биочипы, в широком смысле, представляют собой воплощение технологического принципа, который состоит в миниатюризации различных биологических материалов и их нанесении на подложки, подобные компьютерным чипам, для автоматизированного и высокопроизводительного анализа. Изготовление биочипов основывается как на традиционных технологиях микролитографии, так и на новых методах создания микрочипов.

До настоящего времени технология создания микромассивов была наиболее ценной для базовых исследований. Исследования с использованием микромассивов позволяли расширить понимание процессов заболевания и ускорить получение знаний о фундаментальных биохимических процессах. С накоплением знаний эти технологии станут важным инструментом клинической медицины, используемым для диагностики широкого спектра заболеваний и отличающимся высокой воспроизводимостью результатов, низкой стоимостью и высокой скоростью анализа.

Возможно также, что биочипы откроют новые области для скрининга при разработке лекарств. Применения такого рода уже представлены на рынке и обладают хорошим коммерческим потенциалом.

Нанотехнологии приведут к созданию нового класса биочипов – устройств lab-on-a-chip, обладающих встроенными нанооптическим, механическим и электронным процессорами, которые способны проводить различные реакции, разделение и детектирование объектов на единой платформе.

Кроме того, применение нанотехнологии позволит организовать совершенно новые процессы производства, построенные по принципу интегрального формирования структур «снизу-вверх» с молекулярного уровня, для реализации высокоминиатюрных диагностических систем.

Свойства и применение

Большинство систем, используемых в настоящее время в биомедицинских исследованиях, нельзя классифицировать как нанобиотехнологические приборы: они не только не структурированы на наноуровне, но и не используют нанотехнологию в своих схемах детектирования. Однако существует несколько подходов, позволяющих улучшить уже существующие чипы или снабдить их рядом функций с помощью нанотехнологии.

Ожидается, что нанотехнологии сыграют решающую роль в совершенствовании технологии биочипов, открывая новые пути для создания дизайна и архитектуры биочипов, покрытия поверхностей, производства элементной базы для небольших устройств, нанооптических устройств для исследования индивидуальных и коллективных свойств люминесцентных частиц (например, молекул, квантовых объектов). По сравнению с существующими или альтернативными технологиями, нанотехнологии обеспечивают ряд важных преимуществ: более низкую себестоимость, лучшие эксплуатационные качества и надежность, сверхминиатюризацию.

Среди других преимуществ, обеспечиваемых нанотехнологией, можно назвать способность к повышению чувствительности, к улучшению совместимости оборудования, уменьшению потребления энергии и целый набор возможностей, которые не предоставляет ни одна другая технология, – способности осуществления определенных реакций, обнаружения и идентификации нанообъектов.

Новые наноматериалы, среди которых необходимо упомянуть программируемые адаптивные материалы на основе белковых молекул, станут основой для новых типов чувствительных измерений сверхмалых количеств биомолекул.

Тонкие пленки, слои и поверхности, а за ними биополимеры и наночастицы были указаны экспертами в качестве наиболее широко используемых в новых установках, в то время как дендримеры, углеродные нанотрубки, нанокомпозиты, нанопористые материалы и наноразмерные электродные структуры используются в гораздо меньшем масштабе.

По мнению большинства экспертов, в рассматриваемом секторе упор в будущем должен быть сделан на имплантируемых биосенсорах и индивидуализации терапевтических методов. Обе эти задачи подразумевают развитие и доводку существующих биочипов, чтобы сделать их биосовместимыми, более точными и надежными.

Медицине будущего придется быть более предсказательной — помимо углубленных знаний о сложных внутриклеточных процессах, речь пойдет об индивидуальном генетическом тестировании для предсказания генетической предрасположенности к заболеваниям.

Временные рамки развития технологии

Эксперты считают, что основными применениями нанотехнологии в медицинском секторе в ближайшие 10 лет будут диагностические системы и точечная доставка лекарств, в то время как главными направлениями исследований будут биочипы/системы высокопроизводительного скрининга/приборы lab-on-a-chip.

Области, в которых биочипы, улучшенные при помощи нанотехнологий, сыграют важную роль в ближайшие 10 лет, весьма разнообразны. Среди них:

• - определение последовательностей генов (секвенирование);

• - идентификация потенциальных лекарственных препаратов;

• - фундаментальные биомедицинские исследования;

• - выбор оптимальной методики лечения и доз лекарственных средств в клинической терапии;

• - персонализированная диагностика;

• - токсигологический скрининг;

• - производство и безопасность пищевых продуктов.

• Эксперты выделяют три основных приложения, которые могут стать широко распространенными в ближайшее десятилетие:

• - сложные портативные приборы lab-on-chip;

• - имплантируемые биосенсоры;

• - недорогие полногеномные матрицы.

Согласно ожиданиям экспертов, в отличие от скачкообразного развития имплантируемых биосенсоров и полногеномных матриц, прогресс в разработке портативных устройств lab-on-a-chip будет происходить линейно.

Портативные устройства lab-on-a-chip уже к 2010 г. могут стать первым коммерческим приложением, а к 2015 году - продуктом массового потребления. Неинвазивные устройства рассматриваются экспертами как гораздо более привлекательные, чем инвазионные, - их легко обслуживать, и они позволяют обойтись без контакта с внутренними жидкостями организма. В то же время, неинвазивные измерительные устройства требуют наличия высокочувствительных сенсоров, и нанотехнологии могут обеспечить прогресс в этом направлении.

Характеристики

Список файлов книги