Применение нанотехнологий (1075549), страница 20

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

Текст из файла (страница 20)

В настоящее время ведутся работы по созданию более совершенных систем диагностики широкого спектра действия на основе использования так называемых «Живых компьютеров» работающих на новых физических принципах (см. статью «Живые компьютеры XXI века »), с высочайшей степенью защиты от несанкционированного доступа.

1. Роботизированная кровь

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Так, упавшее с дерева яблоко навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения, а приснившаяся таблица позволила Менделееву внести свой неповторимый вклад в развитие химии. Также неожиданно обычный треп на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса – автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» – на мысль о создании специальных медицинских нанороботов.

Но обо всем по порядку. 14 июня 1996 года Крис Феникс – автор идеи конвергентной нанофабрики, оставил на форуме сообщение: “А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился 100-страничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году.

“Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы. Впрочем, для своего наноробота ученые придумали другой термин – васкулоид (от лат. vas – сосуд и греч. oidos – подобный).

“Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней.

Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида или другого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из глюкозы и кислорода.

Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному человеку? Возможностей, оказывается, множество: это и борьба с болезнетворными микробами, и регулярная “чистка” и укрепление сосудов, предотвращающая болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и т. д., и автоматическое лечение поврежденных клеток, и даже замена больных генов здоровыми.

С каждым днем все популярнее становится так называемая криотерапия — лечение холодом (от греч. krios — холод). В криотерапии используется самый что ни на есть экстремальный холод: —196°C (температура жидкого азота). Современные криотерапевтические методы позволяют эффективно лечить многие кожные заболевания, улучшают обменные процессы, стимулируют иммунитет и даже борются с артритом, радикулитом и ревматизмом.

1. Лечение рака и инфаркта

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.

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.

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.

1. Молекулярная визуализация

Медицинская визуализация получает все большее развитие в последние годы как фундаментальное диагностическое средство in vivo, т.е. на живых организмах. Да, мы уже имеем в своём распоряжении различные технологии визуализации для детектирования, характеризации и диагностики заболеваний (рентгеновская, магнитно–резонансная (Magnetic Resonance Imaging, MRI), томография и ультразвуковая диагностика), однако существует острая необходимость в увеличении скорости, эффективности и функциональности оборудования, снижении стоимости, и, тем самым, увеличении их доступности для терапевтического применения.

Успехи в клеточной биологии в совокупности с развитием инструментария и методов компьютерного анализа в последние годы создали условия для улучшения эффективности и достоверности систем медицинской визуализации.

Молекулярная визуализация и биофотоника – вот те две зарождающиеся технологии, которые могут обеспечить достижение поставленных целей, и нанотехнологии станут критическим фактором их успеха.

Свойства и применения

Молекулярной визуализацией называется неповреждающее визуальное представление, характеризация и количественный анализ биологических процессов в живых организмах на клеточном и субклеточном уровнях.

При молекулярной визуализации молекулярные зонды, которые имеют нацеливаемый узел (т.е. специальные молекулы – рецепторы или лиганды), используются в качестве источников контраста визуального образа. Если молекулярный маркер чувствителен к некоторому заболеванию, контрастирующая среда накапливается в пораженных тканях.

Этот подход, который развивается для всех упомянутых выше диагностических технологий, обещает обеспечить более глубокое понимание процессов заболевания в условиях лаборатории. Однако так как эти технологии визуализации используются в клинических приложениях, они могут быть использованы для транслирования полученных знаний в новые диагностические методики и способы лечения, с переносом акцентов с неспецифических на индивидуальные подходы диагностики.

Реальная медицинская парадигма отныне находится в области визуализации – с ее потенциалом для целостного понимания биологии, для ранней диагностики и характеризации заболеваний и для их клинического лечения.

Этот факт отражается в оценках экспертов, которые подчеркивают, что в будущем основное внимание должно быть уделено индивидуализации методов лечения, сопровождаемой специально действующими фармацевтическими средствами и индивидуальными диагностическими терапевтическими процедурами (тераностиками), т.е. целенаправленному объединению диагностики и терапии.

Две трети экспертов считают, что нанотехнологии – уникальный способ для создания разнообразных высокочувствительных и специфических агентов визуализации, обладающих свойствами и характеристиками, необходимыми для их эффекивного использования. Они также считают, что способность наночастиц быть специфическим образом доставленными к определенной мишени является фактором их успеха в конкурентной борьбе как с уже существующими, так и с альтернативными технологиями.

Биофотоника использует световые пучки и другие формы энергии и может быть определена как наука о генерации и использовании света (фотонов) для визуализации, детектирования и манипулирования биологическими материалами. Одним из примеров является фотодинамическая терапия (Photo Dynamic Therapy, PDT), в которой специальные препараты (фотосенсибилизаторы) и оптическое излучение определенного спектра используются для удаления патологически измененных клеток. С помощью нанотехнологии возможна более точная доставка фотосенсибилизаторов, что должно привести к развитию биофотоники и фотодинамической терапии.

Однако световое излучение, необходимое для активации большинства современных фотосенсибилизаторов, не может проникнуть в ткани достаточно глубоко для того, чтобы реализовать весь потенциал этой технологии, и существует необходимость в фотосенсибилизаторах, которые активируются оптическим излучением в диапазонах частот, попадающих в окна относительной прозрачности тканей организма. В важнейших областях, таких как антираковая терапия, наличие таких фотосенсибилизаторов существенно расширит потенциал биофотоники.

В настоящее время невозможно определить типы наночастиц, наиболее предпочтительные для молекулярной визуализации. Опрошенные эксперты называют в первую очередь дендримеры, линейные полимеры, наполненные фосфолипиды, микропены, а также широкий набор других материалов: многомерные (или одномерные) мицеллярные агрегаты, а также неорганические наночастицы с изменяемыми физическими свойствами.

К числу контрастных сред, преимущественно используемых экспертами, относятся гадолиний и сверхпарамагнитные оксиды железа. Реже применяются перфторкарбонатные наночастицы, квантовые точки, молекулы-мишени, связанные с хромофорами, а также флуорофоры, активные в области ближнего инфракрасного излучения, радионуклиды и протеины.

Характеристики

Список файлов книги