<<
>>

Наномедицина

  С развитием биотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки — молекулярная наномедицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как: Лаборатории на чипе; Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам; Новые бактерицидные и противовирусные средства; Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек; Нанороботы для ремонта поврежденных клеток; Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.

В настоящее время подобные проекты — уже не только плод воображения писателей-фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Сообщения о новых открытиях в наномедицине появляются так часто, а разрабатываемые в ее рамках проекты столь многочисленны и разнообразны, что полностью описать их в рамках данной главы просто невозможно. Однако с некоторыми из них мы познакомимся поближе.

Лаборатория на чипе

Каждый из нас хотя бы раз в жизни сдавал, к примеру, анализ крови. При этом результатов анализа, как правило, приходилось ждать несколько дней, а то и недель — ведь сначала образец попадал в лабораторию, дожидался там своей очереди, затем анализировался на специальном оборудовании, и лишь после этого возвращался (в виде распечатки результатов) к врачу. Помимо этого нам приходилось еще и здорово раскошелиться, так как в стоимость анализа “включены” оплата труда врача и лаборантов, стоимость транспортировки пробирок, стоимость эксплуатации дорогостоящего оборудования, аренда помещений лаборатории и т.д. А ведь порой скорость, точность и доступность анализа — вопрос жизни и смерти в прямом смысле слова.

И как было бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструменты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т.

д.) можно было бы “сжать” до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полностью автоматизировать!

А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab-on- chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!

При этом такая кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут. Если вы все еще не верите в то, что это возможно, вспомните первые ЭВМ: они занимали огромные комнаты, а их обслуживанием занимался целый коллектив специально обученных инжене- ров-операторов. А сегодня любой карманный компьютер, несмотря на свои малые размеры, в тысячи раз превосходит по быстродействию и функциональности самой “продвинутый” компьютер того поколения.

Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также создаются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро- или нано- ”дорожками”. Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из крохотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.

Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микросхеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологические или химические реакторы.

Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (“ GeneChip”) или Agilent (“LabChip”), производящих лаборатории на чипе для генетических анализов.

В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Его суть заключается в последовательном нагревании и охлаждении раствора, содержащего образец анализируемой ДНК, два праймера (участки ДНК в 20 нуклеотидов, комплементарные участкам анализируемого ДНК), смесь четырех нуклеотидов и фермент ДНК-полимераза. При нагревании двунитевые отрезки ДНК расщепляются; при охлаждении под действием фермента каждая из однонитевых цепочек достраивается до двунитевой копии исходного отрезка. Число отрезков молекулы ДНК удваивается при каждом цикле, и из каждой молекулы в исходной пробе через 30 циклов образуется 230 — более миллиарда копий.

Метод был изобретен в 1987 г, и в то время ученым приходилось каждые несколько минут вручную переставлять пробирки из одной водяной бани в другую и после каждого цикла добавлять в них новую порцию фермента. Сегодня ту же работу выполняют миниатюрные автоматизированные лаборатории. Как видим, менее чем за 20 лет метод ПЦР усовершенствовался примерно так же, как компьютеры — за полвека.

Компания CombiMatrix предложила чип размерами с почтовую марку для определения биологической опасности. Устройство, содержащее такой чип, может определить присутствие нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в составе бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix выпустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), который можно использовать в полевых условиях. Прибор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Каждая микроскопическая ячейка чипа заменяет установку для проведения ПЦР. Прибор анализирует ДНК и соотносит с одним из запрограммированных типов патогенной ДНК. Ячейки, в которых присутствует ДНК одного из определяемых чипом патогенных микроорганизмов, флюоресцируют, а их свечение улавливается датчиком. Процесс обработки четырех различных образцов занимает 30 минут. Как говорят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет собой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной).

CombiMatrix также выпустила устройство на основе чипа, в котором проводится иммуноферментный анализ. В его ячейках светятся антитела к ядам, не содержащим ДНК. Такое устройство может опознавать 5 токсинов типа рицина.

Для производства лабораторий на чипе используются почти те же технологии, что и для производства микросхем, включая литографию и травление. Однако лаборатория на чипе, в отличие от планарной микросхемы, должна быть трехмерной. Причина заключается в том, что если электричество может протекать по плоскому проводу, то жидкость не течет по сплюснутому шлангу. Таким образом, при производстве лабораторий на чипе используются совмещенные методы планарной и MEMS/NEMS-технологий.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Итак, лаборатория на чипе представляет собой МЭМС-уст- ройство для биохимических анализов. Принимая во внимание стремительный прогресс в области МЭМС-систем, можно прогнозировать, что в дальнейшем размеры и стоимость устройств будут уменьшаться (а функциональность, соответственно, расти), и через несколько лет такая лаборатория станет для нас таким же привычным средством диагностики самочувствия, как сегодня термометр.

Нанотехнологии против вирусов и бактерий

Бактерицидные свойства наночастиц серебра подробно описаны в главе, посвященной химическим аспектам нанотехнологий. Поэтому здесь мы лишь кратко перечислим некоторые возможности их применения в медицинских целях: Препараты на основе наночастиц для эффективного залечивания ран; Обеззараживающие угольные фильтры с наночастицами; Бактерицидные краски для профилактики заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем; Самодезинфицирующаяся одежда и белье; Обеззараживающие аэрозоли и др.

Кроме того, как оказалось, серебряные наночастицы — не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бактериями. Недавно ученые из Питсбургского университета создали нанокатализатор, который производит углеродные нанотрубки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напоминающую ковер.

При добавлении к «ковру» различных биологических агентов он меняет свой цвет — от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях E. coli отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов.

www.nanonewsnet.ru

Рис197. Фотоизображение "ковра" из нанотрубок*

Рис 198. Нанотрубка протыкает бактериальную мембрану*

При взгляде на рисунок на ум приходит интересная аналогия: когда человек только начал осваивать мир, он использовал копье для охоты и борьбы с опасными тварями. Сегодня, проникнув в мир клеток и бактерий, человек также “идет с копьем на бактерию”, используя в качестве оружия острую и тонкую нанотрубку. [21]

Если говорить о потенциальных применениях этого открытия, то, возможно, «наноковер» может быть использован в качестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.

Адресная доставка лекарств в пораженные клетки

Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства — в места воспалений, антираковые препараты — в опухоль и т. д. Способность молекул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью.

Биологическая усвояемость — камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из-за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее — просто увеличить дозу лекарства.

Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые последствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противораковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки.

Феномен раковых клеток, с точки зрения биотехнолога, заслуживает отдельного рассмотрения. Онкологические заболевания являются одной из главных причин смертности. Самое поразительное, что смерть человека вызывают его же собственные клетки, превратившиеся каким-то образом в бессмертные. В общих чертах этот процесс выглядит следующим образом.

По замыслу природы, все клетки организма должны регулярно обновляться, то есть какое-то время жить, делиться, функционировать, а затем умирать, освобождая пространство для своих молодых собратьев. Во взрослом организме деление клеток строго контролируется и происходит в разных тканях по-разному, а некоторым клеткам (например, нейронам) деление вообще запрещено. Иначе нельзя, ведь если бы каждая клетка делилась, как ей вздумается, организм быстро превратился бы в бесформенный сгусток клеток.

В природе роль биологических часов, регулирующих длительность жизни клетки, выполняют так называемые теломеры — особые участки ДНК на концах хромосом. Каждое деление клетки сопровождается укорачиванием ее теломеров, и, когда последние укорачиваются до предельных размеров, клетки «понимают», что пришла пора умирать, и запускают механизм клеточного самоубийства — апоптоза. Раковые же клети не подвержены процессу старения, поскольку всякий раз «умудряются» восстанавливать длину своих теломеров при помощи особого фермента теломеразы, и поэтому способны размножаться бесконечно.

В результате действия патогенных физических и химических факторов в раковую может превратиться любая клетка организма. До поры до времени такая клетка ничем не отличается от других и строго подчиняется “правилам общежития”, принятым в многоклеточном сообществе. Но в какой-то момент она перестает подчиняться законам природы и начинает бесконтрольно делиться, требуя все больше территориальных, материальных и энергетических ресурсов организма в ущерб другим, более “законопослушным” клеткам (причем такое поведение передается и всему потомству раковой клетки).

В месте скопления быстро размножающихся раковых клеток образуется опухоль, которая, если ее вовремя не ликвидировать, может дать метастазы — множественные очаги болезни, возникающие по всему телу в результате распространения раковых клеток кровотоком. В процессе метастазирования, как правило, уже поздно что-либо делать — человек обречен на медленную мучительную смерть.

Коварство клетки-предательницы состоит в том, что для «сил безопасности» нашего организма, иммунной системы, эта клетка — своя, такая же, как и все остальные клетки. Вот почему организм, способный с помощью иммунитета успешно бороться с вторжением извне всевозможных бактерий и вирусов, часто оказывается беспомощным перед лицом “внутреннего врага”. Правда, в организме есть еще и “тайная полиция”, способная на ранних стадиях справиться с раковой клеткой. Это особые клетки, T-лимфоциты (их еще называют Т-киллерами). Однако раковая клетка умеет «обманывать» их, выделяя в окружающую среду особый токсин, нарушающий нормальную для Т-килле- ров кислотность (pH) и тем самым не подпуская их к себе.

Существует гипотеза, что раковые клетки периодически появляются в каждом организме, но если организм обладает достаточно сильным иммунитетом, то ему ничего не стоит их вовремя распознать и уничтожить. Но возрастающее с каждым годом число онкологических заболеваний убедительно свидетельствует, что человеку, ослабленному стрессами, отравленному загрязненной средой обитания и вредными привычками, просто не хватает сил эффективно бороться с этими “хитрыми” врагами. То же пресловутое курение (и пассивное в том числе) повышает риск заболевания раком легких на 60%.

Недостаток знаний о причинах появления опухолей ограничивает и возможности их лечения. Сегодня врачи еще не лечат раковые клетки («не перевоспитывают» их), а просто стараются убить, чтобы продлить жизнь всего организма. Для этого у онкологов есть набор проверенных методов: операция, химиотерапия, лучевая терапия или их сочетание.

Операция направлена на то, чтобы удалить саму опухоль. Для этого часто приходится вырезать больные ткани полностью, что очень травматично для организма. Такой метод лечения на ранних стадиях часто оказывается эффективным, однако часть опухолевых клеток может остаться в организме, и оперативное лечение дополняют лучевым или химиотерапевтическим.

Лучевая терапия основана на том, что опухолевые клетки более чувствительны к различным видам облучения, чем здоровые ткани. Поэтому их убивают, облучая больной орган, например, рентгеновскими лучами. Но в этом случае часто гибнут и здоровые клетки, а из-за патогенного действия ионизирующего излучения на организм часто развивается лучевая болезнь.

Химиотерапевтическое лечение также основано на повышенной чувствительности опухолевых клеток к различным химических препаратам. Химиотерапия достаточно эффективна, но она сильно повреждает все клетки организма, в т. ч. костный мозг — главный кроветворный орган и «склад запчастей» — стволовых клеток. Поэтому увеличивать дозу можно лишь до определенных пределов.

Итак, проблема всех современных методов лечения рака заключается в том, что лекарственные препараты действуют как на больные, так и на здоровые клетки, то есть не избирательно. Сказывается также и проблема биоусвояемости препаратов, которые приходится вводить в больной организм в больших количествах, чтобы победить болезнь не умением, а числом. Вот почему от подобных «бомбардировок» возникает много побочных эффектов.

Поэтому сегодня учеными всего мира ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое “транспортное средство” для точной доставки лекарств в клетку, так как многие болезни (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повлиять на которые можно только доставив лекарство в клетку.

Поиск молекулярного транспорта начался в восьмидесятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инженерией. В частности, группе российских ученых под руководством Александра Соболева удалось разработать специальную макромолекулу-транспортер, способную доставить лекарство в дефектную клетку.

Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клетках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое доставляется макромолекулой-транспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250-1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препарата, чтобы вызвать нужный эффект.

Конструкция транспортера состоит из четырех функциональных модулей: лиганда, эндосомолитического модуля, сигнала внутриядерной локализации и собственно носителя лекарства. На первом этапе работает лиганд — модуль, обеспечивающий обнаружение больной клетки (например, раковой), ее “молекулярное узнавание”. Он же отвечает и за поглощение всей конструкции клеткой. Второй модуль — эндосомолитический — разрывает эндосому, “пузырь”, образующийся вокруг транспортера при его втягивании внутрь клетки. Далее в игру вступает третий модуль, который позволяет транспортеру проникнуть через поры ядерной мембраны. И наконец, четвертый модуль, несущий лекарство, позволяет ему приступить к выполнению основной задачи — уничтожению ядра.

Откуда взяли модули макромолекулы-транспортера? Один из используемых лигандов был взят из человеческого гормона, обладающего высоким сродством к рецепторам соответствующей клетки-мишени, эндосомолитический модуль — из дифтерийного токсина, модуль внутриядерной доставки — из белка обезьяньего вируса, носитель лекарства — из части гемоглобиноподобного белка кишечной палочки. Далее с помощью генно-инженерных методов была создана единая работоспособная конструкция.

“Меняя программу модулей, мы можем получить макромолекулы-транспортеры для лечения любого типа рака. К примеру, если для лечения какого-то заболевания нужно доставить лекарство не в ядро, а в другую органеллу клетки, то будет заменена программа модуля внутриклеточной локализации. Или меняется программа носителя в зависимости от лекарственного средства, которое необходимо доставить”, — объясняет Александр Соболев.

Помимо чисто генно-инженерных методов, ведутся разработки и в области применения различных наносистем для обнаружения и уничтожения раковых клеток. В качестве примера можно привести идею создания антираковых наносистем непосредственно в опухолевой ткани.

Было установлено, что если в клеточную ткань ввести растворы некоторых веществ, то наночастицы этих веществ зародятся, вырастут и соберутся в агрегаты на клеточных структурах ткани. Наночастицы почти не влияют на функционирование клеток, но делают их чувствительными к действию внешнего акустического поля (ультразвук). Если после образования наночастиц на них подействовать акустическими волнами, то они нагреются до 43°С за время, за которое клетки без наночастиц почти не изменят температуры.

Это позволило предположить, что если найти вещества, наночастицы которых могут формироваться в раковых клетках со значительно большей вероятностью, чем в здоровой ткани, то раковые клетки можно будет селективно нагреть и убить. И такие вещества были найдены. Были получены интересные результаты действия одного из них (терофтала) на развитие раковой опухоли у мышей. Стало очевидным, что сами по себе наночастицы терофтала не влияют на развитие опухоли, а акустическое поле лишь слабо замедляет ее рост. Но если поле наложить после образования наночастиц терофтала, причем всего на 10 минут, объем опухоли в течение недели уменьшается на 80%!

Использование квантовых точек в качестве люминес- цирующих маркеров

Медиков и биологов чрезвычайно интересует, как перемещаются в организме различные вещества (в частности, лекарства). Отслеживание такого перемещения позволяет им определить, как распределяются и усваиваются в организме новые препараты, то есть какова их биологическая усвояемость.

До недавнего времени для подобных исследований применялись различные красители, называемые маркерами, подмешиваемые к исследуемому веществу. Подкрашенные клетки были хорошо видны в оптический микроскоп на фоне бесцветных клеток организма, что позволяло делать довольно точные выводы об их локализации. Но органические красители, во-первых, могут быть токсичными, а во-вторых, для их обнаружения требуется облучение светом лишь определенной частоты, поскольку различные красители отражали различные частоты спектра. Следовательно, для одновременного исследования нескольких препаратов требовалось столько же источников света.

Данную проблему удалось решить с помощью нанотехнологий, а точнее — квантовых точек, которые мы рассматривали в одной из предыдущих глав. Напоминаем, что квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы нанометрового размера, имеющие уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе. Учеными были получены уникальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и обладают особым биоинертным покрытием, которое, с одной стороны, защищает сами квантовые точки от «нападения» ферментов и других биологических молекул, а с другой — не дает возможности токсичным веществам попасть в организм, что очень важно для диагностики заболеваний. Кроме того, разные группы таких нанометок можно освещать одним общим источником.

Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. В частности, их можно присоединять к биомолекулам типа антител, пептидов, белков или ДНК. А эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы (например, типичные для поверхности раковых клеток).

В одном из опытов квантовые точки селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с поверхностью клеток раковой опухоли. Квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по организму. Нанокристаллы попадали в опухоль и накапливались там (и практически нигде больше), в результате чего опухоль оказалась хорошо различимой визуально.

Применение квантовых точек может существенно расширить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфическим сочетанием признаков заболевания.

Рис 199. Растворы квантовых точек выглядят как подкрашенная вода*

Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точную адресную доставку новых поколений лекарств.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Наномедицина:

  1. Анализ зарубежных концепций, стратегий, целевых программ развития нанотехнологий и наноиндустрии
  2. Определения и классификаторы нанотехнологий
  3. Машиностроение
  4. Индикаторы уровня развития научных исследований
  5. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры
  6. Частота обращений СМИ к тематике наноиндустрии. Общественное внимание к нанотехнологиям
  7. Введение
  8. Глава 6. Биотехнологии и наномедицина
  9. О проекте “Геном человека”
  10. Наномедицина
  11. Нанотехнологии и бессмертие
  12. Проект второй - перенос сознания в компьютер
  13. Перспективы наноиндустрии в России