Муниципальное образовательное учреждение
Средняя образовательная школа с углубленным
Изучением отдельных предметов №118
Научное общество учащихся
«Перспективы применения нанотехнологий для решения проблемы продления жизни человека»
Выполнил: Рашидов Ширали Германович
Ученик 10 а класса
Научный руководитель:
Пантелеева Ольга Юрьевна
Учитель биологии
Нижний Новгород
2011
Содержание
Введение……………………………………………………………………... |
3 |
Глава I. Общие положения геронтологии…………………………….. |
6 |
1.1. История развития геронтологии……………………….…….. |
6 |
1.2. Основные теории старения……………………………..….….. |
9 |
Глава II. Нанотехнологии в решении проблемы продления жизни.... |
14 |
2.1. Проблемы и перспективы применения нанотехнологий в геронтологии..…………................................................................................ |
14 |
2.2. Процедура лечения старения в геронтологической клинике будущего………………………………………………………………….. |
19 |
Заключение ………………………………………………………………… |
25 |
Список использованной литературы…………………………………… |
26 |
Приложения………………………………………………………………… |
28 |
Введение
Старость не может быть счастьем…
Старость может быть или покоем или бедой.
Покоем она может быть, когда о ней помнят,
Бедой делают ее забвение и одиночество.
В.А.Сухомлинский
Выбор темы работы обусловлен ее актуальностью, которая выражается в том, что геронтология является разделом биологии, динамично развивающимся и изменчивым. Знания закономерностей процессов старения может стать основой для выработки активных мер по предупреждению преждевременной старости. Старость несет не только отрицательные черты, но много ценных, положительных качеств. Человек становится рассудительным, опытным, использует глубокие познания и навыки, приобретенные в течение всей жизни. «Опыт и зрелость мысли остаются привилегией пожилых» - отмечал отечественный геронтолог академик И.В. Давыдовский. В решении этой задачи основная роль принадлежит отрасли знаний - геронтологии (от лат. «геронт» — старец и «логос» — учение). - наука, изучающая биологические, социальные и психологические аспекты старения человека, его причины и способы борьбы с ним (омоложение).
Интерес к проблеме старения и старости заметно усилился в последние десятилетия в связи со значительными демографическими сдвигами — старением населения во всех экономически развитых странах. Неуклонное увеличение числа людей пожилого и старческого возраста в общем составе населения сделало изучение старения и старости большой государственной проблемой, превратило ее в одну из важнейших социально-биологических проблем современности. По данным ООН в 1950г. В мире проживало 214млн. человек старше 60 лет, к 2000г. Достигло 590млн. А по прогнозу на 2025г. Их число достигнет 1 млрд.100млн. Сегодня каждый пятый житель России в пенсионном возрасте. В настоящее время в Нижегородской области проживает 700тыс. человек старше 60 лет, что составляет 20,3% всего населения. Фундаментальное значение геронтологии определяется ее направленностью на изучение наиболее существенных вопросов жизни, а именно ее продолжительности и смерти. (см. Приложение 5)
С учетом роста числа пожилых граждан система здравоохранения меняет свою структуру: появляются областные гериатрические центры, больницы, гериатрические кабинеты, отделения медико-социальной помощи в поликлиниках и стационарах.
Изучению развития геронтологии посвящены работы таких ученых, как С.П. Боткин, И.И. Мечников, И.В. Давыдовский.1 Количество трудов в анализируемой сфере говорит о том, что проблемы геронтологии изучены недостаточно. Современных работ, учитывающих развитие технологий практически нет. Мы попытались посмотреть на применение нанотехнологий для решения проблемы продления жизни, в чем и выражается научная новизна работы.
Цель работы: изучить сущность геронтологии и перспективы применения нанотехнологий для решения проблемы продления жизни человека. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Определить ключевые понятия геронтологии как раздела биологии;
Проанализировать исторические аспекты развития геронтологии.
Изучить теории старения организма;
Рассмотреть возможность применения нанотехнологий в решении проблем продления жизни.
Исследовать показатели деятельности гериатрической службы Нижегородской области.(см. Приложение 7)
Объектом исследования является биологический процесс старения.
Научная значимость работы заключается в выявлении закономерностей в развитии геронтологии и применения нанотехнологий в геронтологической клинике.
Методологической основой исследования послужили методы традиционно используемые в науке: философский (диалектико-материалистический метод познания); общенаучные (формально-логический, анализ, синтез, индукция, дедукция). Применение указанных методов в совокупности позволило комплексно исследовать избранную проблему, сделать конструктивные выводы.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования материала работы при изучении соответствующего раздела биологии, а также в возможности написания работ в будущем на основе данной.
Структура работы обусловлена ее целью и задачами. Работа состоит из введения, двух глав, в том числе четырех параграфов, заключения, приложения и списка используемой литературы.
Глава I. Общие положения геронтологии |
Именно в XX столетии на базе достижений клинической медицины начала бурно развиваться и клиническая гериатрия. Наибольшего распространения современное гериатрическое движение достигло в США, Англии и Советском Союзе. Инициатором исследований по гериатрии в США является И. Л. Нашер, которого американские авторы называют «отцом гериатрии». В 1912 г. Нашер основал Нью-Йоркское гериатрическое общество, в 1914 г. он издал руководство по заболеваниям старческого возраста. В настоящее время в США активно работает Американское гериатрическое общество, возглавляемое известным физиологом Н. В. Шоком. 2 Пионером современного английского гериатрического движения является врач М. Уоррен. В специальном институте в Оксфорде проводятся обширные гериатрические социологические исследования, изучаются условия жизни старых людей. Работы многих английских специалистов по вопросам старения переведены на русский язык. Большой интерес, в частности, вызвала книга президента Британского общества по изучению старения А. Комфорта «Биология старения», вышедшая в русском переводе в 1967 г. В развитие геронтологии большой вклад внесли и советские ученые А. А. Богомолец, А. В. Нагорный, Н. Д. Стражеско, И. В. Давыдовский (автор первой отечественной монографии «Геронтология»), С. П. Боткин, В. П. Филатов и другие. Особое место в отечественной и мировой истории изучения процессов старения занимает проведенное в Петербурге в 1889 г. крупнейшим русским клиницистом С. П. Боткиным массовое обследование престарелых. Анализ результатов, полученных при обследовании свыше 2000 пожилых и стариков, явился значительным вкладом в развитие клинической геронтологии и гериатрии. Впервые было обосновано разграничение старости на физиологическую и патологическую и признана возможность наступления естественного, физиологического старения. По мнению известного советского геронтолога А.А. Богомольца (1881–1946) ведущая роль в старении принадлежит не только крови, а вообще всей соединительной ткани организма. Методом борьбы со старением стала активация функций соединительной ткани путем ввода антител к этой ткани. Советский ученый В. П. Филатов наблюдал стимулирующее действие специально изготовленных эмбриональных тканей, особенно плаценты, на заживление ран. Этот метод стимулирования деятельности организма был развит саратовским ученым Н. И. Краузе, который предложил подкожную пересадку химически денатурированной ткани, указывая, что при этом достигается некоторое омолаживающее действие. Не менее известный ученный И. В. Давыдовский изучал патологическую анатомию болезней старческого возраста, подробно описывал старческий остеопороз, атрофию скелетных мышц, сухость, дряблость и атрофию кожи, появление в ней пигментных пятен (начиная с тыльных поверхностей кистей), родинок, мелких сенильных ангиом. Но подлинным родоначальником современной биологии старения в России и во всем мире все же следует считать И. И. Мечникова, так как ему принадлежит заслуга введения экспериментального изучения старения. Его опыты по выяснению влияния на организм ряда ядовитых веществ, образующихся при определенных условиях в организме животных и человека, были фактически первой попыткой получить экспериментальную модель старости. Вслед за С. П. Боткиным И. И. Мечников проводит четкое разграничение физиологического и преждевременного старения. При этом он подчеркивает, что, по существу, мы не знаем особенностей физиологического старения, ибо подавляющее большинство людей перенесло в своей жизни те или иные заболевания, отрицательно воздействовавшие на организм, в результате чего человек стареет преждевременно. В 1903 году на французском языке выходит в свет книга Ильи Ильича Мечникова (1845-1916) «Этюды о природе человека», в которой был впервые введен термин «геронтология» и заложены ее основы как научной дисциплины о биологии старения. Как профессиональный зоолог, Мечников считал необходимым изучать долговечность человека на модели долгоживущих животных (кошках, собаках, попугаях, черепахах), то есть осуществлять эволюционный анализ онтогенеза. Являясь выдающимся микробиологом, Мечников обосновал собственную теорию старения – аутоинтоксикацию, то есть самоотравление организма гнилостными бактериями, паразитирующими в толстом кишечнике. В поисках противоядия он побывал в Болгарии, в местечке, славящимся большим числом столетних долгожителей. Он узнал, что здесь питаются главным образом кислым молоком. Он изучил бактерию, окисляющую молоко и создал болгарскую палочку, ставшую основой современных йогуртов. «Этот микроб с помощью вырабатываемой им молочной кислоты изгоняет диких ядовитых бактерий из нашего кишечника», — считал Мечников.
Основные современные теории старения (см. Приложение 1):
Свободно-радикальная теория старения Она практически одновременно была выдвинута Дэнхеном Харманом в 1956 году и Николаем Эмануэлем в 1958 году. Эта теория объясняет не только механизм старения (Старение - процесс постепенного нарушения и потери важных функций организма или его частей, в частности способности к размножению и регенерации. Вследствие старения организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды, уменьшает и теряет свою способность бороться и противостоять болезням и травмам), но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистых заболеваний, возрастной иммунодепрессии, дисфункции мозга, катаракты, рака и некоторых других). В ходе жизнедеятельности каждой клетки через неё проходит огромное количество кислорода. Он используется для клеточного дыхания, дающего клетке энергию. Но небольшая доля кислорода при этом уходит в паразитные соединения, обладающие огромной реакционной способностью. Их называют АФК – активные формы кислорода (хотя в их составе бывает и не только кислород). Примерами таких веществ могут служить всем хорошо известные перекись водорода и озон. Эти два вещества, однако, относительно малоактивны и могут существовать долго. Другие же АФК несравненно агрессивней. В организме они живут лишь тысячные доли секунды. А потом вступают в реакцию с другими молекулами, повреждая их. Они атакуют белки, липиды клеточных мембран, ДНК... В результате атак со стороны АФК повреждаются митохондрии. Накопление этих повреждений и является сутью старения. Митохондрии – своеобразные энергетические станции внутри клетки. Они обеспечивают процесс клеточного дыхания, в результате которого выделяется энергия. Подсчитано, что за 70 лет жизни человека организм производит около тонны радикалов кислорода. И только 2-5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы. Подавляющее большинство из них нейтрализуется ферментами еще до того, как успеют повредить те или иные компоненты клетки. На сегодня уже доказано, что здоровый организм обладает собственной мощнейшей системой антиоксидантной защиты. Однако если эта система повреждена, как у престарелых людей, не может быть сомнения, что АФК играют заметную роль в процессе старения. Современная фармакология уже разработала антиоксиданты – препараты, которые защищают организм от действия свободных радикалов.
Теория «перекрестных сшивок» Этот механизм старения немного похож на воздействие свободных радикалов. Только роль агрессивных веществ здесь играют сахара, в первую очередь – всегда присутствующая в организме глюкоза. Сахара могут вступать в химическую реакцию с различными белками. При этом, естественно, функции этих белков могут нарушаться. Но что гораздо хуже, молекулы сахаров, соединяясь с белками, обладают способностью «сшивать» молекулы белков между собой. Из-за этого клетки начинают хуже работать. В них накапливается клеточный мусор. Одно из проявлений такой сшивки белков – потеря тканями эластичности. Внешне наиболее заметным оказывается появление на коже морщин. Но гораздо больший вред приносит потеря эластичности кровеносных сосудов и лёгких. В принципе, у клеток есть механизмы для разрушения подобных сшивок. Но этот процесс требует от организма очень больших энергозатрат. Сегодня уже существуют лекарственные препараты, которые разбивают внутренние сшивки и превращают их в питательные вещества для клетки.
Теория апоптоза Один из крупнейших современных биохимиков, академик Владимир Скулачев выдвинул свою гипотезу старения, обновив теорию Августа Вейсмана о запрограммированной смерти. Скулачев считает, что старение — это не столько накопление поломок в организме, ведущих к смерти, сколько запускаемая программа апоптоза (самоубийства клеток), которую в принципе можно отменить. По мнению академика, клетки «уходят в апоптоз» по многим причинам. Одна из основных – появление «бездомных» клеток. Клетки в организме «привязаны» к определенному органу и существуют только в соответствующем биохимическом окружении. И если вдруг какая-либо клетка случайно попадает в «чужой» орган или ткань, то она быстро «кончает жизнь самоубийством». Или другой пример – развитие человеческого эмбриона. На определенной стадии у него появляется хвост, который потом исчезает. Клетки хвоста тоже «уходят в апоптоз». Апоптирующая клетка отмирает очень аккуратно: она как бы сама себя разбирает на части, которые соседние клетки впоследствии используют в качестве строительного материала. Этим апоптоз отличается от травматической гибели клеток – некроза, когда разрывается клеточная мембрана и содержимое клетки выплескивается наружу. По мнению академика Скулачева, апоптоз нужен организму еще и для «дезинфекции». Клетка, зараженная вирусом, тоже получает биохимический сигнал о самоуничтожении. Скулачев называет это «самурайским законом» биологии – лучше умереть, чем ошибиться. А на научном языке «самурайский закон» формулируется следующим образом: во всех живых системах, начиная с внутриклеточных органелл до организма, существует система самоликвидации.
Теломерная теория старения В 1961 году Леонард Хейфлик обнаружил замечательный эффект. Он экспериментально установил, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз. Как будто в клетках существует своего рода молекулярный счетчик. Он фиксирует, сколько делений уже сделано. И не дает клетке делиться сверх определенного предела. Хейфлик установил, что фибробласты (основная клеточная форма соединительной ткани организма) клеток кожи делятся примерно 50 плюс-минус 10 раз, после чего останавливаются. Пойдя еще дальше, он взял клеточные культуры, которые были заморожены после того, как клетки разделились 25 раз. Оттаяв, эти клетки продолжили делиться, пока не достигли предела в 50 делений, а затем все же погибли. Почему это происходит? Российский ученый Алексей Оловников в 1971 году предположил, что ограниченное количество делений клетки связано с механизмом удвоения ДНК. Он устроен так, что концы линейных хромосом (теломеры) с каждым делением укорачиваются. Поэтому после некоторого количества делений (около 50) клетка больше делиться не может. Было выяснено, что длина теломер (концевых участков) хромосом зависит от возраста человека. Чем старше человек, тем средняя длина теломер меньше. Таким образом, при каждом делении клетки ее ДНК укорачивается, что служит «счетчиком» числа делений и, соответственно, продолжительности жизни.
Элевационная теория старения Выдвинута и обоснована в начале 50-х годов прошлого века ленинградским ученым Владимиром Дильманом. Согласно этой теории, механизм старения начинает свою работу с постоянного возрастания порога чувствительности гипоталамуса к уровню гормонов в крови. В итоге увеличивается концентрация циркулирующих гормонов. Как результат, возникают различные формы патологических состояний, в том числе характерные для старческого возраста: ожирение, диабет, атеросклероз, канкриофилия, депрессия, метаболическая имуннодепрессия, гипертония, гиперадаптоз, автоиммунные заболевания и климакс. Эти болезни ведут к старению и в конечном итоге к смерти. Другими словами, в организме, существуют большие биологические часы, которые отсчитают отпущенное ему время жизни от рождения до смерти. Эти часы в определенный момент запускают деструктивные процессы в организме, которые принято называть старением.
|
Глава II. Нанотехнологии в решении проблемы продления жизни
|
2.1. Нанотехнологии и перспективы их применения
|
1974 год. Японский ученный Норио Танигучи на международной конференции в Токио ввел впервые в научный оборот слово "нанотехнология".
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).
В современной геронтологии доминирующей становится точка зрения, что первичные причины старения имеют молекулярную природу. В частности свидетельством тому является последний конгресс Международной ассоциации биомедицинской геронтологии, где большинство докладов было посвящено свободно-радикальной теории старения. Исходя из подобных представлений, уже сейчас можно создавать достаточно полные теории старения и понимать, как в принципе можно бороться с ним. А дальнейшие исследования в этом направлении, несомненно, приведут как к увеличению точности и непротиворечивости теорий старения, так и к внедрению в клиническую практику эффективных методов противодействия ему. Вместе с тем, технический прогресс привел к тому, что в настоящее время человечество находится на пороге достижения возможности свободного манипулирования с отдельными атомами и молекулами. Анализ развития этих тенденций, ведущих к "овладению" молекулярным уровнем организации живой материи, позволяет предположить, что через несколько десятилетий подходы к лечению старения претерпят коренные, революционные изменения и, в конечном счете, их развитие приведет к решению проблемы старения.
Молекулярное старение и антистарение
Большинство молекул, находящихся в водных растворах, со временем изменяются – в основном в результате взаимодействия с другими молекулами и атомами (тепловое движение, химические реакции, альфа-радиация) и под действием электромагнитных излучений (ультрафиолет, гамма-радиация). Молекулы могут распадаться на атомы, превращаться в другие молекулы, претерпевать структурные изменения. Последнее подразумевает, что в функциональном отношении молекула остается той же самой. При этом, однако, эффективность выполнения функции может меняться. Ухудшение функционирования молекулы со временем под действием повреждающих факторов может быть рассмотрено как старение на молекулярном уровне.
Одним из основных факторов, вызывающих молекулярные повреждения в живых клетках являются свободные радикалы – высокореакционные молекулы, имеющие неспаренный электрон. Они образуются в качестве побочного продукта в процессе выработки энергии в дыхательной цепи митохондрий, а также в ряде других реакциях обмена веществ. Другим опасным фактором является неспецифическое взаимодействие клеточных макромолекул с глюкозой, которая также является соединением, образующемся во многих биохимических реакциях. Сильное разрушающее действия на макромолекулы оказывают и молекулы воды, так как часть из них обладают очень большими скоростями движения (вследствие статистического распределения скоростей движения молекул воды в жидкой фазе) и, следовательно, могут легко взаимодействовать с другими молекулами.
Эти и ряд других повреждающих воздействий приводит к окислению липидов клеточных мембран, инактивации белков-ферментов, гликозилированию структурных белков и образованию между ними поперечных сшивок, мутациям генов. Что, в свою очередь, ведет к постепенному разрушению структуры и ухудшению функционирования клетки: нарушается целостность и проницаемость мембран, падает ферментативная активность, клетка засоряется продуктами обмена, нарушается синтез белков и регуляция клеточных процессов. Причем эти процессы характеризуются положительной обратной связью – неправильное или ухудшенное функционирование молекул приводит к увеличению потока повреждающих воздействий. К тому же из-за ухудшения работы клеток и отмирания части из них нарушаются регуляторные процессы и на организменном уровне, что в результате обратной связи приводит к еще большему увеличению повреждающих воздействий на молекулярном уровне. Все это ведет к катастрофическому нарушению регуляции, появлению системных "болезней старения" (большинство форм рака, атеросклероз, гипертония, сахарный диабет), ослаблению сопротивляемости организма стрессорным воздействиям, что с неизбежностью приводит к смерти.3
В период возникновения жизни, в "первичном бульоне" основные молекулы жизни (белки и нуклеиновые кислоты) неизбежно должны были подвергаться повреждающим воздействиям. (Поскольку эти молекулы старели еще до того как появилась возможность для их саморазмножения, т.е. до возникновения жизни, то можно сказать, что старение древнее жизни.) Следовательно, возникновение механизмов защиты от них (антистарения) было существенно необходимо для успешного развития жизни. И далее в процессе эволюции происходила конкуренция старения и антистарения.4
В качестве примера механизмов антистарения можно привести осуществляемое супероксиддисмутазой ферментативное превращение супероксидных радикалов в перекись водорода, которая затем расщепляется каталазой на воду и кислород. Другими примерами могут служить группы ферментов, восстанавливающих поврежденные участки молекул нуклеиновых кислот (нуклеазы, полимеразы, лигазы) и расщепляющие окисленные белки (протеиназы и пептидазы).
Все эти механизмы не обеспечивают абсолютной защиты от повреждающих воздействий. Во многом это объясняется тем, что эволюция действует методом проб и ошибок, т.е. нужное приспособление не появляется сразу и в законченном, совершенном виде. В принципе, можно представить, что практически нестареющий организм мог бы появиться (возможно, примером приближения к такому состоянию являются некоторые одноклеточные организмы). Но эволюционный "поиск" долгоживущих организмов и закрепление его результатов возможны только в том случае, если такой организм будет иметь эволюционные преимущества, выражающиеся в повышении выживаемости и увеличении численности вида (иначе случайно "найденный" признак "потеряется" в следующих поколениях). Однако, для благополучия вида вполне достаточно, чтобы отдельный организм мог достичь репродуктивного возраста и оставить потомство, а что будет с организмом дальше для вида не имеет значения (или имеет пренебрежительно малое значение). Говоря другими словами, путь повышения репродуктивности и жизнеспособности в молодом возрасте проще и выгоднее для вида (а значит и более вероятен), чем увеличение продолжительности жизни отдельной особи (для этого необходим случайный поиск и, по всей вероятности, скоординированное изменение большого количества функций, вероятность чего очень мала).
Таким образом, из всего вышеизложенного следует, что для эффективной борьбы со старением нужно системно, с учетом всех взаимосвязей на клеточном и организменном уровнях, совершенствовать геропротекторные функции организма (прежде всего повышая качество работы "молекул антистарения" и систем, вовлеченных в регуляцию этих процессов), а также видоизменять структуры "молекул старения" таким образом, чтобы при их работе образовывалось как можно меньше опасных побочных продуктов. Необходимые для этого операции можно будет проводить средствами генной и белковой инженерии, а также (и это возможно окажется более эффективным) при помощи протезирования и хирургии на молекулярном уровне посредством нанотехнологии.
Необходимо отметить, что старение является очень сложным феноменом, включающем большое количество взаимозависимых процессов. Так по некоторым оценкам для корректировки старения нужно воздействовать от нескольких сотен до нескольких тысяч генов. Помимо всего прочего это означает, что понимание роли одного из них (например, гена теломеразы) и воздействие не него в принципе не способно решить проблему старения, а приведет лишь к сравнительно незначительному продвижению в направлении ее решения. Вследствие подобной сложности корректировка структуры и функций организма на молекулярном уровне (корректировка на клеточном и организменном уровне в конечном счете все равно сводится к молекулярным изменениям) безусловно потребует не только совместной работы больших коллективов ученых, но и анализа систем организма, связанных со старением, а также и их моделирования при помощи высокопроизводительных компьютеров.