Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

ГЛАВА 5 Биология

тельные болезни и предотвращать экологические катастрофы. Ученые как будто обрели чудесный «наноскоп», который открыл им совер

шенно новый и непознанный мир. Используя биологические наносен соры, биочипы и другие новые инструменты и методы исследования, ученые могут полностью изменить наш биологический мир.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Такие внешние факторы воздействия на наночастицу, как элек тричество и магнетизм, воздушные и водные потоки, тепло и хо лод, могут повлиять на:

(а) ее стоимость;

(б) положение на рынке;

(в)движение и взаимодействие;

(г) размер.

2.Методы кристаллографии позволяют получить информацию:

(а) о прозрачности алмаза;

(б) строении темной материи;

(в)двухмерных линейных сингулярностях;

(г)трехмерном распределении электронной плотности.

3.Спектроскопия используется для изучения материалов на основе анализа их:

(а) спектра;

(б) запаха;

(в) точки насыщения;

(г)размера.

4.Живую бактерию впервые наблюдал:

(а) Александр Флеминг;

(б) Гарольд Корелл;

(в) Антони ван Левенгук;

(г)Ричард Смолли.

5.Биологические маркеры рака молочной железы, болезни Альцгей мера, СПИДа, сахарного диабета и остеопороза были найдены:

(а) в ушной сере;

(б) в слюне;

(в) в волосах;

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

6.Длинные цепочки аминокислот, которые сворачиваются в специ фические структуры, называются:

(а)липидами;

(б) неоцитами;

(в) белками;

(г) протоплазмой.

7.Распознавание структуры ДНК основано на:

(а)соответствии нити нуклеиновой кислоты и дополнительной к ней последовательности нуклеотидов;

(б) повышении температуры;

(в) фобии, связанной с визитом к врачу;

(г)распознавании образов в случайном упорядочении несвязан ных липидов.

8.Положения атомов можно определить с точностью до несколь ких:

(а) комариных усов;

(б) ангстрем;

(в) микрометров;

(г)километров.

9.Несущественной характеристикой биологического наносенсора является:

(а) биологическая совместимость;

(б) размер;

(в) высокая чувствительность;

(г)высокая стоимость.

10.Жидкостная электросиловая микроскопия связана:

(а) с подъемом и погружением пузырьков в жидкости;

(б) обнаружением крошечных зарядов на молекуле;

(в) концепцией хранения электроприборов в сухом месте;

(г)флуоресценцией молекул.

Глава 6

Медицина

Через 15 минут после взятия анализов врач возвращается и сооб

щает результаты их обработки. «Похоже, что все в порядке. Однако

я удивлен необычной активностью поджелудочной железы», — за мечает он.

При этих и следующих словах моя улыбка заметно тускнеет. Де душка умер от рака поджелудочной железы: эта мысль мгновенно

пронзает мой мозг. Он отличался завидным здоровьем на протяже

нии всей жизни и лишь в далекой молодости злоупотреблял курени ем и алкоголем. А еще вчера я выпил бокал вина во время ужина. Насколько это серьезно теперь?

Врач продолжает: «Клетки и белки демонстрируют ускоренный

рост. Этот вид рака поджелудочной железы…»

Мое сердце замерло. Внезапно мне стало нехорошо. Рак? Снова? Но почему?

Длинное повествование врач заканчивает словами: «На этой ран ней стадии вам достаточно сделать несколько иммунных инъекций, которые обо всем позаботятся. Согласуйте удобное для вас время с моей помощницей. Увидимся во время следующего профилактиче ского осмотра через год».

Какое облегчение! Прежняя смертельная болезнь уже совсем не так страшна благодаря наномедицине.

Наномедицина — это область медицины, в которой лечение болезней и операции выполняются на молекулярном уровне.

По мнению многих ученых и медиков, возможно уже в 2015 г., эта вымышленная история будет не фантастикой, а реальностью.

Согласно Плану действий в области наномедицины Национального института здравоохранения США (National Institute of Health —

NIH), основными целями наномедицины являются:

115

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

раннее обнаружение и устранение раковых клеток;

удаление или замена испорченных компонентов клетки с по

мощью наномасштабных устройств;

создание и имплантация молекулярных насосов для доставки

медикаментов.

Исследования по созданию и использованию материалов

и устройств на наномасштабном уровне, из молекул и атомов, очень активно ведутся и щедро финансируются.

Нанотехнологии могут использоваться для решения различных медицинских задач:

хранения и извлечения генетической информации;

диагностики, например обнаружения болезни;

определения общей восприимчивости к некоторым болезням, например к болезни Альцгеймера;

улучшенной классификации болезней, например разбивки их

на типы и подтипы;

точечного подбора лекарств на основе хромосомных различий;

генной терапии, например для кистозного фиброза;

подбора медикаментов, нацеленных на отдельные клетки, на пример создания антител для специальных клеток.

ГЛАВА 6 Медицина

ми лечения. Рак очень хорошо маскируется и проникает в соседние части тела. На рисунке 6.1 показаны некоторые способы, с помощью

которых рак преодолевает защиту организма.

Например, рак молочной железы проявляется 14 различны

ми способами, которые отличаются степенью тяжести и быстротой роста. Хотя ученые уже раскрыли некоторые секреты раковых за

болеваний, некоторые виды рака не поддаются лечению, особенно если раковая опухоль обнаружена поздно, когда она уже достаточно прочно обосновалась в теле больного. На рисунке 6.2 показана схема типичного развития рака с летальным исходом.

Рис. 6.2. Без ранней диагностики и своевременного медицинского вмешательства рак может привести к преждевременной смерти

В долговременной перспективе нанотехнологии могут дать меди кам мощные инструменты лечения рака и других смертельных болез

ней, а может быть, и преодоления старости.

Методы лечения

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

излечимой болезнью, как теперь диабет, причем с такими же шансами на выживание. На рисунке 6.3 показана схема типичного случая, ког

да рак удается обнаружить и вылечить еще на ранней стадии.

ГЛАВА 6 Медицина

В данном методе используются отдельные полупроводящие нанопро водки с диаметром 8 нм, которые располагаются на расстоянии 8 нм

друг от друга. Прежние попытки других исследователей приводили к созданию аналогичных чипов величиной на 2–3 порядка больше. На рисунке 6.4 показано фото одной из первых реализаций идеи,

которая часто называется «лаборатория на чипе» (lab on chip). Об

ратите внимание на его гораздо более крупные размеры.

Рис. 6.4. Пример реализации идеи «лаборатория на чипе» (фото, полученное в рамках программы Human Genome Program, любезно предоставлено Министерством энергетики США)

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

деятельности среднестатистической семьи в будний день и, например, в выходной, когда обычный распорядок нарушается из за каких то

внешних факторов: похода за покупками в супермаркет, посещения футбольного матча, приема гостей и т. п.

Для реализации технологии «лаборатория на чипе» используются методы, которые уже давно применяются для изготовления печатных

плат в электротехнике. Такие чипы создаются с микроскопическими

и наноскопическими каналами для жидкостей и химикалий.

Микроструйная техника — это область деятельности, которая изучает способы создания микро- и наномасштабных каналов для передачи жидкостей в разные клетки.

Технология «лаборатория на чипе» быстрее, дешевле и точнее, чем обычные технологии. Более того, эти крошечные чипы можно спроектировать для выполнения одновременно нескольких тестов. На рисунке 6.5 показана схема типичной «лаборатории на чипе», вы

полняющей сразу несколько разных тестов.

Рис. 6.5. Технология «лаборатория на чипе» позволяет существенно увеличить количество тестов и их чувствительность даже для небольшого объема анализируемой жидкости

ГЛАВА 6 Медицина

веществ. Времена, когда для этого пришлось бы выполнять длитель ную серию многочисленных анализов, уходят в прошлое.

Наномасштабная «лаборатория на чипе» позволит смешивать, разделять, тестировать и обрабатывать биологические образцы для

определения их текущего состояния, наличия инфекционных и дру

гих болезней. С ее помощью можно будет проследить за взаимо

действием клеток: передачей сигналов, работой энзимов и доставкой питательных веществ, образованием клеточных продуктов и многим другим. Вместо одного «снимка» одной клетки ученые смогут снять «фильм» о том, как живут несколько клеток.

КРЕМНИЕВЫЕ НАНОПРОВОДА

Ученые Гарвардского университета (США) обнаружили, что сверхтонкие кремниевые электрические нанопровода можно исполь зовать для обнаружения отдельных вирусов. С помощью таких на нопроводов есть возможность с большой точностью определять нали

чие разных вирусов. Если отдельные нанопровода собрать в массив,

можно сконструировать сложный анализатор, способный определять наличие тысяч разных вирусов.

Доктор Чарльз М. Либер (Charles M. Lieber), профессор химии из Гарвардского университета (США), сумел создать кремниевые на

нопровода, которые могли замыкать или размыкать электрическую

цепь при наличии всего одного вируса. Обнаружение вируса стало возможным благодаря тонкой подгонке параметров нанопроводов, электрического тока и рецепторов антител.

При соединении одного вируса с рецептором антитела возника ет определенное изменение электрических свойств, которое является признаком наличия данного вируса. Исследователи обнаружили, что такой метод позволяет точно различать разные вирусы. Таким об

разом, вскоре можно будет обнаруживать опасные вирусы на очень ранних стадиях инфекционного заболевания. Дело в том, что им

мунная система способна воздействовать на небольшие популяции вирусов, но особо опасные вирусы порой можно победить только с помощью медицинского вмешательства на ранней стадии, которую

обычно трудно зафиксировать традиционными методами.

Борьба с раком

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

циплин и включают результаты из области биологии, химии, физики и техники. Некоторые из них используются для нацеленной доставки

медикаментов к больным клеткам, например раковым клеткам, и на зываются нановекторами. Кроме того, они применяются в качестве агента для повышения контрастности изображения — флуоресциру ют или просто четко видны под микроскопом.

ЗОЛОТЫЕ НАНООБОЛОЧКИ

Пробовали ли вы когда нибудь пропустить свет фонарика сквозь

пальцы своей руки? Свет на выходе кажется красным, но совсем не потому, что кровь имеет красный цвет. Дело в том, что свет, имеющий большую длину волны, может проходить сквозь кожу без значительного рассеивания. Именно этот метод используется в фото

динамической терапии для лечения внутренних болезней.

Свет можно использовать разными способами. Если на своем пути свет повстречает металл, тот может разогреться так сильно, что в буквальном смысле поджарит окружающую его ткань (например, раковую опухоль). А если свет встретит частицу, которая сгенери

рует высокоактивные молекулы кислорода, они вступят в реакцию с

окружающей тканью и разрушат ее (например, снова раковую опу холь).

Дженифер Уэст (Jennifer West) и Ребекка Дрезек (Rebekah Dre zek) из CBEN для обнаружения и лечения больных тканей исполь

зовали нанооболочки (nanoshells), созданные профессором Наоми

Халас (Naomi Halas) на основе сверхмалых кварцевых шариков, по крытых тонким слоем золота (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Нанооболочки являются простыми, но очень эффективными наноагентами