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

ГЛАВА 6 Медицина

контролировать все изменения и применять новые медикаменты. На рисунке 6.13 перечислены некоторые преимущества многофункцио

нальной терапии.

Рис. 6.13. Многофункциональная терапия дает медикам множество новых способов предотвращения или лечения болезней

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Молекулярная визуализация — это область исследований, которая занимается in vivo наблюдением за поведением молекул с течением времени в организме человека или животных.

Для наблюдения за процессами в отдельных органах человека ис

пользуются специальные агенты визуализации. Например, радиоак тивный изотоп бария 37Ba является контрастным агентом, который

применяется для диагностики необычных брюшных болей, желудочно

кишечной регургитации, рака, гастрита и язвы двенадцатиперстной

кишки. Заблокированные области проявляются на рентгеновских снимках в светлых тонах, которые контрастно выглядят на фоне здо ровых тканей и позволяют радиологам анализировать внутреннюю по верхность пищеварительного тракта на наличие блокад и опухолей.

Ядерная визуализация основана на впрыскивании трассера в орга

низм человека и отслеживании его с помощью камеры. Например, для диагностики состояния сердечно сосудистой системы используется радиоактивный изотоп таллия 201Tl. Этот изотоп хорошо связывается

с кислородом, который обычно в большой концентрации присутствует в мышечных тканях. Для определения концентрации изотопа в сердце пациента используется сцинтилляционный счетчик (детектор радиоак тивного излучения). Он фиксирует уровень радиации в разных участ

ках сердца, причем низкий уровень соответствует малой концентрации

кислорода (то есть малому количеству связанного с ним радиоактив ного таллия), что проявляется в виде темного пятна на мониторе.

Сейчас разрабатываются новейшие наноинструменты визуализации, зонды, которые способны уловить специфический клеточный сигнал или зафиксировать серию событий внутри клетки. Это позволит меди кам выявить заболевание на гораздо более ранней стадии, чем было воз

можно прежде. Молекулярные зонды способны отразить самые первые реакции в ходе развития заболевания, то есть еще задолго до того, как

оно проявится в виде ужасной опухоли или жуткого кровотечения. Здесь стоит вспомнить старую поговорку «Капля такта полезнее

потоков острословия», которую можно перефразировать следующим

образом: «Капля профилактики полезнее потоков лекарств». Гораздо проще решить проблему размером с муху, чем тогда, когда она при

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Нанотоксичность

Поскольку наноматериалы часто ведут себя совсем иначе, чем их «собратья» более крупного размера, то их улучшенные свойства,

например сверхбольшая прочность или электрическая проводимость,

наводят на мысль о потенциальной опасности.

Внастоящее время нанотехнологии используются для производ ства сотен продуктов. Однако сами нанотехнологии находятся еще в самом начале своего славного пути, а их количество пока еще просто ничтожно. Пока еще плохо изучено вредное влияние наноматериа

лов на организм человека. Это очень широкая область исследований,

которая находится на стадии сбора информации. Однако токсиколо ги Управления по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency — EPA) уже начали всерьез анализировать все факторы риска, которые сопровождают применение наноматериалов,

иразработали программу деятельности.

Воктябре 2005 г. в электронном научном журнале Particle and Fiber Toxicology (Токсикология частиц и волокон) ученые опубли ковали 85 страничный отчет с подробной характеристикой потенци альных угроз здоровью человека со стороны наноматериалов и стра

тегией их предотвращения.

Основное внимание в этом отчете уделено токсичному влиянию наночастиц на наш организм. Однако известно всего лишь несколь ко примеров прямого воздействия наночастиц на человека. В отчете подчеркивается необходимость характеристики наночастиц по струк

туре, форме, площади поверхности, электрическим свойствам и воз

можности образования агрегатов, которые могут взаимодействовать с организмом иначе, чем отдельные частицы. В отчете предлагаются

методы проверки влияния наноматериалов на разные внутренние ор ганы, а также способы проверки последствий вдыхания, поглощения

наночастиц или даже контакта с ними.

Вотчете не описываются методы, которые позволили бы объяс нить, почему наночастицы могут оказывать биологическое влияние.

Ученым и медикам еще предстоит собрать подробную информацию в ходе тщательных исследований.

Медицина будущего

За свою историю медицина создала множество совершенных методов быстрого лечения острых заболеваний и опасных повреж 136 дений. Основной целью медиков всегда считалось быстрое лечение

ГЛАВА 6 Медицина

и спасение пациентов. Западная медицина традиционно реагировала на уже начавшиеся и явно проявляющие себя болезни.

Ввосточной медицине основной целью является предотвращение болезни. Именно поэтому такое важное место в ней занимают аку

пунктура, массаж и медитация.

Однако пропасть между основными целями восточной и западной

медицины может заметно уменьшиться в ближайшие 10–20 лет имен но благодаря развитию нанотехнологий. Если новые нанотехнологии позволят определять генетический профиль и выполнять молекуляр ный анализ по пробам крови, то оценка здоровья и предрасположен

ность к определенным болезням может выполняться уже в момент

рождения человека. Таким образом, медики смогут планировать ле чение задолго до печальных проявлений многих заболеваний.

Втаких условиях профилактическая медицина станет нормой,

аперсональные планы лечения перевернут прежние представления о

качестве медицины. Ученые надеются, что достижения наномедици

ны изменят к лучшему не только здравоохранение, включая медицин скую промышленность и образование, но и все общество в целом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Область деятельности, которая занимается лечением и восстановле нием поврежденных тканей на молекулярном уровне, называется:

(а)нанобиотикой;

(б) наногипсом;

(в) наномедициной;

(г) наноортодонтикой.

2.Система наномасштабных каналов для перемещения жидкости в «лаборатории на чипе» называется:

(а)микротрубками;

(б)микроструйной техникой;

(в) микросоломками;

(г) наноструями.

3.Процесс просачивания золотых нанооболочек сквозь пористые сосуды раковой опухоли и осаждения в ней называется:

(а) металлическим осаждением;

(б)симбиотическим осажденим;

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

4.Золотые нанооболочки используются для лечения:

(а) рака молочной железы;

(б) нематод;

(в)слепоты;

(г) грибка.

5.Нановекторы — это:

(а) наномасштабные комары;

(б) инструменты измерения углов;

(в)средства доставки медикаментов и визуализации;

(г)сверхмалые инструменты для контроля над подопытными

грызунами.

6.Коллаген — это:

(а) вегетарианская пища;

(б) спираль из трех цепей аминокислотных остатков;

(в) белки и жиры, связанные в круговую структуру;

(г)симметричные структуры, образующие треугольную форму.

7.Онкобелки — это:

(а) белки рептилий;

(б) диетическая пища;

(в) раковые белки;

(г)белки из морской капусты.

8.При сварке тканей нанооболочки находятся:

(а) в белковом растворе;

(б) желатине;

(в) соединениях жиров;

(г)курином супе с лапшой.

9.Нанотехнологии изменят будущие медицинские методы за счет

большей:

(а) длительности и стоимости;

(б) инвазивности и зависимости;

(в) резкости и тревожности;

(г)предсказуемости и профилактики.

10.Раковые клетки хорошо видны из за:

(а) контраста между светлыми клетками и кровью;

(б) большего рассеяния света на нанооболочках;

(в) их большего размера и клеточных мембран;

(г)более мощных линз и лучших зеркал.

Глава 7

Охрана окружающей среды

Что первое приходит на ум, когда мы слышим словосочетание

окружающая среда? Покрытые снегом верхушки горных вершин

или благоухающие джунгли Амазонки? Весенние цветы или осенняя листва?

Окружающая среда может быть прекрасной или ужасной, в за висимости от условий или обстоятельств. Океан может быть умиро

творяющим и спокойным, либо штормящим и бушующим, с 10 ме

тровыми смертельно опасными волнами. Многие американцы стали свидетелями смертей и разрушений, вызванных ураганами Катрина и Рита, которые обрушились на штаты Луизиана, Миссисипи и Ала бама в августе 2005 г.

Дружественность или враждебность окружающей среды чаще

всего от нас не зависит. Времена года сменяют друг друга вместе с присущими им катаклизмами. Однако один из факторов окружа ющей среды, а именно ее загрязнение, является проблемой, создан ной нами, а не природой.

Загрязнение

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

сет ее загрязнение. Дымящие трубы извергают все виды зловоний, от которых не только болит голова, но и слезает краска с автомоби

лей. Страшнее всего то, что испускаемые заводскими трубами хими каты являются канцерогенами.

Канцерогены — химические вещества, которые вызывают раковые заболевания или способствуют их появлению.

Однако определение степени загрязнения воды или почвы — очень трудная задача, поскольку часто оно не превышает нескольких частей на миллион или даже миллиард. Многие люди верят только

тому, что видят воочию, а токсины можно увидеть только под силь

ным микроскопом. В настоящее время мы должны заботиться не только о чистоте воздуха и питьевой воды, но и о качестве пищи. Действительно, некоторые виды рыб, например тунец, способны по глощать и накапливать опасные химические вещества из загрязнен

ных водоемов. В таблице 7.1 перечислены токсичные химические

вещества и их типичные концентрации в почве и воде.

Таблица 7.1. Уровни концентрации некоторых токсичных химических веществ в почве и воде

ГЛАВА 7 Охрана окружающей среды

окись углерода (или угарный газ);

фреон (chlorofluorocarbon — CFC);

тяжелые металлы (мышьяк, хром, кадмий, свинец, ртуть, цинк);

углеводороды;

оксиды азота;

органические химикаты (летучие органические соединения,

диоксины);

диоксид серы (или сернистый ангидрид);

макрочастицы.

Качество нашей жизни во многом зависит от деятельности мест ных, региональных и общенациональных органов охраны окружа

ющей среды. Их работа затрудняется тем, что загрязняющие веще

ства часто не имеют цвета, вкуса и запаха.

Кислотные дожди происходят из за того, что оксиды азота и ди оксид серы оседают на землю и взаимодействуют с росой или инеем. Около 95% повышенного содержания оксидов азота и диоксида серы

в атмосфере связано с деятельностью человека и лишь 5% — с есте

ственными природными процессами. Главными источниками оксидов азота и диоксида серы являются:

сжигание нефти, угля и газа;

вулканическая деятельность;

лесные пожары;

распад почвенных бактерий;

молнии.

Загрязнение воды вызывается внезапными или непрерывными, случайными или запланированными выбросами загрязняющих ве

ществ. По мере роста населения планеты человечеству приходится иметь дело с более масштабным загрязнением морей и океанов. Вода чаще всего загрязняется:

стоками промышленных отходов;

сожженными ископаемыми видами топлива;

утечками нефти;

удобрениями, гербицидами, пестицидами, которые использу ются в сельском хозяйстве и при уходе за садами и парками;

вследствие вырубки лесов.

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Нанотехнологии в охране окружающей среды

Порой кажется, что загрязнение окружающей среды столь ве лико, что его уже нельзя устранить. Многие давно смирились с те

кущим положением вещей. Однако исследователи нанотехнологий

видят свет в конце туннеля.

Проектирование материалов на молекулярном и атомарном уровне и манипулирование ими открывает перед учеными огромные возможности для создания новых методов защиты окружающей среды. Уникальные свойства наноматериалов могут дать ощутимые

преимущества в методах производства энергии, ее эффективного

использования, водопользования и восстановления окружающей среды.

Многие текущие проекты нацелены на изучение характера взаи модействия наночастиц с биологическими и экологическими систе

мами, включая перемещение наночастиц в микроструйных системах.

Исследователи пытаются определить, как разные виды загрязня ющих веществ связываются с наноматериалами, переносятся ими в грунтовых водах, взаимодействуют с биологическими клетками и по ражают их.

Очистка воды