4. Нанотехнологии в клетке
Добро пожаловать в клетку
Словечко «нано» стремительно входит в моду. Особенно у рекламистов и пиарщиков: «нанокефир» и «нанокремы» они уже придумали, скоро создадут «нанососиски» и «наноколготки». Но в реальности многие отрасли знания уже вовсю имеют дело с наночастицами. Среди них и медицина.
От мини к нано
История современной медицины — это бег от большого к малому. Многие диагностические аппараты из громыхающих монстров постепенно превратились в элегантные чемоданчики. Довольно объемные мензурки с микстурами и капельницы эволюционировали до крошечных таблеток, подкожных резервуаров с лекарствами или даже пластырей. Устрашающие взгляд полостные операции заменили крошечные проколы, сквозь которые хирурги манипулируют под взглядом видеокамеры.
Но нет предела совершенству. Многие болезни начинаются с изменений в считанных клетках человеческого тела, а болезнетворные бактерии и вирусы тоже вещества микроскопические. Поэтому медицина дерзко мечтает лечить болезнь там, где она возникает, — в клетке.
Нанотехнологиями сегодня активно занимаются примерно в 50 странах. Лидируют США, Япония, Южная Корея, ФРГ. Россия занимает место во второй десятке. Но по числу публикаций по нанотематике мы на почетном 8-м месте
А воплотить эти мечты можно только с помощью нанотехнологий — манипуляций на уровне молекул, атомов и искусственных конструкций тех же размеров. Представить их невозможно, поскольку человеческому глазу сравнить их не с чем. Однако мы знаем, что 1 нанометр — это миллиардная доля метра.
Представим, что мы с вами ростом в 1 нанометр. Тогда земная дистанция всего в один метр превратилась бы для нас в 1 миллиард метров (т.е. 1 млн км), или примерно в кратчайший путь до Луны (356 тыс. км), повторенный три раза. То есть с Луны мы бы с вами уже не вернулись… Вот так же кружит голову и попытка представить себе эти загадочные нанометры.
Кто все это придумал
Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места». Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана.
В 1967 году биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов первым выдвинул идею «мокрой технологии» — использования для лечения людей живых механизмов, существующих в природе. В частности, собирать их из нуклеиновых кислот и ферментов. Потом Роберт Эттингер предложил использовать модифицированные микробы для ремонта клеток.
Термин «нанотехнология» широко распространился в мире после выхода в 1986 году знаменитой книги «Машины творения» физика Эрика Дрекслера. Он стал называть свои предложения по конструированию отдельных молекул, обладающих заданными свойствами, «молекулярной нанотехнологией». Так что история нанотехнологий уже насчитывает более 20 лет.
Возможности безграничны…Что же нанотехнологии сулят медицине помимо уже широко разрекламированных, но пока нереальных «нанороботов», которые будут шастать внутри человека и что-нибудь починять?
На самом деле куда больше. Они смогут создавать:
наноматериалы с заданными свойствами — наночастицы (фуллерены и дендримеры)
микро- и нанокапсулы (например, с лекарствами внутри)
нанотехнологические сенсоры и анализаторы — наноинструменты и наноманипуляторы
автоматические наноустройства (помимо все тех же нанороботов).
Надеюсь, что тут вам все понятно, кроме разве что «фуллеренов» и «дендримеров». Фуллерен — это пятая (кроме алмаза, графита, карбина и угля) форма углерода, которую сначала предсказали теоретически, а потом открыли в природе. По виду молекула фуллерена (С60) похожа на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. Медицине же фуллерены интересны тем, что могут пролезать в молекулу ДНК, искривлять и даже «расплетать» ее.
Дендримеры — это древовидные полимеры (длинные молекулы, состоящие из повторяющихся одинаковых элементов). Они способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например, раковые.
…а достижения скромны
Но какими бы захватывающими ни были перспективы нанотехнологий, реальные достижения пока невелики.
Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита. А уже потом на эту «шпатлевку» приклеивались собственные костные клетки человека — таким материалом можно замещать дефекты костей после травм или операций.
Другая разработка, напротив, не дает клеткам приклеиваться к поверхности. Это нужно, к примеру, для создания биореакторов, в которых будут содержаться стволовые клетки. Проблема в том, что, как только стволовая клетка «села» на какую-то поверхность, она немедленно начинает специализироваться — превращаться в клетку конкретной ткани. А чтобы она сохраняла свой потенциал, надо не давать ей «присесть».
Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа — они смогут
доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.
Искусственно сконструированная клетка-респироцит сможет заменить недостающие в крови эритроциты — она умеет переносить и кислород, и углекислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.
Не все то золото, что серебро
У российской науки есть и свои рекорды на обширном поле нанотехнологий. Так, мы — явные лидеры в изучении и применении наночастиц металлов в медицине. На солидной научной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», которая прошла в конце прошлого года в Новосибирске, чуть не 90% докладов посвящались золоту, серебру, цинку, висмуту и различным комбинациям полимеров, сорбентов и т.п.
Бактерицидные и ранозаживляющие свойства серебра известны медицине давно. Однако наши ученые выяснили, что если серебро и прочие металлы превратить в наночастицы, эти свойства резко возрастают. И доказали это на многочисленных клинических исследованиях. Ожоги, огнестрельные раны, переломы, кожные, гинекологические и прочие воспаления/раны заживают значительно быстрее и эффективнее. Наши ученые создали десятки препаратов, основанных на спасительных свойствах этих металлов. Только не ищите в аптеках — их нет. Почему — это уже вопрос не к ученым, а к тем, кто закупает импортные антибиотики, в тысячи раз более дорогие.
Между прочим, наша сибирячка Нина Богданчикова, которая в России занималась как раз исследованиями серебра, а потом переехала в Мексику и начала работать в Национальном университете, стала инициатором развития этого научного направления во всей Латинской Америке. И теперь оно бурно развивается на континенте. Понятно почему — серебра там хоть завались, а препараты из него получатся не слишком дорогими. Кончится все, как обычно, тем, что начнем их импортировать.
Нам есть чем гордиться
Второе направление, на котором мы могли
бы лидировать в мире, — создание биочипов.
Чип — это маленькая пластинка, на
поверхности которой размещены рецепторы
к различным веществам — белкам, токсинам,
аминокислотам и т.п. Достаточно капнуть
на чип крошечную каплю плазмы, крови
или другой биологической жидкости, как
«родственные» молекулы прикрепятся к
рецепторам. А потом прибор-анализатор
с
читает
информацию. Биочипы, созданные в Институте
молекулярной биологии им. Энгельгардта
РАН под руководством академика Андрея
Мирзабекова, уже умеют практически
мгновенно выявлять возбудителей
туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций,
многие яды, антитела к раку и т.п. Причем
наши биочипы оказались намного дешевле
и удачнее американских. Однако внедрение
этой новейшей технологии в практическую
медицину идет гораздо медленнее, чем
хотелось бы
Ученые разработали вакцину против рака предстательной железы
Исследователи из Южнокалифорнийского университета (University of Southern California) разработали вакцину против рака предстательной железы, которая помогла предотвратить развитие рака у 90% мышей, генетически предрасположенных к развитию заболевания. Ученые надеются, что подобная тактика могла бы сработать и с мужчинами, у которых наблюдается рост простат-специфического антигена, являющегося потенциальным индикатором рака простаты.
Обычно, мужчинами с растущим числом простат-специфических антигенов советуют не начинать лечение, пока не появятся первые признаки рака, но нынешние исследования могут полностью изменить стратегию лечения благодаря ранней вакцинации. Тестируемая сейчас вакцина предназначена для предотвращения развития рака у больных, у которых предраковое состояние ухудшается и не поддается обычной терапии или результаты этой терапии неутешительны.
Профилактическая вакцина предназначена для активизации иммунной системы на борьбу с антигеном простатных стволовых клеток (АПСК). АПСК, будучи мембранным белком, в избытке появляется в приблизительно 1/3 случаев раннего предракового состояния. Но количество этого антигена стремительно увеличивается во время образования и развития всех видов опухолей простаты. В небольших количествах АПСК присутствует также в здоровой предстательной железе, мочевом пузыре, толстой кишке, почках и желудке.
Исследователи испытали свою вакцину на 8-недельных мышах, которые были генетически изменены для развития рака предстательной железы во взрослом возрасте. В экспериментальной группе у двух из двадцати мышей к концу первого года жизни развился рак простаты, но размеры опухолей оказались очень маленькими. Кроме того, рост опухолей прекратился. Ученые наблюдали крошечные раковые опухоли, окруженные армией иммунных клеток. Вакцинация перевела рак в состояние хронического излечимого заболевания.
Особенно важным оказалось то, что у подопытных мышей не развилась автоиммунная болезнь — побочный эффект, который появился бы, если вакцина действовала бы и на нормальные клетки. Теоретически, вакцина может вызвать иммунный ответ в любой ткани, в которой присутствует антиген простатных стволовых клеток. Но тот факт, что этот антиген присутствует в здоровых тканях в незначительных количествах, способствует предотвращению осложнений.
И хотя такая вакцина дает большие надежды на победу над раком простаты, перед применением в клинических условиях ее необходимо испытать на людях, чтобы полностью исключить возможность развития автоиммунной болезни.
Медицина и нанотехнологии: Раковые клетки теперь будут… взрывать!
Совместная команда ученых из Университета штата Миссури (University of Missouri-Columbia — UMC) и армии США разработали особую нановзрывчатку, способную порождать сверхзвуковую ударную волну, которая поможет доставлять лекарственные вещества прямо в раковые клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма.
Испытательная установка
При разработке такой «умной бомбы» исследователи использовали специальный нанотермитный композит, содержащий металловидное топливо и неорганический окислитель, в результате чего получилось крайне горючее вещество, способное генерировать ударную волну с числом Маха доходящим до 3.
(Число Маха [Э.Мах — австрийский физик, 1838—1916] — в механике сплошных сред — отношение локальной скорости потока к местной скорости звука).
В качестве «топлива» используется разреженный оксид меди, а окислителем служат алюминиевые наночастицы. В результате создается большая площадь соприкосновения между «топливом» и окислителем, что приводит (в наномасштабах) к моментально распространяющемуся возгоранию. А это, в свою очередь, порождает сверхзвуковую взрывную волну, распространяющуюся со скоростью от 1500 до 2300 метров в секунду.
Такая взрывчатка помещается в специальный прибор, который можно будет использовать для облегчения доставки лекарственного препарата прямо в раковые клетки или клетки вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).
Лекарство вводится в организм обычным способом (инъекцией) и распространяется естественным образом по телу больного. Затем, при помощи разработанного прибора на нановзрывчатке, в место опухоли подается мощный импульс. Ударные волны, сгенерированные этим импульсом, приводят к образованию крошечных отверстий в клетках опухоли, что помогает лекарству попадать прямо в клетки. За счет сверхзвуковых ударных волн лекарство доставляется в клетки опухоли за считанные миллисекунды.
Ученые испытали «ударную» тактику на ткани животных и продемонстрировали 99-процентную успешность метода. Почти все клетки опухоли получили дозу лекарства. В тоже время здоровые клетки пострадали намного меньше, чем, если бы применялись традиционные методы лечения, такие как химиотерапия.
Ученые говорят, что нановзрывчатка обладает отличными от обычной взрывчатки характеристиками. В обычной взрывчатке ударная волна образуется во время детонации. В данном же случае, быстро распространяющаяся реакция воспламенения порождает взрывную волну без детонации. Генерирование ударной волны без детонации, по словам ученых, и есть ключ этой технологии.
Готовый к массовому применению прибор на нановзрывчатке появится в течение двух-пяти лет. Кроме применения в биомедицине, нановзрывчатка может быть на пользу и в других сферах, таких как геология и сейсмология. Изначально же эта технология использовалась армией США для обнаружения взрывных устройств, во время которого ударные волны посылались в землю, помогая формировать изображение того, что находится под поверхностью.