Применение нанотехнологии в медицине

И.В.Артюхов,*В.Н.Кеменов, **С.Б.Нестеров

Директор Института биомедицинских технологий, Россия

*директор, д.т.н., проф.ФГУП НИИВТ им. С.А. Векшинского, Россия

**зам.директора по НИР, д.т.н., профессор ФГУП НИИВТ им. С.А. Векшинского, Россия

Понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к ис-следованиям этого мира" [1]. На первом этапе развитие нанотехнологии определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.

Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.

Но постепенно все чаще упоминаются как перспективная область применения нанотехнологии медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины.

1. Современное состояние

Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места" [1] (со ссылкой на идею Альберта Р. Хиб-бса). Но только в последние несколько лет предложения Фейнмана приблизились к реальности.

Сегодня мы ещё довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Современные приложения нано-технологий в медицине можно разделить на несколько групп:

- Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотвер-стиями;

- Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);

- Микро- и нанокапсулы;

- Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

- Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

- Наноинструменты и наноманипуляторы;

- Микро- и наноустройства различной степени автономности

Рассмотрим эти группы приложений подробнее.

Наноматериалы

Наноматериалы, это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наност-руктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами.

Что касается регулярных структур, то небольшие участки поверхности могут быть структурированы "из-вне" - например, с помощью зондового сканирующего микроскопа (см. ниже). Однако, достаточно большие (~1 мк2 и больше) участки, а также объёмы вещества могут быть структурированы, видимо, только способом самосборки молекул.

Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосбор-кой из клеток; структура клеточных мембран и органоидов определяется самосборкой из отдельных молекул.

Самосборка молекулярных компонент разрабатывается как способ построения периодических структур для изготовления наноэлектронных схем, и здесь были достигнуты заметные успехи.

В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как "свои" и прикрепляются к их поверхности.

В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную кост-ную ткань. Так, учёные из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp и дру-гие [2] использовали трёхмерную самосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориен-тированных вдоль волокон. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как "клей" или "шпатлёвку" для костной ткани.

Представляет интерес и разработка материалов которые обладают, наоборот, не позволяют клеткам при-крепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование ма-териалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифферен-циации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований.

Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств (см. дальше) и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вред-ных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбу-мина и подобных обволакивающих веществ.

Наночастицы

Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллерено-вых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями таки-ми, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболева-ниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхно-сти - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо рас-творимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активно-стью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержа-щимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соот-ветствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то вре-мя как ремантадин действует только на первый тип.

Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикре-пляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

Рис. 1. Дендример

Особый интерес вызывают дендримеры [3]. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение (Рис. 1).

Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено ещё в 50-е годы, а основные ме-тоды их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотех-нология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и нано-медицинских) применений.

Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них:

- Предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;

- Наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры;

- Способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций "гость-хозяин".

Микро- и нанокапсулы

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм по-зволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это даёт возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты орга-низмом.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предло-женный Р. Фрейтасом [4; также см. 14] респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углеро-да, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие крове-заменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов). Более подробно возможная конструкция респи-роцита будет рассмотрена ниже.

Нанотехнологические сенсоры и анализаторы

Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является "лаборатория на чипе" (lab on a chip) [5]. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявля-ется электрическим путём или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ.

Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических ве-ществ.

Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.

В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс-выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков.

Интересную идею разрабатывают сразу несколько групп исследователей. Суть её состоит в том, чтобы "пропустить" молекулу ДНК (или РНК) через нанопору в мембране. Размер поры должен быть таким, чтобы ДНК проходила в "распрямлённом" виде, одно основание за другим. Измерение электрического градиента или квантового туннельного тока через пору позволило бы определить, какое основание проходит через неё сейчас. Основанный на таком принципе прибор позволил бы получить полную последовательность ДНК за один проход.

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы неко-торых типов позволяют, также, манипулировать отдельными молекулами и атомами.

Хороший обзор возможностей сканирующих микроскопов при изучении биологических объектов содер-жится в книге [6].

Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Дата добавления: 2014-01-11