Будущее нанотехнологий в медицине

НОВЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Будущее нанотехнологий в медицине

Нанотехнология (НТ) - это термин, включающий в себя огромный набор разнородных способов, объектов и инструментов в различных отраслях науки и техники, объединенных контролируемым получением в объектах структурных элементов с размером хотя бы в одном измерении менее 100 нм. Поскольку структурными элементами всех материалов являются атомы и молекулы, размеры которых меньше 100 нм, то все разделы химии и все направления химической промышленности можно отнести к НТ так как они основаны на контролируемых реакциях атомов и молекул исходных реагентов с образованием атомов и молекул заданных продуктов реакций. Аналогичным образом к НТ можно отнести такие разделы биологии и медицины, как вирусология, микробиология и генетика, а также ряд направлений пищевой и фармацевтической промышленности.

НТ не является чем-то новым, что изобретено человечеством недавно. Достаточно вспомнить фотографию и катализ, которые существуют более столетия и имеют дело с нанообъектами. В любом учебнике общей химии можно прочитать, что «между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих этой форме новых физико-химических свойств - это ультрадисперсное, или коллоидное состояние вещества, образующееся при степени его дисперсности в области 10"5-10-7 см, в котором пленки имеют толщину, а волокна и частицы имеют размер в поперечнике в диапазоне 1-100 нм.

Исследования и разработки в области НТ сейчас активно развиваются более чем в 50 странах. Для эффективного использования имеющихся ресурсов и скорейшего внедрения НТ в США, Японии, Германии, Швеции, Франции, Китае и др. приняты национальные программы, руководителями которых являются первые лица государства. По прогнозам специалистов, в ближайшие 10 лет общемировой рынок НТ превысит 1 трлн долларов в год. Развитие НТ в настоящее время идет по нескольким основным направлениям: нанобиотехнология, наноэлектромеха-

ника, наноэнергетика, создание новых поколений функциональных и конструкционных наноматериалов и т.д.

Остановимся на некоторых разработках в области наномедицины.

Исследователи из Иллинойского университета разработали метод определения последовательности нуклеотидов ДНК с помощью передвижения молекулы ДНК через нанопоровый конденсатор полупроводникового чипа. Применяя компьютерную симуляцию, ученые продемонстрировали, что при передвижении молекулы ДНК через нанопору ее электрическое поле создает электростатические потенциалы, фиксируемые в верхнем и нижнем слоях мембраны конденсатора. Эти потенциалы являются специфичными для определенных последовательностей нуклеотидов, что позволяет секвениро-вать исследуемую молекулу ДНК. Новая методика позволит снизить стоимость секвенирования человеческого генома до 1000 долларов и менее. Это откроет новую эру в медицине, позволяя легче и быстрее диагностировать и лечить многие заболевания.

Пористый наносенсор сможет детектировать отдельные вирусы. Ученые из Нью-Йорка создали наносенсор, способный детектировать отдельные вирусы. В будущем это даст возможность распознавать различные вирусы: гриппа, в том числе птичьего, и др. Наносенсор представляет собой пластину из кремния с порами диаметром около 240 нм. Они образованы на кремниевой пластине с помощью электронно-лучевой литографии. Полная площадь наносенсора 40 мкм2. Это один из самых миниатюрных наносенсоров подобного типа. Принцип его действия достаточно прост: спектр луча лазера, отраженного от сенсора, изменяется, если в полость попало какое-либо тело. Детектором можно уловить эти изменения в спектре и на их основании сделать выводы о размерах частиц, попавших в полость сенсора. Так, к примеру, вирус гриппа А имеет диаметр около 100 нм, а гепатита - 50 нм.

Разработан наносенсор и для ДНК. Исследователи из нанотехнологическо-

го центра «Purdue's Birck» показали, что каналы нанопор могут быть использованы для быстрого и точного определения характерных последовательностей в ДНК для генных приложений в медицине, мониторинге окружающей среды и обеспечения безопасности. Тонкие каналы, имеющие размер от 10 до 20 нм в диаметре и несколько сотен нанометров в длину, были созданы в кремнии, затем каждый канал был модифицирован зондами из колец-заколок, построенных из ДНК, которые закреплялись внутри канала. Измерение подаваемого электрического импульса позволяет определить наличие в исследуемом растворе даже единственной молекулы односпиральной ДНК, комплементарной зонду. Тонкую мембрану с каналами помещают в жидкость, содержащую ДНК. Так как ДНК отрицательно заряжена, приложенное напряжение поперек мембраны заставляет молекулы ДНК из раствора двигаться через каналы. Измерением электрического тока поперек канала можно определить передвижение определенного типа нити ДНК. Когда молекула ДНК в растворе точно комплементарна таковой в каналах, импульс тока будет короче по сравнению с тем, когда даже один из нуклеотидов не совпадает. Детекция молекулы ДНК быстро и в малом количестве без необходимости присоединения к ним меток представляет потенциальную возможность для широкого спектра применений, где необходимо определение структуры ДНК.

Еще один вопрос был разрешен для восстановительной медицины: зачем имплантировать в мозг микросхемы? Можно вырастить из нейронов живой микрокомпьютер, который обеспечит связь мозга с электронными устройствами не хуже, чем электромеханический нейрошунт: ведь быстродействие системы в целом будет определяться ее более медленной живой составляющей. Полученные данные свидетельствуют о возможности использования наночастиц на основе полимеров или нанотрубок для доставки фактора роста нервов в мозг при системном введении. Идея совместить нанотрубки и нейроны

№4 • 2011

МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ |б9

Новые медицинские технологии |мн

вызвана тем, что ученые увидели сходство в их морфологии. Отростки нейронов тоже цилиндричны и напоминают по структуре нанотрубки. Известно, что на-нотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками электричества, поэтому с их помощью можно соединять отдельные нейроны между собой. Из стволовых клеток недавно вырастили сетчатку для больных наследственным пигментным ретинитом с намного лучшими характеристиками, чем искусственная. Нужно ли делать механические протезы, если можно вырастить живые? Ведь клеточные технологии позволят в ближайшем будущем выращивать новые органы взамен больных или травмированных. Искусственные почки, суставы, сердечные клапаны и другие органы уже существуют. Применение мезенхимальных стволовых клеток уже сейчас во много раз увеличивает способность организма к восстановлению, в том числе к восстановлению нервных клеток. Клетки с исправленными генами, которые приживаются в организме и восстанавливают здоровье пациента, - это уже сегодняшняя реальность, пусть пока и не поставленная на конвейер. И клетки с искусственным геномом, составленным из готовых блоков или полностью синтезированным, уже разработаны. Такие клетки в ближайшем будущем смогут выполнять многие функции, которые могли бы выполнять нанороботы.

Создать лекарство просто, труднее -доставить его по назначению. Крошечные, разлагаемые микроорганизмами частицы, наполненные лекарством, могут также стать решением некоторых больших проблем человеческого здоровья, включая рак и туберкулез. Их секрет - в размере упаковки. Исследователи из Принстонского университета создали частицы, которые могут доставлять лекарство глубоко в раковые клетки или больные клетки легких и не затрагивать здоровые клетки. Только частицы от 100 до 300 нм шириной (более чем в 100 раз тоньше человеческого волоса) могут быть загружены лекарством или меткой, например золотом или магнетитом, для усиления возможностей компьютерной томографии и магнитного резонанса. Для доставки лекарственных веществ в нужное место, к клеткам опухоли или определенной ткани, проще использовать не роботов, а антитела или искусст-

венные вирусы. Новый метод, названный «мгновенное наноосаждение», позволяет исследователям смешивать лекарства и материалы, которые инкапсулируют их. Наночастицы являются слишком большими, чтобы пройти через мембрану нормальных клеток, но они легко пройдут через большие дефекты в капиллярах, возникающих при быстром росте опухолей. Частицы такого размера также могли бы улучшить доставку вдыхаемых лекарств, потому что они являются достаточно большими, чтобы остаться в легких, но слишком маленькими, чтобы выводиться системой очищения легких. Это свойство могло бы увеличить эффективность ингаляционных систем прививок «без иглы» и создания аэрозольных вакцин против многих инфекций.

Исследователи из США совершили важный прорыв в разработке техники визуализации раковых клеток в коже с использованием золотых наностержней в качестве контрастного агента. Нано-стержни золота идеальны для использования в технике двухфотонной люминесценции, дающей более контрастное изображение по сравнению с обычными методами флуоресцентной микроскопии. Двухфотонная флуоресцентная микроскопия представляет собой очень перспективный метод для ранней диагностики эпителиальных злокачественных опухолей, так как позволяет неинвазивно исследовать объекты субклеточного размера на глубине в сотни микрометров в живых тканях. Наночастицы золота не только биосовместимы, но и позволяют получать изображения почти в 60 раз более яркие, чем при использовании обычных флуоресцентных маркеров. Исследователи использовали изготовленные ими наночастицы золота для маркировки клеток рака слизистой оболочки рта. Затем клетки изучали с использованием многофотонного микроскопа при облучении светом с длиной волны 760 нм. Люминесценция от меченых клеток была в 4000 раз ярче, чем от немеченых. Более того, исследователям удалось разглядеть клетки на глубине до 75 мкм. В настоящее время исследователи конструируют новый микроскоп, который позволит им заглянуть на всю глубину эпителия, т. е. до 500 нм. Это может позволить обнаруживать рак на очень ранней стадии. По словам исследователей, ни одна другая

техника визуализации в настоящее время не способна обеспечить такую глубину проникания при микронном разрешении. Помимо этого в планы исследователей входит использование наностержней золота для борьбы с раковыми клетками. Используя плазменную лазерную абляцию, можно нагревать область вокруг на-ностержней, уничтожая раковые клетки с куда более высокой точностью, чем это возможно с применением современных методов термотерапии.

Исследователями из университета Иллинойса создан наноразмерный зонд, который можно использовать для исследования отдельных органелл живых клеток. Отдельные нанотрубки-зонды могут проводить мониторинг электрохимических и биохимических процессов, происходящих в живых клетках. При этом положением наноэлектродов можно управлять очень точно. Для того чтобы изготовить подобные электроды, ученые взяли нанотрубку из нитрида бора, а затем присоединили ее к исследовательскому зонду большего размера, проводящему электричество. Благодаря тому, что нанотрубка была присоединена к более «массивному» окончанию, можно было легко манипулировать положением рабочего зонда-нанотрубки относительно биологических объектов. Наноманипулятор-зонд настолько миниатюрен, что его можно приложить даже к ядру клетки или отдельной митохондрии. В проведенном эксперименте ученые использовали наноэлектроды для того, чтобы изучить химическую среду капли диаметром 10 мкм.

Не отстает в разработках в области нанотехнологий и Россия. Президентом В.В. Путиным был подписан Федеральный закон «О Российской корпорации нанотехнологий». В соответствии с документом корпорация создается в целях реализации государственной политики в научно-технической и инновационной сферах, содействия переходу российской экономики на инновационный путь развития, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноин-дустрии. В настоящее время при Правительстве Российской Федерации действует совет по нанотехнологиям, который возглавляет вице-премьер С. Иванов.

В Институте электрофизики РАН с использованием НТ создан образец самого маленького рентгеновского аппарата в

70 МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ

№4 • 2011

мн| Новые медицинские технологии

мире. Благодаря своим размерам аппарат может найти применение в медицине при рентгеноскопии нетранспортабельных больных, в том числе в автомобилях «скорой помощи».

На Уральском оптико-механическом заводе через 3 года появятся опытные образцы станков, где будут применены узлы бесконтактной силовой наномеханики, сверхразрешающий трехмерный микроскоп для исследования объектов микро- и нанометрового диапазона, что даст возможность освоить производство приборов нового поколения для исследования материальной структуры и динамических процессов в микрообъектах и сделать открытия в микроэлектронике, медицине и биологии.

Холдинг «Юнона» совместно с Институтом реакторных материалов планирует разработать промышленную технологию дозирования радиоактивных наноэлементов в титановую капсулу для лечения раковых заболеваний. За счет использования при лечении раковых заболеваний цезия-131 снизится доза облучения организма, сократятся побочные эффекты.

В ООО «Спецкерамика» совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН и Свердловским областным клиническим психоневрологическим госпиталем для ветеранов войн создается опытно-промышленное производство и внедряются в практику ортопедии нового поколения

эндопротезы и имплантаты опорно-двигательной системы человека. Отечественная медицина получит керамические имплантаты нового поколения, не уступающие по своим характеристикам лучшим зарубежным аналогам.

В НИИ пульмонологии впервые в Свердловской области стали применять диагностику туберкулеза с помощью биочипов производства Института молекулярной биологии В.А. Энгель-гардта РАН.

Барыбин А.С., Мальчиков И.А., Александрова Н.Н. Будущее нанотехно-логий в медицине II Молекулярная медицина. - 2010. - № 1. - С. 3-7.

Инновационные косметологические разработки

В лаборатории роста клеток и тканей ИТЭБ РАН в 1992 г. был создан первый пленочный вариант препарата серии «Биокол». Изначально сферой его приме не ния бы ло ле че ние ожо гов 2-3 степени, трофических язв, зажив-ле ние по сле опе ра ци онных швов и профилактика образования грубых келоид-ных рубцов и др. В последующие годы пре па ра ты этой се рии со вер шен ст во-вались, были созданы гелевые формы («ЯеЗСегт»), нашедшие широкое применение в косметологии. Наиболее быстрый и выраженный эффект применения препарата в косметологии проявляется при его со че та нии с «трав мирую щими» косметическими процедурами, провоцирую щими пико вый всплеск ак тив но сти роста клеток кожи (кислотный, лазерный, ультразвуковой пилинги, микродер-

мообразия, мезотерапия, все виды фотопроцедур и пр.). Основным действующим началом препаратов серии «Биокол» является смесь полисахаридов с особенно стями фи зико-химиче ской струк ту ры, позволяющей одновременно оказывать воздействие на ткани в нескольких благоприятных направлениях: активировать ре ге не ра тор ную функ цию тка ней, в т.ч. фибробластов кожи. Кроме того, организм воспринимает препарат как родственную субстанцию, что позволяет отложить включение «аварийных» процессов ор га низ ма для срочно го за кры тия пораженных поверхностей, приводящих к образованию нефункциональных рубцовых участков. Другое отличительное свой ст во пре па ра та за клю ча ет ся в том, что содержащиеся в нем полисахариды создают отрицательно заряженные час-

тицы, которые, связываясь с положительно за ря женными ка тио на ми, белка ми, фер мен та ми, ток сина ми, па то генными микроорганизмами и др., нейтрализуют их. Кроме того, компоненты «Биокола», взаимодействуя с белковыми веществами раны, образуют защитный гель -оптимальную среду для роста клеток кожи и даль нейшей ее ре ге не ра ции.

К сожалению, на сегодняшний день на рынке косметологических средств практически отсутствуют кожные регенеранты, ко то рые мож но ис поль зо вать по сле травматических процедур, например, лазерного ожога кожи. Поэтому внедрение «Биокола» в качестве средства «постухода» после подобных процедур позволит «застраховать» процедуру омоложения.

1аврилюк Б. К. II Рус. мед. журн. -2009. - Т.17, №17. - С.1070-1071.

Клеточные технологии в ревитализации кожи лица

С возрастом обновление межклеточ-но го ве ще ст ва дер мы и син тез кол ла ге на замедляются, накапливаются поврежденные коллагеновые волокна, а количество гликозаминогликанов неуклонно снижается, кожа теряет влагу, истончается ее дермальный слой, что приводит к снижению упру го сти и эла стично сти. Дру гими сло ва ми, воз рас тной про цесс ста ре ния кожи связан с уменьшением числа юных и зрелых фибробластов.

Чтобы остановить процессы старения и за пус тить про грамму ре ви та ли-зации кожи, необходимо «активизировать» фибробласты. Поэтому введение в дерму собственных (аутологичных) или более юных (аллогенных) фибробластов является перспективным направлением эстетической медицины.

С 2004 г. в РГМУ в рамках Российской межотраслевой программы «Клеточные технологии - медицине» изучается возможность использования клеточных культур фибробластов для коррекции воз рас тных из ме не ний ко жи лица при старении и регенерации ран. Эта методика интрадермального введения культуры аутологичных фибробластов человека используется с 1994 г. американской компанией «Isolagen Technologies Inc.».

При использовании данного метода омоложения кожи аутологичные фибробласты, полученные из кожи доноров, вводятся пациенту сразу после их получения. Недостатком аутологичных фибробластов является невысокий пролиферативный потенциал, особенно у культуры, выделенной из кожи пожилых доноров. Для этого

в лаборатории РГМУ были разработаны две клеточные культуры: «суспензия аутологичных фибробластоподобных клеток человека, полученных из кожи пациента» и «суспензия фибробластоподобных клеток пуповины человека, полученных из пу по вины че ло ве ка по сле нор маль ных родов на 39-40-й неделе гестации».

После введения обоих клеточных культур отмечено повышение показателей эластичности, микроциркуляции кожи, уве личе ние ее толщины и глад ко сти. Следует подчеркнуть, что наибольший клинический эффект, наблюдаемый уже через 14 дней после первой процедуры, отмечен у пациенток, получавших алло-генные фиб роб ла сты пу по вины.

Бурунова В.В. и др. // Рус. мед. журнал. - 2009. - Т. 17. - С. 1058-1063.