Нанотехнологии в медицине

Нанотехнологии в медицине

Рассмотрим применение нанотехнологий в повседневной медицинской практике. Например, выпущены повязки для обеззараживания ран, содержащие наночастицы серебра (10-30 нм). Наночастицы убивают даже те микроорганизмы, которые малочувствительны к стандартным антисептикам. Немецкие ученые ввели ионы серебра в одежду и постельное белье, которые рекомендуют использовать при экземе и других нарушениях кожного покрова.

Нанотехнологические методы могут применяться для создания надмолекулярных лекарственных капсул (в стадии разработки). Вводимые лекарства могут быть чрезвычайно сложными по структуре. Они будут находиться в надмолекулярных полых молекулах – транспортировочных нано-контейнерах с антенной, к которой прикреплены антитела сенсорных белков. При вступлении в контакт со структурами, принадлежащими агенту, вызвавшему заболевание – например, с внешней частью раковых клеток или бактериями, – антитела пристыковываются к ним и посылают сигнал в полую молекулу, которая открывается и выпускает содержимое. При помощи таких нанотехнологий большие дозы лекарств могут доставляться прямо в источник заболевания, не подвергая воздействию весь организм и сводя к минимуму побочные эффекты.

Нанокристаллы в диагностике. За последние десятилетия визуализация (возможность с помощью приборов видеть изменения органов и тканей) стала решающим инструментом в постановке диагноза болезни. Магнитный резонанс и компьютерная томография – превосходные методы, но нанотехнология обещает создать чувствительные и чрезвычайно точные инструменты для диагностики с возможностями, находящимися далеко за пределами современного оборудования. Основная цель такой диагностики состоит в том, чтобы позволить врачам идентифицировать болезнь как можно раньше. Ожидается, что нанотехнология сделает возможным постановку диагноза на клеточном и даже субклеточном (органоидном) уровне. В

последние годы обнаружено, что нанокристаллы позволяют исследователям изучить процессы в клетке на уровне отдельной молекулы. Это может значительно улучшить качество постановки диагноза и лечение раковых образований. Флуоресцентные полупроводниковые квантовые точки чрезвычайно полезны для визуализации клетки с высокой разрешающей способностью.

Рис. 54. Визуализация эритроцитов с помощью квантовых точек. а) – темнопольное изображение нативных эритроцитов человека; б) – изображение тех же самых клеток после декорирования их золотыми нанооболочками.

Таким образом, нанокристаллы могли бы совершить революцию в медицине, но, к сожалению, в большинстве своем они токсичны. Однако защитные покрытия для квантовых точек могут устранить этот недостаток.

ВОПРОС 1: Приведите примеры медицинского применения наночастиц серебра. Объясните принцип действия наноконтейнера.

ВОПРОС 2: Какие способы визуализации при диагностике используются в настоящее время? Каким образом нанотехнологии могут улучшить качество постановки диагноза?

Внутриклеточный наносенсор. Шведскими учеными создан новый тип внутриклеточного наносенсора, который измеряет уровень клеточного pH (показатель кислотности среды). В здоровых клетках этот показатель должен быть близок к значению, характерному для нейтральных растворов, и равному 7. Если рН сдвинут в кислую (ниже 7) или щелочную (для клеток, как правило, выше 7,5), это свидетельствует о нарушении нормального состояния клетки. Внутриклеточный сенсор поможет быстро определить, здорова клетка или нет.

Рис. 56. Наносенсор на основе наноштырей ZnO.

Сенсор представляет собой иглу, на конце которой расположен зонд диаметром 1,4 микрона, состоящий из наноштырей ZnO диаметром 80-100 и длиной до 900 нм. Благодаря небольшому размеру наноштырей, кончик зонда может свободно проникать в живую клетку и измерять уровень pH в реальном времени. Также зонд не делает большие проколы в клеточной мембране, что позволяет сохранить жизнеспособность клетки после измерений.

Экспресс-анализатор. Многие проекты нанотехнологий только разрабатываются, но есть и те которые являются реальными средствами современной медицины. Например, экспресс-анализаторы, называемые еще «лаборатории на чипе». Один чип размером порядка 4×4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, количественного определения белков и многого другого. При этом кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут. Примером такого устройства может служить миниатюрный и быстродействующий экспресс-анализатор, созданный учеными Калифорнийского университета, США (рис. 57).

Рис.57. Экспресс-анализатор.

Это устройство размером с мобильный телефон, которое может всего-лишь по одной капле крови выдать ее полноценный анализ и представляет собой биологическую лабораторию на чипе на основе углеродных нанотрубок. Капля крови поступает в смесительный резервуар, в котором она смешивается с антикоагуляторами, препятствующими ее свертыванию, затем – в специальный контейнер, где кровь «разжижается», что позволяет посчитать отдельные клетки. После разбавления крови образец поступает в сепаратор, где клетки отделяются друг от друга по размерам и направляются по отдельным конвейерам далее. Сепарация осуществляется благодаря гидродинамическим свойствам крови как жидкости. Устройство разрабатывалось в первую очередь для космонавтов. При длительных полетах дает информацию об образце в среднем за две минуты.

 

ВОПРОС 3: Что представляет собой биосенсор созданный шведскими учеными? Какой показатель внутриклеточной среды он измеряет?

ВОПРОС 4: В чем преимущества описанного наносенсора перед современными биосенсорами?

ВОПРОС 5: Для каких целей используется экспресс-анализатор, созданный учеными Калифорнийского университета, США? Какие нанообъекты лежат в его основе?