Современная технология – нанотехнология - 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.
Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп[10, С.212-247]:
1. Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.
2. Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры). Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.
3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.
4. 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). Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.
5. 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.
6. Наноинструменты и наноманипуляторы. Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.
7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.
Нанотехнологии в медицине
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.
В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.
В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.
Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.
Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток.
Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.
Рис 1. Нано-роботы в крови человека
В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.
Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.
Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.
Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!
Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются.
Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.
Рис 2. Наномеханизмы в организме
Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.
Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.
Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитии исследований в этой области, они предложили установить правительственный контроль над исследованиями.
Такой надзор, может предотвратить случайную катастрофу, например когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.
Рей Курцвейл - к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку, по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.
Рис 3. Наноробот
Использование углеродных наноматериалов как биосовместимого модификатора медицинских имплантатов.
Использование нанотехнологий и наноматериалов бесспорно является одним из самых перспективных направлений науки и техники в XXI веке. Учитывая, что в перспективе ожидается тесный контакт человека и других биологических объектов с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.
В настоящее время основными областями применения наночастиц в технике, определяемыми их уникальными свойствами, отличными от свойств веществ в обычной (макродисперсной) форме, становятся создание высокопрочных, в том числе композитных, конструкционных материалов, микроэлектроника и оптика (микросхемы, компьютеры, оптические затворы), энергетика (аккумуляторы, топливные элементы, высокотемпературная сверхпроводимость), химическая технология (катализ), охрана окружающей среды (наночипы и наносенсоры).
В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов. В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки пестицидов и удобрений, для нанокапсули-рования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения для целей генной инженерии.
В медицине наноматериалы находят применение для целей транспорталекарственных средств, в шовных и перевязочных материалах, для создания биосовместимых имплантантатов и др. Область медицинских применений углеродных наноматериалов расширяется с каждым днем. Например, использование углеродных нанотрубок для устранения различных дефектов костей, в том числе связанных с удалением опухолей, травмами, патологией развития. В современной медицине заменяют «утерянную» кость искусственным материалом - имплантатом, что ни в коей мере не способствует костной регенерации. Плохая адгезия костной ткани к ортопедическому имплантату - давняя проблема протезирования. Рост костной ткани на них зачастую не происходит. Этих недостатков лишен биологически инертный титан. Увеличение содержания титана в организме даже на несколько порядков не вызывает ни рака, ни аллергии, ни отравления. Неудивительно, что пористый титан нашел самое широкое применение в медицине, и когда стал вопрос о поиске носителя для имплантатов, исследователи вновь обратились к этому материалу.
Важнейшим вопросом медицинского материаловедения является разработка методов и способов модификации поверхности титана и его сплавов с целью улучшения биологических свойств. В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных технологиям получения и исследованию физических свойств различных углеродных покрытий (нанотрубок, алмазоподобных ta-C, нанокомпозитов CNx, а-С:Н и др.). Уникальные свойства каждого типа покрытий позволяют использовать их в качестве защитных в оптической промышленности, электронике, в трибологических системах, в полупроводниковых устройствах и т.д. Помимо уникальных физических свойств, такие покрытия имеют большой потенциал их использования в медицине, о чем свидетельствуют многочисленные публикации, посвященные исследованию их биологических свойств.
Установлено, что структура покрытия, морфология его поверхности, состав, электрические свойства могут оказывать существенное влияние на адгезию клеток, их жизнеспособность, процессы размножения и т.д. Автором предложена технология получения наноуглеродного покрытия на поверхности пористого титана, включающая следующие стадии:
-подготовка поверхности биоимплантата;
-нанесение на подготовленную поверхность состава катализатора, приготовленного по специальной рецептуре для получения особо чистого углеродного наноматериала, пригодного для использования в медицинских целях;
-«выращивание» модифицирующего покрытия – слоя углеродного наноматериала «Таунит»;
-тонкая очистка образовавшегося слоя наноматериала от различных биологически – вредных примесей.Исследование структуры и морфологии покрытия проводится методами электронной микроскопии, наличие примесей в покрытиях определяется рентгеноспектральными методами. Использование любых новых материалов и соединений требует проверки на токсичность. Проблемы нанотоксикологии и биобезопасности используемых наноматериалов в последние годы выходят на одно из первых мест по важности и, соответственно, по числу работ в этой области. Нанотоксикология имеет дело с изучением взаимодействия наноструктур с биологическими системами с акцентом на объяснение связи между физическими и химическими свойствами наноматериалов (такими, как размер, форма, свойства их поверхности, состав и степень агрегации) с индукцией токсического ответа у биологических структур. Токсичность наносистем включает в себя физиологические, физико-химические и молекулярные аспекты.
Известно, что наночастицы могут проникать в организм через кожу, дыхательный тракт, желудочно-кишечный тракт. В прошлые годы большинство нанотоксикологических исследований проводилось с использованием модельных клеточных культур. Однако эти результаты требуют проверки в экспериментах на целом организме. В естественных условиях биологические системы чрезвычайно сложны и взаимодействие наноструктур с такими биологическими компонентами, как молекулы нуклеиновых кислот, белков и клетками в целом, приводят к их уникальному аспределению в тканях организма, возможному иммунному ответу и изменениям в метаболизме.
