Нанотехнологии в медицине

// // Нанотехнологии в медицине //

нанотехнологии в медицинеИдеи современной наномедицины были упомянуты еще Ричардом Фейнманом в его знаменитой лекции «Там внизу есть много места» в 1959 году. Тогда он говорил о возможности химических манипуляций на атомарном уровне и предположил, что когда-нибудь пациент будет просто «глотать хирургическую машину», которая прибудет на место и все подлатает. Прошло 50 лет и ученые все еще бьются над созданием такого хирурга, но Фейнмана, без сомнения, впечатлило бы то, что мы уже сделали на сегодняшний день. Наномедицина прочно завоевывает место в сфере доставки лекарств и диагностике.

Такая сфера знаний, как нанотехнологии в медицине, сравнительно молодая. Сам термин появился сравнительно недавно, немногим более 15 лет назад и направление это в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако, согласно мнению большинства экспертов, именно методы нанотехнологий в медицине станут основополагающими в 21 веке. Так, например, Американский Национальный институт здоровья включил наномедицину в пятерку самых приоритетных областей развития медицины в XXI веке.

Как все начиналось

Конечно, реалии наномедицины не вполне соответствуют мечтам Фейнмана. Бум кремниевой электроники 80-х предоставил химикам инструменты, необходимые для манипулирования веществом на молекулярном уровне. Однако тогда ученые не думали о возможном развитии биомедицины. «Мы тогда по сути играли, просто потому, что у нас была такая возможность», - говорит один из первопроходцев нанотехнологий, химик из университета Калифорнии Пол Аливизатос. Одним из наиболее примечательных его направлений стала работа с фуллеренами. «Я полагаю, что тогда стало очевидным, как много бы можем сделать в области медицины», - вспоминает ученый, - «Постоянно появлялось что-то неожиданное, например, использование фуллеренов в качестве носителей лекарств».

Многие открытия в сфере нанотехнологий в медицине были сделаны неожиданно. В середине 90-х профессор-фармаколог из Аризоны Фолькмар Вайссиг обнаружил, что хорошо известное композитное вещество может самособираться в пустотелую сферу диаметром 50 нм, сходную с липосомами и что такая сфера может доставлять ДНК или другой груз сквозь клеточную мембрану к митохондрии. В тот момент его это не заинтересовал, однако несколько лет спустя специалисты связали ряд заболеваний с неправильной работой митохондрий и теперь различные группы ученых занимаются разработкой точечной доставки вещества к митохондриям по методу Вайссига.

Варрен Чан из университета Торонто занимался квантовыми точками, наночастицами на основе кадмия диаметром от 1 до 6 нм, которые другие исследователи пытали применить для создания солнечных элементов. Однако Чан обнаружил, что эти точки, которые испускают свет различной длины волны, проще говоря, разного цвета в зависимости от размера, можно «прилепить» к белкам в клетке и сделать из них прекрасный инструмент диагностики. Они дают свечение в десять раз сильнее использовавшихся ранее веществ и гораздо менее подвержены фотообесцвечиванию, так что они работают намного дольше. В настоящее время практически каждый крупный университет проводит эксперименты с квантовыми точками в органических средах.

Скорый товарный с нанолекарствами

Нанотехнологии в медицине у большинства ассоциируются с нанороботами. Наиболее известным и многообещающим направлением наномедицины является точечная доставка лекарств. Идею ее мы уже обрисовали – наночастица выступает в роли носителя нескольких молекул препарата, которые доставляются непосредственно к пораженному участку.

Одной из целевых областей точечной доставки является рак. Возможно, именно нанотехнологии станут панацеей от этой страшной болезни. Главной идеей является инициация апоптоза, сокращения числа раковых клеток, с помощью точеной доставки цитотоксинов - особого вида антител, повреждающих клетки при их взаимодействии с их антигенами,или нарушающих работу клеток РНК, так что при этом не повреждаются здоровые клетки, что обычно происходит при современных методах лечения рака. Наночастицы можно создавать таким образом, что иммунная система не будет обнаруживать и отторгать их. Для этого используются тяжелые металлы, такие, как золото или кадмий, которые, вследствие их высокого соотношения площади поверхности к объему легко покрыть нуклеиновыми кислотами и белками.

Большая часть испытаний таких технологий пока проводится на лабораторных животных, но кое-что и на людях. Так, система доставки на золотых частицах для фактора некроза опухоли-α made находится уже во второй фазе клинических испытаний. Обычно этот препарат вводят малыми дозами из-за его высокой токсичности, однако когда его доставляют наночастицы, препарат высвобождается непосредственно в опухолевые клетки, так что дозировку можно радикально увеличивать.

О том, как оценивают перспективы лекарств с модифицированной системой доставки специалисты, можно судить по тому, что в настоящее время доля рынка таких лекарств составляет 20% от общего объема рынка фармпрепаратов.

Система доставки лекарств может применяться также для переноски фрагментов ДНК, содержащих ген, задача которого – выполнить ту или иную операцию, отрегулировать, запустить или приостановить тот или иной биологический механизм. К примеру, у людей, больных диабетом, тромбофлебитом, есть возникают трофические язвы. Они появляются вследствие нарушений кровоснабжения и приводят к некрозу тканей. Как правило, это приводит к ампутации конечности или к летальному исходу. Однако инновационная медицина предлагает следующее решение: мы можем взять известный нам  ген прорастания сосудов, который по ряду причин у этих людей не работает, синтезировать его, а затем ввести в больную ткань. Для выполнения последней операции мы моместим ген в наночастицу, окружим специальными веществами, которые легко разрушаются, придаем гену вид вируса, потому что наши клетки умеют захватывать вирус. В итоге ген под видом вируса подходит к клетке, она его захватывает и несет внутрь, в ядро. В ядре синтезированного гена считывается информация, вследствие чего начинает стимулироваться рост сосудов. В течение пары месяцев у человека вырастают новые сосуды и ампутации удается избежать.

В России разработки систем адресной доставки ведутся по двум направлениям: пассивный направленный транспорт (облегченное проникновение естественных барьеров) и специфическая доставка («узнавание» патологической ткани), что отвечает мировому уровню развития исследований в этой области. Практические результаты уже в ближайшее время могут быть достигнуты в области использования фос-фолипидных частиц, липосом и фуллеренов в качестве контейнеров для доставки препаратов (в том числе вакцин). В долгосрочной перспективе существующий в России научный задел позволяет довести до коммерческих прототипов специфические системы доставки на основе антител или аптамеров, способных избирательно связываться с патологически измененными клетками.

Подсветка изнутри

Немало привлекает ученых потенциал нанотехнологий для диагностики. Инновационные технологии предоставляют возможность детального отслеживания роста опухолей и перемещения химических веществ. Использование определенных типов наночастиц позволяет осуществлять прижизненную визуализацию отдельных патологически измененных клеток и даже молекул, являющихся маркерами распространенных заболеваний. Также флуоресцентные наночастицы могут накапливаться в опухолевых тканях, что облегчит работу вырезающего их хирурга, который будет видеть невооруженным глазом, не пропустил ли он где-то участки метастазов.

За прошлые несколько десятилетий методы визуализации стали решающим инструментом в постановке диагноза болезни. Однако нанотехнологии могут еще более улучшить работу с ядерно-магнитным резонансом и компьютерной томографией, дав им возможности, находящиеся далеко за пределами современного диагностического оборудования.

Контрастное вещество для молекулярной диагностики состоит из наночастиц, с которыми соединены визуализирующие компоненты и определенные антитела либо какие-нибудь другие молекулы, способные отыскать цель. Когда контрастное вещество вводится в кровеносное русло, его поисковые компоненты взаимодействуют с целевыми структурами на поверхности больной клетки по принципу «ключ-замок», и визуализирующие компоненты попадают в больные ткани. После этого остается «считать» визуализированную информацию. Одна европейская компания разрабатывает контрастные вещества на основе наноэмульсии перфторкарбона, каждая капелька которой несет по нескольку тысяч атомов гадолиниума. Таким образом, резко повышается контрастность.

Сложные молекулярные контрастные вещества, создаваемые на основе нанотехнолоий, пока еще не доступны для клинической практики, однако уже внедрены простые контрастные вещества, которые состоят из наночастиц окиси железа. Они обеспечивают высокую контрастность в диагностике заболеваний печени.

Вопросы внутренней безопасности

Впрочем, на фоне радужных перспектив наномедицины раздаются осторожные голоса, предупреждающие о возможной токсичности лечения наночастицами. Некоторые исследования, проведенные на клеточных культурах, показали, что наночастицы являются цитотоксинами. Впрочем, опыты на животных не позволяют однозначно прийти к такому выводу. Исследователи объясняют это тем, то при опытах на клеточных культурах вводилось слишком большое количество наночастиц.
В этой связи мы можем сослаться на мнение академика РАН, декана факультета фундаментальной медицины МГУ Всеволода Арсеньевича Ткачука. «Мы можем сделать так, чтобы наночастицы двигались не хаотично, а направленно, разумно, так мы обеспечим доставку лекарства в нужную часть клетки, - рассказывает академик, - но есть и ряд проблем, связанных с наночастицами. Дело в том, что, когда вещество измельчаешь, оно приобретает новые свойства, которые могут быть вредны. Например, они могут вызвать агрегацию белков, изменение структуры белков. Но агрегации можно избежать, если правильно сконструировать наночастицу, задать правильный заряд и размер, придать нужную шероховатость или выбрать верную дозу. Парацельс сказал, что «все в мире есть яд, и лишь только доля делает вещество безопасным». Для этого мы их тщательно проверяем, прежде чем использовать. Смотрим, как они влияют на морфологию, структуру, на деление, движение, на жизнь клетки».

Другой аспект, который вызывает озабоченность испытателей – последствия накопления в организме неразложимых металлов, из которых состоят наночастицы. Возможным решением этой проблемы станут саморазлагающиеся частицы.

Несмотря на все опасения, перспективы наномедицины в целом остаются обнадеживающими. Оптимисты предсказывают, что в скором времени ученым удастся объединить уже созданные по отдельности элементы, такие, как двигатели, манипуляторы, грузовой отсек в виде нанокапсул, и создать полноценного наноробота, который будет перемещаться по организму и диагностировать болезнетворные процессы, очищать кровь, улучшать работу клеток, регулировать баланс веществ, уничтожать инфекцию и больные клетки, а возможно – чем черт не шутит – позволит нам не стареть.