книги / Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками

Применение ремонтно-восстановительных препаратов для безразборного сервиса определяется техническим состоянием автомобиля. При этом необходимость того или иного воздействия или препарата оценивается на основании результатов технической диагностики. По результатам диагностирования назначаются либо профилактические препараты более «мягкого» действия, либо препараты, обеспечивающие более интенсивное воздействие на трущиеся соединения и агрегаты автомобиля.

Рассмотренные нанопрепараты позволяют: значительно повысить износостойкость деталей; сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения; эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения; понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации. Разработки наиболее эффективны в условиях граничного трения, при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышенной температуре трения и «масляном голодании», характерных для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы, при режимах приработки и перегрузках. Образование устойчивых защитных металлических пленок – это достаточно продолжительный (постепенный) процесс, поэтому при испытаниях, а также штатной работе техники может не наблюдаться резкого (внезапного) улучшения эксплуатационных показателей, но обязательно отмечается их положительная динамика, существенно влияющая на повышение надежности и ресурса узлов и агрегатов техники.

7.9. Нанотехнологии в медицине

Область применения нанотехнологий в медицине обширна настолько, насколько обширна сама медицина: от покраски больничных стен специальными бактерицидными красками, содержащими наночастицы серебра, для борьбы с нозокомиальными инфекциями

ииспользования операционного белья из бактерицидных тканей снанонапылением для уменьшения послеоперационного инфицирования до создания искусственных органов и автономных микро-

инаносистем диагностики илечения.

171

Самый яркий и простой пример использования нанотехнологий в медицине и косметике – обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы мицеллы. Мыло – чудо нанотехнологий, оно уже было таковым, когда никто и не подозревал

осуществовании наночастиц.

Вмедицине проблема применения нанотехнологий в первую очередь связана с необходимостью изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять «молекулярную хирургию» с помощью наноботов [8].

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания ро- ботов-врачей – перваяполовинаXXI века(рис. 7.18).

Рис. 7.18. Наноботы

Наноботы, или молекулярные роботы, могут участвовать 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. Таким образом, меняя геном отдельных клеток, возможно любым образом трансформировать сам организм. Основная сложность снанотехнологией – это проблема создания первого нанобота. Существует несколькомногообещающих направлений:

172

– Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа

идостижении позиционной точности и силы захвата.

–Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез – возможность спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

–Третий путь связан с биохимией. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Р. Курцвейл утверждает, что к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку. По оценкам Р. Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030–2035 годах.

Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельныеклетки ивзаимодействоватьсотдельными нейронами.

Внанотехнологиях есть особая отрасль, которая базируется на использовании биологических наномолекул, – бионанотехнология. Одно из ее направлений – создание различных молекулярных устройств. Среди них, например, биосенсоры для выявления каких-либо веществ, присутствующих в окружающей среде или организме человека, устройства для детектирования определенных нуклеотидных последовательностей с целью обнаружения мутаций.

Бионанотехнологии – огромная пограничная область – существует благодаря «содружеству» с физической нанотехнологией

ифизическими методами исследования. Один из примеров – использование квантовых капель, или точек. Это очень сильно светящаяся структура небольших размеров из неорганических материалов. Их, например, запускают в организм для определенных целей или используют в диагностических системах. Квантовые капли удобны тем, что флуоресцируют и хорошо заметны, а кроме того, они стабильны (в отличие от органических молекул).

173

Данное направление развивается быстрыми темпами и уже много дало медицинской диагностике: в медицине на сегодняшний день широко применяется иммуноферментный, иммунофлуоресцентный анализ, амплификация нуклеиновых кислот с помощью полимеразной цепной реакции. Вся медицинская диагностика, которая задействует современную технику, основана на использовании комплексов молекул: одна большая молекула узнает другую большую молекулу, и после этого включается сигнал (обычно это световая индикация на определенной длине волны). Например, если взять одну цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты, то она среди множества других найдет только одну, которая ей подходит, и тогда две цепочки ДНК образуют спиральную структуру. На этом молекулярном узнавании все и основано: если использовать данный принцип для создания различных устройств, можно получить совершенно удивительные конструкции. Ученые уже научились делать из ДНК самособирающиеся слои разных конфигураций. Для этого берут несколько ДНК, и биомолекулы в растворе сами находят друг друга и сами строят заданные архитектурные сооружения – длинные разветвленные цепочки, трехмерные структуры, шарики, словом, любые фантастические конструкции, поскольку может быть задана любая форма. В данной области происходит постоянное совершенствование техники и усложнение наноконструкций.

Адресная доставка лекарств – метод (процесс) введения фармацевтических препаратов для достижения терапевтического эффекта у людей и животных. Чтобы лекарство было эффективным, важно, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т.д. Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии (рис. 7.19).

Такая адресная доставка обеспечивает более эффективное действие лекарства и сохраняет окружающие ткани. У наноча- стиц-лекарей несколько последовательных задач. Им надо найти

174

в организме клетки-мишени, пройти через все барьеры, доставить к ним субстанцию для лечения или диагностики, затем проникнуть внутрь клетки и выгрузить содержимое. После выполнения своей задачи судьба наночастиц – распасться на части

Рис. 7.19. Наноконструкции для селективной внутриклеточной доставки лекарств [8]

и покинуть организм. Для того чтобы обеспечить выполнение всех этих этапов действий, им надо обладать некоторыми вполне определенными свойствами: иметь рецепторы для направленного движения к цели, обладать способностью проходить через клеточные мембраны, высвобождать содержимое точно в нужное время и в нужном месте, быть нетоксичными. Мишени, на которые направлены наночастицы, это, к примеру, раковые клетки, клетки, зараженные вирусом, атеросклеротические бляшки и поврежденные органы. Барьеры, которые встают на пути наночастиц, многообразны: стенки желудочно-кишечного тракта, стенки капилляров, гемато-энцефалический барьер (между кровью и клетками мозга), мембрана клетки и мембраны клеточных органелл. Выгрузка содержимого в нужном месте – очень важный

175

этап. Если лекарство не освободится в мишени, оно не сработает. Если оно выйдет наружу по пути к цели, будет еще хуже: оно сработает не там, где надо, и в результате пострадают прочие ткани. Чтобы обеспечить правильное высвобождение субстанции, его надо контролировать, а для контроля служат либо факторы внешней среды: температура, рН, специфические ферменты, либо время. Мировой объем продаж лекарств с модифицированной системой доставки в настоящее время составляет 20 % от общего объема рынка фармпрепаратов.

Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека трансдермальный (через кожу). Именно из-за его простоты пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости от их молекулярной массы (размеров) или физикохимических свойств. Тем не менее для описанных ниже нанопереносчиков трансдермальный метод рассматривается лишь как один из возможных способов транспортировки нанообъектов. На рис. 7.20 изображены наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул.

Рис. 7.20. Наночастицы для доставки терапевтических молекул:

а– липосома и аденовирус; б – полимерная наноструктура; в – дендример;

г– углеродная нанотрубка

176

Уже давно известны различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы, образующиеся в растворах липидов. Интерес для практических целей могут представлять липосомы размерами не более 20–50 нм, которые и используются как средства доставки лекарственного препарата к биологической мишени. Кроме того, сама природа заблаговременно подготовила большой набор нанопереносчиков, например вирусов. Обработанные определенным образом, аденовирусы могут быть эффективно использованы для вакцинации через кожу. К искусственным биогенным наночастицам, способным к направленной доставке, помимо липосом относят также липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии липидного происхождения, некоторые циклические пептиды, хитозаны, наночастицы из нуклеиновых кислот [8].

Бактерии как нанобиомашины, доставляющие лекарст-

ва. Уже доказано, что бактерии можно использовать в качестве средства точечной доставки лекарств к больным тканям. Специалисты запустили в кровяную систему крысы бактерии MC–1. Эти бактерии способны быстро двигаться за счет вращения своих жгутиков, но кроме того, они содержат магнитные наночастицы, что делает их чувствительными к магнитному полю и заставляет двигаться вдоль силовых линий. Такие силовые линии способно создавать, например, устройство магнитного резонанса. Исследователи считают, что прежде чем пытаться создавать искусственные наномашины, способные продвигаться по телу человека, следует обратить внимание на уже существующие создания природы.

Наносферы и нанокапсулы относятся к семейству полимерных наночастиц. Если наносферы являются цельными матрицами, на полимерной поверхности которых распределяется активное вещество, то в нанокапсулах полимерная оболочка образует полость, наполненную жидкостью. Вследствие этого активное вещество выделяется в организм по различным механизмам: высвобождение из наносфер носит экспоненциальный характер, а из нанокапсул происходит с постоянной скоростью

177

в течение длительного времени. Полимерные наночастицы можно получить из естественных либо синтетических полимеров, каковыми являются полисахариды, полимолочная и полигликолевая кислоты, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его аналоги и др. Полимерные материалы характеризуются набором таких ценных свойств для лекарственного транспорта, как биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость.

Дендримеры способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например раковые.

Исследователи в научно-исследовательском центре нанотехнологии Imec (Левен, Бельгия) продемонстрировали биодатчики, основанные на новых наноконструкциях, которые увеличивают чувствительность и позволяют обнаруживать чрезвычайно низкие концентрации определенных маркеров раковой болезни. Это открывает возможности для ранней диагностики рака. При помощи новых наночастиц можно идентифицировать и измерить чрезвычайно низкие концентрации определенных молекул. Они позволяют сконструировать диагностические системы с увеличенной чувствительностью и надежностью. Диагностика становится эффективной и более дешевой. Следующим шагом станет не только выявление болезни, но и ее лечение, которое основано на разрушении раковых клеток при помощи связанных с ними наночастиц. Imec разрабатывает системы биодатчиков, использующих явление, известное как плазменный резонанс на ограниченных поверхностях (рис. 7.21). Применяются в данном случае наноструктуры из благородных металлов.

Биодатчики основаны на оптическом обнаружении изменения в спектре наноструктур после закрепления маркера болезни. Чувствительность обнаружения может быть увеличена методом изменения морфологии и размера наноструктур благородного металла. Системы биодатчиков недороги и легко применимы к измерению различных биопараметров. Imec работает с золотом нарушенной симметрии, наноструктуры комбинируют нанокольца и нанодиски. По многим параметрам новые конфигу-

178

рации выигрывают у традиционных – наносфер, поэтому они больше подходит для практического применения в чувствительных системах биодатчика.

Рис. 7.21. Наночастицы в тканях опухоли: слева здоровые клетки, справа раковые клетки с наночастицами [8]

Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Точно так же микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа: они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного, которые будут вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.

Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита, а уже потом на эту основу приклеивались собственные костные клетки человека – таким материалом можно замещать дефекты костей после травм или операций.

Другая разработка, напротив, не дает клеткам приклеиваться к поверхности. Это нужно, к примеру, для создания биореакторов, в которых будут содержаться стволовые клетки. Пробле-

179

ма в том, что, как только стволовая клетка «села» на какую-то поверхность, она немедленно начинает специализироваться – превращаться в клетку конкретной ткани. А чтобы она сохраняла свой потенциал, надо не давать ей «присесть».

Искусственно сконструирована клетка-респироцит, которая сможет заменить недостающие в крови эритроциты: она умеет переносить и кислород, и углекислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.

Диагностика генетических маркеров заболеваний является одним из наиболее распространенных направлений использования нанотехнологий в медицинских исследованиях. Для идентификации диагностических и прогностических маркеров многих заболеваний применяют биологические микрочипы. Чип – это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам – белкам, токсинам, аминокислотам и т.п. Очевидно, что достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам, а потом прибор-анализатор считает информацию.

Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии, позволяют уже сейчас практически мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п.

Таким образом, широкое внедрение нанотехнологий в биологию и медицину может способствовать повышению качества оказания медицинской помощи населению и приводить к улучшению ближайших и отдаленных результатов лечения пациентов с различной патологией.

Кровяные пузырьки и магнитные наночастицы для лечения заболеваний мозга

Аквалангисты хорошо знают об опасности пузырьков воздуха, образующихся в крови: кессонная болезнь может привести к гибели. Но пузырьки в кровотоке могут играть и положитель-

180