Naukowcy twierdzą, że ostatnie postępy w nanotechnologii mogą być bardzo pomocne w walce z rakiem. Lek przeciwnowotworowy został opracowany bezpośrednio na cel – na komórki dotknięte nowotworem złośliwym. Nowy system oparty na materiale zwanym biosilikonem. Nasilikon ma porowatą strukturę (średnica dziesięciu atomów), do której wygodnie jest włączać leki, białka i radionuklidy. Po osiągnięciu celu biosilikon zaczyna się rozpadać, a dostarczane do niego leki są zabierane do pracy. Ponadto, według twórców, nowy system pozwala dostosować dawkowanie leku.

Przez ostatnie lata pracownicy Centrum Nanotechnologii Biologicznej pracowali nad stworzeniem mikroczujników, które posłużą do wykrywania komórek nowotworowych w organizmie i walki z tą straszną chorobą.

Nowa technika rozpoznawania komórek nowotworowych polega na wszczepianiu do organizmu człowieka niewielkich kulistych zbiorników wykonanych z syntetycznych polimerów zwanych dendrymerami (od greckiego dendronu – drzewo). Polimery te zostały zsyntetyzowane w ciągu ostatniej dekady i mają zupełnie nową, niestałą strukturę, która przypomina strukturę korala lub drewna. Takie polimery nazywane są hiperrozgałęzionymi lub kaskadowymi. Te z nich, w których rozgałęzienia są regularne, nazywane są dendrymerami. Średnica każdej takiej kuli, czyli nanoczujnika, sięga zaledwie 5 nanometrów – 5 miliardowych części metra, co pozwala na umieszczenie miliardów takich nanoczujników na niewielkim obszarze przestrzeni.

Wewnątrz ciała te maleńkie czujniki przenikają do limfocytów – białych krwinek, które zapewniają obronę organizmu przed infekcjami i innymi czynnikami chorobotwórczymi. Wraz z odpowiedzią immunologiczną komórek limfoidalnych na określoną chorobę lub warunki środowiskowe - na przykład przeziębienie lub narażenie na promieniowanie - zmienia się struktura białka komórki. Każdy nanoczujnik, pokryty specjalnymi odczynnikami chemicznymi, będzie świecił przy takich zmianach.

Aby zobaczyć tę poświatę, naukowcy stworzą specjalne urządzenie skanujące siatkówkę oka. Laser takiego urządzenia powinien wykrywać świecenie limfocytów, gdy przechodzą one jeden po drugim przez wąskie naczynia włosowate dna oka. Naukowcy twierdzą, że jeśli w limfocytach jest wystarczająca liczba oznakowanych czujników, wykrycie uszkodzenia komórki zajmie 15 sekund.

Tutaj spodziewany jest największy wpływ nanotechnologii, ponieważ dotyka ona samej podstawy istnienia społeczeństwa – człowieka. Nanotechnologia osiąga taki wymiarowy poziom świata fizycznego, w którym rozróżnienie między żywym a nieożywionym staje się niestabilne – są to maszyny molekularne. Nawet wirus może być częściowo uznany za żywy system, ponieważ zawiera informacje o jego budowie. Ale rybosom, chociaż składa się z tych samych atomów, co cała materia organiczna, nie zawiera takich informacji i dlatego jest tylko organiczną maszyną molekularną. Nanotechnologia w swojej zaawansowanej postaci polega na budowie nanorobotów, maszyn molekularnych o nieorganicznym składzie atomowym, maszyny te będą mogły budować swoje kopie, posiadając informacje o takiej strukturze. Dlatego granica między żywym a nieożywionym zaczyna się zacierać. Do tej pory powstał tylko jeden prymitywny chodzący robot DNA.

Nanomedycynę reprezentują następujące możliwości:

• 1. Laboratoria na chipie, ukierunkowane dostarczanie leków do organizmu.
• 2. DNA - chipy (tworzenie pojedynczych leków).
• 3. Sztuczne enzymy i przeciwciała.
• 4. Sztuczne narządy, sztuczne polimery funkcjonalne (zamienniki tkanek organicznych). Kierunek ten jest ściśle związany z ideą sztucznego życia i w przyszłości doprowadzi do powstania robotów o sztucznej świadomości i zdolnych do samoleczenia na poziomie molekularnym. Wynika to z ekspansji koncepcji życia poza organiczne
• 5. Nanoroboty-chirurdzy (biomechanizmy dokonujące zmian i wymagane działania medyczne, rozpoznawanie i niszczenie komórek nowotworowych). Najbardziej radykalnym zastosowaniem nanotechnologii w medycynie będzie stworzenie molekularnych nanorobotów, które mogą niszczyć infekcje i nowotwory nowotworowe, naprawiać uszkodzone DNA, tkanki i narządy, duplikować całe systemy podtrzymywania życia organizmu i zmieniać właściwości organizmu.

Traktując pojedynczy atom jako cegłę lub „detal”, nanotechnologia poszukuje praktycznych sposobów projektowania materiałów o określonych właściwościach z tych części. Wiele firm już wie, jak składać atomy i cząsteczki w jakąś strukturę.

W przyszłości wszelkie molekuły będą składane jak dziecięcy zestaw konstrukcyjny. W tym celu planowane jest wykorzystanie nanorobotów (nanobotów). W rzeczywistości można zbudować dowolną stabilną chemicznie strukturę, którą można opisać. Ponieważ nanobota można zaprogramować do budowy dowolnej konstrukcji, w szczególności do zbudowania kolejnego nanobota, będą one bardzo tanie. Pracując w ogromnych zespołach, nanoboty będą w stanie stworzyć dowolny obiekt przy niskich kosztach i wysokiej dokładności. W medycynie problemem zastosowania nanotechnologii jest konieczność zmiany struktury komórki na poziomie molekularnym, tj. przeprowadzać „chirurgię molekularną” za pomocą nanobotów. Oczekuje się, że powstanie molekularnych lekarzy-robotów, którzy będą mogli „żyć” w ludzkim ciele, eliminując wszelkie występujące uszkodzenia lub zapobiegając ich występowaniu. Manipulując pojedynczymi atomami i cząsteczkami, nanoboty mogą naprawiać komórki. Przewidywana data powstania lekarzy-robotów, pierwsza połowa XXI wieku.

Pomimo obecnego stanu rzeczy nanotechnologia jako kardynalne rozwiązanie problemu starzenia się jest więcej niż obiecująca.

Wynika to z faktu, że nanotechnologia ma ogromny potencjał do zastosowań komercyjnych w wielu gałęziach przemysłu, a co za tym idzie, oprócz poważnych funduszy rządowych, badania w tym kierunku są prowadzone przez wiele dużych korporacji.

Możliwe, że po ulepszeniu, aby zapewnić " wieczna młodość„Nanoboty nie będą już potrzebne lub będą produkowane przez samą komórkę.

Aby osiągnąć te cele, ludzkość musi rozwiązać trzy główne pytania:

• 1. Projektuj i twórz roboty molekularne, które potrafią naprawiać cząsteczki.
• 2. Projektować i tworzyć nanokomputery, które będą sterować nanomaszynami.
• 3. Stwórz pełny opis wszystkich cząsteczek w ludzkim ciele, innymi słowy stwórz mapę ludzkiego ciała na poziomie atomowym.

Główną trudnością z nanotechnologią jest problem stworzenia pierwszego nanobota. Istnieje kilka obiecujących możliwości.

Jednym z nich jest udoskonalenie skaningowego mikroskopu tunelowego lub mikroskopu sił atomowych oraz uzyskanie dokładności pozycjonowania i siły chwytu.

Innym sposobem na stworzenie pierwszego nanobota jest synteza chemiczna. Być może zaprojektuje i zsyntetyzuje pomysłowe składniki chemiczne, które są zdolne do samoorganizacji w roztworze.

A inna ścieżka prowadzi przez biochemię. Rybosomy (wewnątrz komórki) to wyspecjalizowane nanoboty, które możemy wykorzystać do stworzenia bardziej wszechstronnych robotów.

Te nanoboty będą w stanie spowolnić proces starzenia, leczyć poszczególne komórki i wchodzić w interakcje z poszczególnymi neuronami.

Prace nad badaniem rozpoczęły się stosunkowo niedawno, ale tempo odkryć w tej dziedzinie jest niezwykle wysokie, wielu uważa, że ​​to przyszłość medycyny.

Nauka idzie naprzód skokowo. Szybki rozwój technologii umożliwił stworzenie aplikacji i urządzeń, które otwierają nieskończone możliwości w różnych dziedzinach medycyny. Wykorzystując nanotechnologię w medycynie, człowiek coraz bardziej zbliża się do zrozumienia, jakie procesy zachodzą w jego ciele, zarówno na poziomie komórkowym czy molekularnym, jak i na poziomie atomowym czy w nanoskali.

Nanoboty to kolejna generacja nanomaszyn. Potrafią wyczuwać i dostosowywać się do zmian w swoim środowisku, wykonywać złożone obliczenia, komunikować się, aktywnie poruszać, montować na poziomie molekularnym, dokonywać napraw, a nawet mieć potomstwo. Tak zaawansowana nanotechnologia ma ogromny potencjał do zastosowania w medycynie.

Nanokomputery. To maszyny, które umożliwiają sterowanie nanorobotami. Chęć tworzenia nanokomputerów, a także chęć produkowania komputerów kwantowych otwierają nieograniczone możliwości wykorzystania nanotechnologii w medycynie.

Oto tylko kilka przykładów zastosowania nanotechnologii w medycynie:

1. Regeneracja na poziomie komórkowym. Uszkodzone komórki w organizmie są często niemożliwe lub bardzo trudne do naprawy, ponieważ są bardzo małe. Jednak nanotechnologia w medycynie umożliwia przełamanie tej zasady. Nanoboty, a także inne urządzenia, mogą być wykorzystywane do manipulacji, które należy przeprowadzić na poziomie molekularnym, aby naprawić komórki.
2. Choroby układu sercowo-naczyniowego. Istnieje realna okazja, aby dowiedzieć się, jak wykorzystać nanotechnologię w medycynie serca. W szczególności nanoroboty mogą pełnić wiele funkcji, takich jak naprawa uszkodzonej tkanki serca.Innym zastosowaniem nanotechnologii w medycynie jest oczyszczanie tętnic z blaszek miażdżycowych i eliminowanie innego rodzaju problemów.
3. Lek na raka. Pierwsze kroki, w których nanotechnologia została zastosowana w medycynie onkologicznej, zostały już podjęte i odniosły wielki sukces.Funkcjonalność niektórych nanourządzeń pozwala na najdokładniejsze namierzanie i niszczenie komórek nowotworowych bez szkody dla otaczających je zdrowych komórek.
4. Starzenie się. Nanotechnologia w medycynie może być wykorzystywana do niwelowania niektórych oznak zbliżania się do starości, np. technologia laserowa może wpływać na pojawianie się na skórze związanych z wiekiem zmian, takich jak plamy, linie czy zmarszczki. W niedalekiej przyszłości, dzięki potężnej nanotechnologii, nie będzie możliwe całkowite wyeliminowanie takich objawów w centrum medycznym.
5. Implantacja urządzeń Implanty, które obecnie stosuje tradycyjna medycyna, zostaną zastąpione wprowadzeniem do organizmu nanorobotów w celu stworzenia niezbędnych struktur wewnątrz organizmu.
6. Nanopęsety. To urządzenie jest kolejnym doskonałym przykładem zastosowania nanotechnologii w medycynie. Przeznaczony jest do pracy z nanostrukturami. Nanopęsety można wykorzystać do przemieszczania nanourządzeń w ciele lub do pozycjonowania takich urządzeń przed instalacją. Z reguły do ​​budowy nanopęsety wykorzystuje się nanorurki.
7. Dostawa leków i leków. Automatyczne urządzenia, które dostarczają leki do organizmu, zwiększają spójność między jego systemami, ponieważ dostarczają one dokładnie tego systemu, który ich potrzebuje wraz z lekami. Taka nanotechnologia w medycynie umożliwia zaprogramowanie systemów dostarczania tak, aby uwalniały określone leki we właściwym czasie i bez możliwości popełnienia błędu przez człowieka.
8. Wirtualna rzeczywistość. Nanotechnologia w medycynie ułatwia lekarzom badanie ludzkiego ciała poprzez stosowanie iniekcji nanobotów. Stworzona wirtualna rzeczywistość pomaga pracownikom medycznym uczynić niektóre złożone operacje bardziej „realistycznymi”
9. Regeneracja kości. Zastosowanie nanotechnologii pomaga przyspieszyć regenerację kości. Nanocząsteczki mają różne skład chemiczny w stanie się połączyć tkanka kostna a nawet pomoc w przypadkach urazów rdzenia kręgowego.
10. Terapia genowa. Nanotechnologia w medycynie jest również wykorzystywana do penetracji ludzkiego ciała w celu dokonania korekty jego genomu. W rezultacie umożliwi to wyleczenie wszelkiego rodzaju chorób genowych.
11. Komórki macierzyste. Nanotechnologia w medycynie może pomóc dojrzałym komórkom macierzystym przekształcić się w dowolny pożądany typ komórki. Badania na myszach wykazały możliwość przekształcenia dorosłych komórek macierzystych w funkcjonujące neurony za pomocą nanorurek.
12. Wyobrażanie sobie. Zastosowanie nanotechnologii w medycynie pozwala na szybkie uzyskanie konkretnego i bardzo dokładnego obrazu. Obrazowanie molekularne może poprawić diagnostykę różnych chorób.
13. Cukrzyca. Pobieranie krwi do pomiaru poziomu cukru we krwi staje się zbędne, jeśli w medycynie stosuje się nanotechnologię, taką jak soczewki. Umożliwiają określenie obecności cukru we krwi poprzez zmianę ich koloru.
14. Chirurgia. Taki wynalazek nowoczesny świat, jako dzisiejsi chirurdzy-robotycy nikogo nie zaskoczycie. Podczas gdy nanochirurgia jest obiecującą branżą dla wykorzystania niektórych laserów, nanourządzenia są zaprogramowane do wykonywania operacji chirurgicznych.
15. Padaczka. To kolejny problem, dla którego nanotechnologia jest wykorzystywana w medycynie. Opracowywane są nanoczipy, które mogą kontrolować napady padaczkowe. Mają za zadanie wychwytywać sygnały wysyłane przez mózg, analizować je i dostosowywać mózg tak, aby ułatwiał kontrolę napadów.
16. Sensoryczna informacja zwrotna. Nanochipy mogą pomóc ludziom, którzy utracili zdolność wyczuwania własnego ciała, przechwytując impulsy elektryczne i interpretując je.
17. Zarządzanie protezą. Nanotechnologia w medycynie protetycznej również znajduje swoje należne miejsce. Pomagają mózgowi radzić sobie z zarządzaniem protezami. Jest już wystarczająco dużo przykładów, kiedy nanoczipy zostały użyte w tym celu.
18. Kontrola medyczna. Dzięki zastosowaniu nanotechnologii w medycynie możliwe stało się kontrolowanie stanu układów organizmu. Nanochipy wszczepione w organizm mogą monitorować stan zdrowia i przesyłać otrzymane informacje do komputera lub innego urządzenia elektronicznego.
19. Raporty medyczne: Oprócz monitorowania własnych systemów organizmu, nanotechnologia w medycynie może być wykorzystywana do wysyłania wiadomości informacyjnych do dostawców zapewniających usługi medyczne zwiększając tym samym efektywność elektronicznej dokumentacji medycznej.
20. Zapobieganie chorobom Nanotechnologia w medycynie może faktycznie zapobiegać występowaniu różnych chorób. Tak więc nanourządzenia, jeśli są odpowiednio zaprogramowane, mogą pomóc uniknąć wielu chorób, identyfikując problemy, zanim staną się poważnymi. Mogą również pomóc w zapobieganiu wystąpieniu chorób przewlekłych.
21. Diagnostyka prenatalna. Nanotechnologia jest wykorzystywana w medycynie do diagnostyki prenatalnej. Nanourządzenia mogą penetrować macicę, a nawet sam płód, nie powodując żadnych uszkodzeń. W ten sposób są w stanie pomóc zidentyfikować i wyeliminować problemy płodu, które pojawiają się jeszcze w łonie matki.
22. Medycyna indywidualna Dzięki możliwości dostosowania się do genomu każdej osoby nanotechnologia w medycynie umożliwia najdokładniejsze przepisanie leczenia, a także określenie jego przebiegu z uwzględnieniem indywidualnych potrzeb organizmu.
23. Badania Nanotechnologia w medycynie umożliwia szybki postęp badań medycznych, dostarczając do tego niezbędnych narzędzi, dzięki którym człowiek dowiaduje się nowych rzeczy o funkcjonowaniu i budowie swojego ciała. A dzięki badaniom prowadzonym w dziedzinie chemii i fizyki nanotechnologia w medycynie może dostarczyć organizmowi człowieka niezbędnego budulca.

05 października 2009

Medycyna i farmaceutyka w nanoświecie

Redaktorzy STRF nadal publikują materiały dotyczące nanotechnologii. Tym razem skupimy się na nanomedycynie, która w ostatnich latach rozwija się wyjątkowo szybko i przyciągnęła uwagę nie tylko swoimi czysto realnymi osiągnięciami, ale także wkładem społecznym.

Nanotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną fundamentalnych i nauka stosowana i technologii, która jest zbiorem uzasadnień teoretycznych, technik i metod stosowanych w badaniach, projektowaniu, produkcji i stosowaniu nanostruktur, urządzeń i systemów, w tym ukierunkowanej kontroli i modyfikacji kształtu, wielkości, interakcji i integracji ich składowych elementów w nanoskali (około 1-100 nm), aby uzyskać obiekty o nowych właściwościach chemicznych, fizycznych, biologicznych.

W zasadzie nanotechnologia umożliwi tworzenie absolutnie dowolnych obiektów poprzez manipulowanie poszczególnymi atomami substancji. Zastępując inne technologie, pozwoli nie tylko pokonać starzenie się i choroby, ale także zapewni ludzkości fantastyczne bogactwo materialne. W praktyce nanotechnologia w medycynie, farmacji i dziedzinach pokrewnych rozwiązuje dziś następujące główne zadania:

• Tworzenie ciał stałych i powierzchni o zmienionej strukturze molekularnej. W praktyce da to metale, związki nieorganiczne i organiczne, nanorurki, biokompatybilne polimery (tworzywa sztuczne) i inne materiały naśladujące tkanki żywych organizmów, służące jako nośniki leków lub implanty.
• Rozwój technologii nanokontenerów do wektorowego dostarczania leków.
• Synteza nowych związków chemicznych poprzez tworzenie cząsteczek bez reakcji chemicznych. W ciągu najbliższych 10–20 lat doprowadzi to do powstania całkowicie nowych leków, które syntetycy, farmaceuci i lekarze „zaprojektują” w oparciu o konkretną chorobę, a nawet konkretnego pacjenta.
• Rozwój samoreplikujących się (samopowielających się) systemów opartych na biopodobnych - bakterie, wirusy, pierwotniaki.
• Tworzenie precyzyjnych nanomanipulatorów medycznych i urządzeń diagnostycznych.

Biorąc pod uwagę pojedynczy atom jako część, nanotechnologowie opracowują metody konstruowania materiałów o określonych właściwościach z tych części. Wiele firm już wie, jak składać atomy i cząsteczki w jakąś strukturę. W przyszłości wszelkie molekuły będą składane jak dziecięcy zestaw konstrukcyjny, ponieważ można zbudować dowolną stabilną chemicznie strukturę, którą można opisać odpowiednim wzorem.

Rozwój nanomedycyny

Zgodnie z kanoniczną definicją czołowego naukowca w tej dziedzinie, R. Freitasa, nanomedycyna to: „śledzenie, korygowanie, projektowanie i sterowanie ludzkimi systemami biologicznymi na poziomie molekularnym, z wykorzystaniem opracowanych nanourządzeń i nanostruktur”. Tak więc w medycynie perspektywą wykorzystania nanotechnologii jest ostatecznie konieczność zmiany struktury komórki na poziomie molekularnym za pomocą nanorobotów lub innych nanotechnologii.

W ostatnich latach nanomedycyna rozwija się w wyjątkowo szybkim tempie i przyciągnęła powszechną uwagę nie tylko ze względu na swoje czysto realne osiągnięcia, ale także ze względu na swój wkład społeczny. Termin ten (który również odzwierciedla perspektywę) oznacza dziś zastosowanie nanotechnologii w diagnostyce, monitorowaniu i leczeniu chorób.

Rozwój nanomedycyny jest ściśle powiązany z rewolucyjnymi postępami w genomice i proteomice, które przybliżyły naukowców do zrozumienia molekularnych podstaw chorób. Nanomedycyna ewoluuje, gdzie dane z genomiki i proteomiki łączą się z możliwościami tworzenia materiałów o nowych właściwościach na poziomie nanometrycznym.

Wyróżnia się 5 głównych obszarów zastosowania nanotechnologii w medycynie: dostarczanie aktywnych substancji leczniczych, nowe metody i środki leczenia na poziomie nanometrów, diagnostyka in vivo, diagnostyka in vitro, implanty medyczne.

Miejsce leków i bioaktywnych cząsteczek w świecie nanometrycznym

W 1959 r. słynny amerykański fizyk teoretyczny R. Feynman powiedział, że „istnieje zadziwiająco złożony świat małych form i pewnego dnia (na przykład w 2000 r.) ludzie będą zaskoczeni, że do 1960 r. nikt nie traktował poważnie badań tego świata. " Medycyna i farmaceutyka to jedne z najważniejszych praktycznych zastosowań pracy nanotechnologów, ponieważ opisany powyżej świat jest światem tych dyscyplin naukowych. To właśnie te rozmiary są charakterystyczne dla głównych struktur biologicznych - komórek, ich części składowe(organelle) i molekuły. Po raz pierwszy pomysł wykorzystania mikroskopijnych urządzeń (w których powinny znaleźć się nanocząstki) w medycynie wyraził R. Feynman w swoim słynnym wykładzie „Tam na dole jest dużo miejsca”. Ale dopiero w ostatnich latach propozycje Feynmana zbliżyły się do rzeczywistości, choć, jak zauważamy, wciąż daleko im do proponowanego przez niego mikrorobota, zdolnego do penetracji serca przez układ krążenia, wykonania tam operacji zastawki, a także wykonania cały zestaw podobnych procedur, które zadziwiają wyobraźnię.

Określanie wypowiedzianych poglądów, dzisiejsze specyficzne zadania Nanotechnologię w medycynie można podzielić na kilka grup: materiały nanostrukturalne, w tym powierzchnie z nanoreliefem, membrany z nanootworami; nanocząstki (w tym fulereny i dendrymery); mikro- i nanokapsułki; czujniki i analizatory nanotechnologiczne; medyczne zastosowania mikroskopów z sondą skanującą; nanonarzędzia i nanomanipulatory; mikro- i nanourządzenia o różnym stopniu autonomii .

To znaczy „nano” ( grecki- miliardowa część) w odniesieniu do opisanych obiektów oznacza, że ​​ich rozmiary mieszczą się w granicach 10 -9 m, co odpowiada poziomom organizacji biologicznej od atomowej do subkomórkowej. Zatem praktycznie dowolne supramolekularne (supramolekularne) kompleksy, czyli powstawanie zarówno „małych”, jak i ogromnych cząsteczek organicznych (we współczesnej terminologii – „gospodarz”) z cząsteczkami zbudowanymi jonowo lub kowalencyjnie („gość”). Jednak zgodnie z utrwaloną już tradycją w literaturze biologiczno-medycznej nanocząstki oznaczają dość specyficzne (a przede wszystkim sztucznie wytworzone) struktury molekularne.

Te poglądy wymagają dziś największej konkretyzacji.

W swojej recenzji, opublikowanej zaledwie kilka dni temu (13 września, magazyn Nature Nanotechnology, 2009, DOI: 10.1038 / nnano.2009.242), naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Francji nalegają na zmianę terminu „nanocząstka”. Uważają, że istnieje potrzeba dokładniejszej systematyzacji tych cząstek do dalszych badań i praktycznego zastosowania w różnych dziedzinach. Nie można nie solidaryzować się z tym punktem widzenia, chociaż podobne propozycje, jak zauważamy, były już dość często słyszane.

Tutaj na przykład rozmiary (tabela 1) cząsteczek niektórych substancji (cząsteczek, cząstek) w nanometrach:

Tabela 1.

Substancja	Średnica, nm
Azot	0.32
Woda	0.30
Wodór	0.25
Hel	0.20
Tlen	0.30
Tlenek siarki (IV)	0.34
Tlenek węgla (IV)	0.33
Tlenek węgla (II)	0.32
Chlor	0.37
Chlorek wodoru	0.30
Rozmiar cząstek kurzu	0,1-0,001 mm
Rozmiar cząstek mgły	0,01-0,001 mm
Rozmiar cząstek Browna	40
Wielkość cząsteczki hemoglobiny	0.4
Aminokwasy, nukleotydy, monosacharydy (monomery)	0.5-1
Białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy (makrocząsteczki)	3-300
Małe białko	4
Chromosom	1
Wirusy	20-300
Organelle	od 20
Rybosomy	około 20

Eksperci wyrażają najważniejszą myśl, że przyporządkowanie nowych obiektów nanomateriałom nie powinno być budowane „na ślepo według ich wielkości” – ale na podstawie tego, czy ten rozmiar prowadzi do pojawienia się nowych właściwości takich obiektów.

Pomimo tego, że w wielu krajach nanomateriały znalazły już szerokie zastosowanie nawet w kosmetykach i filtrach przeciwsłonecznych, to w tych samych krajach nie ma jasnych zasad regulujących bezpieczne stosowanie nanocząstek, natomiast oczywiste jest, że bez jasnej definicji pojęcia „nanocząstka” ”, nie można się ogólnie spodziewać pojawienia się takich zasad. Choć panuje opinia, że ​​za nanoobiekt należy uznać każdy obiekt, którego wielkość przynajmniej w jednym z ich pomiarów będzie mniejsza niż 100 nm, w recenzji opublikowanej w Nanotechnologia Przyrody, naukowcy naciskają na bardziej rygorystyczną klasyfikację.

Autorzy recenzji zauważają, że nie da się po prostu sklasyfikować nanocząstek, „wiosłując je wszystkie pod jednym pędzlem”, dodają jednak, że nie wszystko, co „małe” to z pewnością nanomateriały. Powstaje pytanie, jakie kryteria należy stosować w systematyzacji nanomateriałów? Przegląd analizuje różne właściwości fizykochemiczne, które mogą stanowić podstawę proponowanej nowej klasyfikacji. Na przykład wielkość nanosystemu wpływa na strukturę jego struktury krystalicznej, która z kolei determinuje reaktywność nanocząstek i specyfikę ich interakcji z otoczeniem. Stwierdzono na przykład, że właściwości nanocząstek o wielkości 10–30 nm znacznie różnią się od większych formacji.

Co to jest - nanotechnologia w farmaceutykach?

Branża ukierunkowanego projektowania nowych leków, czyli drag-design (lek - lek, projektowanie - projektowanie, konstrukcja) jest bezpośrednio związana z tematem nanotechnologii, ponieważ obiekty oddziałujące - lek i cel - są obiektami molekularnymi. Podstawowe pojęcia stosowane w projektowaniu przeciągania to cel i leczenie. Cel to makromolekularna struktura biologiczna, prawdopodobnie związana z określoną funkcją, której naruszenie prowadzi do choroby i na którą należy wywrzeć określony wpływ. Najczęstszymi celami są receptory i enzymy. Lek jest związkiem chemicznym (zwykle o małej masie cząsteczkowej), który oddziałuje specyficznie z celem iw taki czy inny sposób modyfikuje odpowiedź komórkową generowaną przez cel. Jeśli receptor działa jako cel, to najprawdopodobniej lek będzie jego ligandem, to znaczy związkiem, który specyficznie oddziałuje z aktywnym miejscem receptora. Na przykład trifosfataza F1-adenozyny (F1-ATPaza), która należy do grupy enzymów zapewniających syntezę energii we wszystkich organizmach, w tym proces fotosyntezy w komórkach roślinnych. Średnica cząsteczki enzymu wynosi 10–12 nm.

Supramolekuły są asocjacjami dwóch lub więcej cząstek chemicznych połączonych międzycząsteczkowymi wiązaniami niekowalencyjnymi z fragmentów o zgodności geometrycznej i chemicznej (komplementarność). Przegrupowanie cząsteczek prowadzi do różnorodnych ich kombinacji. Takie układy są przedmiotem badań chemii supramolekularnej (termin ten zaproponował laureat Nagrody Nobla J.-M. Len) i chemii „gospodarz-gość” i są mało badane, chociaż stworzono już nowe materiały o unikalnych właściwościach na ich podstawie. Na przykład zastosowanie porowatej struktury, która pełni rolę „gospodarza” (a w innych przypadkach rolę tę pełni zwykle organiczny ligand), pozwala na odwracalne umieszczenie „gościa” w nanoskali do selektywnego transportu i uwalniania leki. Niewątpliwie struktury supramolekularne są obiecującym obiektem szczegółowych badań nad nanokryształami. W tym ujęciu, interakcja leków celowanych (rozmiar 1-10 nm) z biocelem (białkiem lub układem białek o wielkości do 100 nm) daje kompleks ligand-biocel (substrat-receptor lub gospodarz- typ gościa) , według wszystkich znanych znaków jest strukturą supramolekularną (kompleks supramolekularny). Nie ulega wątpliwości, że same elementy składowe takiego systemu są obiektami strukturalnymi nanotechnologii.

Kontynuując te rozważania, przypominamy, że terapeutyczny efekt nanoskalowy leku celowanego na biocel może być realizowany tylko pod warunkiem utworzenia supramolekularnego nanosystemu „ligand-biocel” i tylko podczas jego istnienia.

Oznacza to, że rozwój leków celowanych mieści się w podanej powyżej definicji nanotechnologii, ponieważ mechanizm ich działania opiera się na ukierunkowanej interakcji z biocelem odpowiedzialnym za chorobę. To właśnie ta interakcja w nanoskali, która jest realizowana poprzez niekowalencyjne (i koordynacyjne, w tym wodorowe) wiązanie chemiczne między lekiem (ligandem) a białkiem (celem), które jest badane podczas opracowywania i określa selektywność, wydajność i niższa toksyczność leków celowanych w porównaniu z poprzednią generacją leków, czyli poprawia właściwości konsumenckie.

Co więcej, podczas swojego istnienia system „ligand-biotarget” we wszystkich swoich cechach jest biomaszyną, a wynikiem jego pracy będzie modyfikacja choroby (całkowite lub częściowe wyleczenie). Zatem wydajność nanobiomaszyny zależy od siły i czasu wiązania składników omawianego kompleksu, co w przypadku stałego celu zależy wyłącznie od właściwości innowacyjnego celowanego leku ligandowego.

Następnie, formalizując koncepcje, można argumentować, że nanotechnologia w farmaceutykach to zestaw metod i technik badania, projektowania, produkcji i użytkowania, których główne etapy należy rozważyć:

• screening biologiczny, czyli poszukiwanie aktywnych cząsteczek (1–10 nm) wchodzących w interakcję z biocelem (białkiem lub układem białek o wielkości do 100 nm).
• badanie mechanizmu działania (poszukiwanie biocelu i identyfikacja mechanizmu oddziaływania z nim aktywnej cząsteczki).
• komputerowe projektowanie potencjalnie aktywnych związków, poprzez obliczenie energii oddziaływania między cząsteczkami-kandydatami a biocelem (białkiem) w odległości kilku nanometrów, czyli obliczenie możliwych struktur i pozycji cząsteczek odpowiadających minimalnej energii takiego oddziaływania ( symulacja dynamiczna trwa około 24 godzin na superkomputerze o wydajności około 200 teraflopów).
• ukierunkowana kontrola i modyfikacja kształtu, wielkości, interakcji i integracji elementów składowych w nanoskali („ligand-biotarget”, około 1-100 nm), co prowadzi do poprawy lub pojawienia się dodatkowych cech i właściwości użytkowych i/lub konsumenckich powstałe produkty (zwiększona wydajność, biodostępność, zmniejszenie toksyczności i skutków ubocznych powstałych innowacyjnych leków).
• produkcja gotowych form dawkowania w nanoskali (postaci liposomalne, polimery biodegradowalne, nanocząstki do ukierunkowanego transportu itp.).
• zastosowanie ukierunkowanych innowacyjnych leków, które zapewniają działanie w nanoskali na biocel, co prowadzi do efektu terapeutycznego.

Przypomnę słowa akademika VL Ginzburga: „Jednocześnie biologia, wykorzystująca głównie coraz bardziej zaawansowane metody fizyczne, rozwijała się bardzo szybko, a po rozszyfrowaniu kodu genetycznego w 1953 r. zaczęła się rozwijać szczególnie szybko. Dziś to biologia, zwłaszcza biologia molekularna, zajęła miejsce wiodącej nauki. Można się nie zgodzić z taką terminologią i zasadniczo nieistotnym rozmieszczeniem „miejsc” w nauce. Chcę tylko podkreślić fakty, które nie są rozumiane przez wszystkich fizyków, zwłaszcza w Rosji. Dla nas fizyka pozostaje sprawą życia, młodą i piękną, ale dla społeczeństwa ludzkiego i jego rozwoju biologia zajęła miejsce fizyki ”.

Systemy dostarczania substancji biologicznie czynnych

Jeden z najprostszych i skuteczne sposoby dostarczanie cząsteczek leku do organizmu człowieka odbywa się przezskórnie (przez skórę). Właśnie ze względu na swoją prostotę nie ma teoretycznych zakazów dostarczania w ten sposób większości znanych związków biologicznie czynnych, niezależnie od ich masy cząsteczkowej (wielkości) czy fizycznej właściwości chemiczne... Niemniej jednak w przypadku opisanych poniżej nanotransferów metoda przezskórna jest uważana za jeden z możliwych sposobów transportu nanoobiektów. (Rysunek przedstawia nanocząsteczki wykorzystywane do dostarczania cząsteczek terapeutycznych: 1 – liposom i adenowirus; 2 – nanostruktura polimerowa; 3 – dendrymer; 4 – nanorurka węglowa

Różne jednoskładnikowe i wieloskładnikowe liposomy powstają w roztworach lipidów. Ze względów praktycznych interesujące mogą być liposomy o wielkości nie większej niż 20–50 nm, które są wykorzystywane jako środek dostarczania leku do celu biologicznego. Ponadto sama natura z góry przygotowała duży zestaw nanoparrierów, np. wirusy... Z pewnością leczone adenowirusy można skutecznie stosować do szczepień przezskórnych. Oprócz liposomów sztuczne biogenne nanocząstki zdolne do ukierunkowanego dostarczania obejmują również nanorurki lipidowe , nanocząsteczki i nanoemulsje pochodzenia lipidowego, niektóre peptydy cykliczne, chitosany, nanocząsteczki kwasów nukleinowych.

Bakterie jako nanobiomaszyny dostarczanie leków. Udowodniono już, że bakterie mogą być stosowane jako środek celowanego dostarczania leków do chorych tkanek. Eksperci wstrzyknęli bakterie MC-1 do krwiobiegu szczura. Bakterie te są w stanie poruszać się szybko dzięki rotacji ich wici, ale dodatkowo zawierają nanocząstki magnetyczne, co czyni je wrażliwymi na pole magnetyczne i zmusza je do poruszania się wzdłuż linii siły. Takie linie sił można wytworzyć na przykład za pomocą urządzenia do rezonansu magnetycznego. Naukowcy uważają, że przed próbą stworzenia sztucznych nanomaszyn, które mogą poruszać się po ludzkim ciele, należy zwrócić uwagę na już istniejące stworzenia natury.

Nanosfery i nanokapsułki należą do rodziny nanocząstki polimerowe... Jeżeli nanosfery są stałymi matrycami, na powierzchni polimeru, na której rozmieszczona jest substancja czynna, to w nanokapsułkach powłoka polimerowa tworzy wnękę wypełnioną cieczą. W efekcie substancja czynna uwalniana jest do organizmu poprzez różne mechanizmy – z nanosfer uwalnianie jest wykładnicze, a z nanokapsułek przez długi czas występuje w stałym tempie. Nanocząstki polimerowe można otrzymać z polimerów naturalnych lub syntetycznych, którymi są polisacharydy, kwasy polimlekowe i poliglikolowe, polilaktydy, poliakrylany, polimery akrylowe, glikol polietylenowy (PEG) i jego analogi itp. Materiały polimerowe charakteryzują się zestawem cennych dla leku właściwości transport, np. biokompatybilność, zdolność biodegradacji, interoperacyjność.

Szczególnie interesujące są dendrymery... Reprezentują one nowy typ polimerów o nie zwykłej, liniowej, lecz „rozgałęzionej” strukturze. Pierwszą próbkę uzyskano już w latach 50-tych, a główne metody ich syntezy opracowano w latach 80-tych. Termin „dendrymery” pojawił się wcześniej niż „nanotechnologia” i początkowo nie były ze sobą powiązane. Jednak w ostatnie czasy dendrymery są coraz częściej wymieniane właśnie w kontekście ich zastosowań nanotechnologicznych i nanomedycznych. Dendrymery to wyjątkowa klasa polimerów, ponieważ ich wielkość i kształt można bardzo precyzyjnie określić podczas syntezy chemicznej, co jest niezwykle ważne w przypadku nanocząstek. Dendrymery są otrzymywane z monomerów poprzez sekwencyjną polimeryzację zbieżną i rozbieżną (w tym z wykorzystaniem metod syntezy peptydów), ustalając w ten sposób wzór rozgałęzień. Typowymi monomerami stosowanymi w syntezie są poliamidoamina i aminokwas lizyna. Cząsteczki „docelowe” wiążą się z dendrymerami albo tworząc kompleksy z ich powierzchnią, albo wstawiając się głęboko między ich poszczególne łańcuchy. Ponadto niezbędne grupy funkcyjne mogą być stereospecyficznie rozmieszczone na powierzchni dendrymerów, co będzie oddziaływać z wirusami i komórkami z maksymalnym efektem. Przykładem tworzenia substancji aktywnej na bazie dendrymeru jest Vivigel, żel zdolny do ochrony przed zakażeniem wirusem HIV.

Wśród nanocząstek węglowych utworzonych wyłącznie przez atomy węgla najbardziej rozpowszechniona fulereny oraz nanorurki, które można uzyskać przy użyciu różnych metod chemicznych lub fizykochemicznych. Na przykład na skalę przemysłową fulereny otrzymuje się przez termiczne natryskiwanie sadzy w atmosferze gazu obojętnego, pod zmniejszonym ciśnieniem, w obecności katalizatora. Według ekspertów fulereny mogą stać się podstawą nie tylko systemów dostarczania, ale także nowej klasy leków. główna cecha- ich ramowa forma: cząsteczki wyglądają jak zamknięte, wydrążone wewnątrz „skorupy”. Najbardziej znaną z węglowych struktur szkieletowych jest fuleren C 60, którego absolutnie nieoczekiwane odkrycie w 1985 roku spowodowało boom w badaniach w tej dziedzinie ( nagroda Nobla w chemii za 1996 r. przyznawany odkrywcom fulerenów). Po opracowaniu metody otrzymywania fulerenów w makroilościach odkryto wiele innych, lżejszych lub cięższych fulerenów: od C 20 do C 70, C 82, C 96 i powyżej. Fulereny są wykorzystywane do opracowywania nośników do dostarczania leków do leczenia pacjentów zakażonych wirusem HIV i pacjentów z rakiem.

W 1991 roku ponownie - dość nieoczekiwanie (teoretycy nie przewidzieli ich istnienia) odkryto długie, cylindryczne formacje węglowe, które otrzymały nazwy nanorurki... Charakteryzują się różnorodnością kształtów: duże i małe, jednowarstwowe i wielowarstwowe, proste i spiralne; wyjątkową wytrzymałość, wykazują całą gamę najbardziej nieoczekiwanych właściwości elektrycznych, magnetycznych i optycznych. W rzeczywistości nanorurki mogą służyć jako mikroskopijne pojemniki do transportu wielu chemicznie lub biologicznie aktywnych substancji: białek, trujących gazów, składników paliw, a nawet stopionych metali. Na potrzeby medycyny nanorurki mają znacznie zwiększone powinowactwo do struktur lipidowych, są zdolne do tworzenia stabilnych kompleksów z peptydami i oligonukleotydami DNA, a nawet enkapsulacji tych cząsteczek. Połączenie tych właściwości warunkuje ich zastosowanie w postaci skutecznych systemów dostarczania szczepionek i materiału genetycznego.

DO nieorganiczne nanocząstki, jedna z najważniejszych klas nanonośników, obejmuje związki tlenku krzemu, a także różne metale(złoto, srebro, platyna). Często taka nanocząstka ma rdzeń krzemowy i powłokę zewnętrzną utworzoną przez atomy metalu. Zastosowanie metali umożliwia tworzenie nośników o wielu unikalnych właściwościach. Tak więc ich aktywność (a w szczególności uwalnianie środka terapeutycznego) może być modulowana przez ekspozycję termiczną ( promieniowanie podczerwone), a także zmiana pola magnetycznego. W przypadku heterogenicznych kompozytów w fazie stałej, np. nanocząstek metalu na powierzchni porowatego podłoża, pojawiają się nowe właściwości dzięki ich wzajemnemu oddziaływaniu.

Być może najczęstsze technologie platformowe to mikrokapsułkowanie, a także technologie otrzymywania matrycowych, wielowarstwowych, otoczkowych tabletek i kapsułek. Na przykład w Rosji opracowano i opatentowano technologie platformowe do tworzenia nanoskalowych kompleksów substancji czynnych z biokompatybilnymi i biodegradowalnymi polimerami syntetycznymi i naturalnymi. Nanoformulacja może prowadzić do 2-4-krotnego zwiększenia aktywności leku, a także do pojawienia się bardziej wyraźnych właściwości terapeutycznych. W wielu przypadkach trwają już badania przedkliniczne znanych leków w nowych nanoopakowaniach (na przykład taksol lub nurofen o przedłużonym działaniu). Technologie platformy kontrolowanego uwalniania leków są istotne dla ukierunkowanego dostarczania wysoce toksycznych leków przeciwnowotworowych. Tradycyjne leki onkologiczne są równomiernie rozmieszczone w całym ciele: wchodzą w ogniska choroby i zdrowe narządy. Problem można rozwiązać poprzez celowe dostarczanie leku wraz z biodegradowalnym polimerem – wtedy lek nie jest uwalniany natychmiast, ale w miarę degradacji polimeru. Istnieją jednak jeszcze bardziej zaawansowane metody celowanego dostarczania leków z wykorzystaniem nanocząsteczek materiału genetycznego, DNA lub RNA. Cząsteczki o wielkości około 200 nanometrów lub nieco mniejsze mogą wydostawać się z krwiobiegu tylko w obszarach zapalnych - gdzie pory naczyń włosowatych są powiększone.

Przemieszczając się przez krwioobieg, nanocząsteczki mogą obrastać białkami osocza krwi, które są wchłaniane przez strażników odpornościowych – makrofagi. Aby wydłużyć czas przebywania nanocząstek w organizmie, przyczepiane są do nich łańcuchy polimerowe. Inną opcją jest dołączenie do nanocząstki przeciwciała komórki nowotworowe, które znają drogę do celu, oraz antybiotyk, który zniszczy złośliwą formację. Na przykład naukowcy projektują liposomalny lek przeciwnowotworowy, w którym termoczułe liposomy są owinięte polimerem i wyposażone w przeciwciała określające „adres dostawy”.

Liczny szczepienia z wszelkiego rodzaju chorób stały się rutynową procedurą, ale sama technika praktycznie nie zmieniła się w ciągu ostatniego stulecia. W niedalekiej przyszłości strzykawki z roztworem antygenu zostaną zastąpione nanotransporterami (rozmiary do 500 nm) zdolnymi do dostarczania antygenów przez skórę do obecnych tam komórek odpornościowych. Wykazano, że zastosowanie małych nanocząstek (tylko 40 nm) umożliwia dostarczanie antygenów bezpośrednio przez mieszki włosowe.

Jednocześnie dzisiejsze systemy dostarczania substancji czynnych wiążą się z ryzykiem, czyli: skutki uboczne... Nic dziwnego, że farmaceutyczny gigant Novartis, koncern Ciba i kilka innych dużych firm połączyło swoje dalszy rozwój w tym kierunku tylko z biodegradowalnymi nanonośnikami.

Nanoterapia

Cząsteczki w nanoskali mogą być również wykorzystywane jako substancje aktywne. Jedną z nowych podwyżek jest miażdżący aktywne substancje lecznicze do rozmiarów nanometrowych - około połowa nowych substancji czynnych, które są obecnie opracowywane, słabo się rozpuszcza, to znaczy mają niewystarczającą biodostępność.

Kryształy aktywnej nanosubstancji leczniczej składają się z substancji czynnej i są wytwarzane w postaci zawiesiny (nanozawiesiny), którą można podawać dożylnie, a do podawania doustnego można z niej wytwarzać granulki lub tabletki. Nie wymaga to matrycy polimerowej, której zniszczenie według niektórych naukowców może mieć toksyczny wpływ na komórki. Zwykła wielkość nanokryształów to 200–600 nm. Jednym z leków nanokrystalicznych wprowadzonych do praktyki klinicznej w 2000 roku jest Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories), lek immunosupresyjny stosowany po przeszczepieniu narządów. Termoterapia nanocząstkami wydaje się mieć wspaniałe perspektywy. Wiadomo, że kiedy promieniowanie bliskiej podczerwieni trafia na nanorurki, te ostatnie zaczynają wibrować i podgrzewać otaczającą je substancję. Skuteczność tej terapii okazała się bardzo wysoka: u 80 procent myszy, które otrzymały dawkę roztworu wielowarstwowych nanorurek, guzy nowotworowe w nerce po pewnym czasie całkowicie zniknęły. Prawie wszystkie myszy w tej grupie przeżyły do ​​końca badania, które trwało około 9 miesięcy. Trwają badania kliniczne termoterapii guzów mózgu i raka prostaty. Naukowcy odkryli, że kontakt nanorurek z uszkodzoną tkanką kostną u myszy przyspiesza regenerację kości i zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia procesów zapalnych podczas leczenia. Podobnie cząsteczki nanozłota zabijają drobnoustroje oraz rozpoznają i niszczą komórki rakowe.

Nanocząsteczki można również wykorzystać do stymulacji wrodzone mechanizmy regeneracja. Główny nacisk kładzie się tutaj na sztuczną aktywację i kontrolę dorosłych komórek macierzystych. Niektóre z postępów to: białka amfifilowe, które wspierają wzrost komórek w celu naprawy uszkodzonego rdzenia kręgowego; powłoki obszarów guza mózgu nanocząstkami magnetycznymi i cząstkami wrażliwymi na enzymy; sondy nanocząsteczkowe do wewnątrzkomórkowego dostarczania leków i ekspresji genów, kropki kwantowe wykrywające i określające ilościowo biomarkery ludzkiego raka piersi.

Nanoprzeciwciała są najmniejszą z obecnie znanych cząsteczek rozpoznających antygen białkowy (o rozmiarze 2 × 4 nm). Są to fragmenty (domeny zmienne) specjalnych przeciwciał jednodomenowych – składają się z dimeru tylko jednego skróconego łańcucha ciężkiego immunoglobuliny i są w pełni funkcjonalne przy braku łańcucha lekkiego. Po syntezie nanoprzeciwciała są już funkcjonalne i nie wymagają żadnych modyfikacji potranslacyjnych. Umożliwia to natychmiastową ich produkcję w komórkach bakteryjnych lub drożdżach, co sprawia, że ​​sposób wytwarzania tych białek jest znacznie bardziej ekonomiczny. Dosyć łatwo jest przeprowadzić wszelkiego rodzaju manipulacje inżynierii genetycznej z nanoprzeciwciałami, na przykład w celu stworzenia bardziej wydajnych połączonych konstruktów, które zawierają dwa lub więcej nanoprzeciwciał, a także inne domeny białkowe lub grupy funkcyjne. Takie przeciwciała nie istnieją w ludzkim ciele, a zatem nie ma do nich adaptacji. W ten sposób możliwe staje się ominięcie sztuczek nieprawidłowych, patologicznych komórek i mikroorganizmów, które zdołały przystosować się do ludzkiego układu odpornościowego i znaleźć słabe ogniwo w ich obronie.

Biologicznie aktywne dodatki(Suplementy diety), opracowane z wykorzystaniem nanotechnologii, tzw. nanoceutyków, mają na celu silne wzmocnienie możliwości organizmu: od zwiększenia przyswajalności aktywnych składników aktywność psychiczna i możliwości koncentracji są główną atrakcją współczesnego rynku. Jednak stowarzyszenia praw konsumentów naciskają na ściślejszą kontrolę rządu nad faktycznym bezpieczeństwem i skutecznością produktów trafiających na półki sklepowe.

O bezpieczeństwie nanotechnologii w opiece zdrowotnej

Ogólny konsensus wśród ekspertów jest taki, że naukowcy nie stworzyli jeszcze narzędzi potrzebnych do 100% oceny zagrożeń związanych z nanotechnologią w opiece zdrowotnej. Taki rozwój trwa od 3 do 5 lat, a według niektórych szacunków nawet więcej, jeśli chodzi o faktyczne tworzenie najważniejszych nanomateriałów medycznych. Nanomateriały należą do zupełnie nowej klasy produktów, a charakterystyka ich potencjalnego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego i stanu środowiska jest obowiązkowa we wszystkich przypadkach. Nanocząstki i nanomateriały posiadają zespół właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych (w tym toksycznych), które często radykalnie różnią się od właściwości tej samej substancji w postaci faz ciągłych lub dyspersji makroskopowych (tab. 2).

Fizykochemiczne cechy zachowania substancji w stanie nanoskali	Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych oraz skutki biologiczne (w tym toksyczne)
Wzrost potencjału chemicznego substancji na granicy dużej krzywizny	Zmiana topologii wiązania atomów na powierzchni prowadzi do zmiany ich potencjałów chemicznych, zmiany rozpuszczalności, reaktywności i zdolności katalitycznej nanocząstek i ich składników.
Wysoka powierzchnia właściwa nanomateriałów (na jednostkę masy)	Wzrost zdolności adsorpcji, reaktywności chemicznej i właściwości katalitycznych może prowadzić do wzrostu produkcji wolnych rodników i reaktywnych form tlenu oraz dalszego uszkodzenia struktur biologicznych (lipidów, białek, kwasów nukleinowych, w szczególności DNA).
Małe rozmiary i różnorodność kształtów nanocząstek	Możliwe wiązanie z kwasami nukleinowymi (powodujące tworzenie adduktów DNA), białka, wbudowywanie się w błony, przenikanie do organelli komórkowych iw efekcie zmiana funkcji biostruktur. Procesy przenoszenia nanocząstek w środowisku z przepływami powietrza i wody, ich akumulacja w glebie, osadach dennych mogą również znacząco różnić się od zachowania cząstek większych substancji.
Wysoka aktywność adsorpcyjna	Możliwa jest adsorpcja różnych zanieczyszczeń na nanocząstkach i ułatwienie ich transportu do komórki, co znacznie zwiększa toksyczność tych ostatnich. Wiele nanomateriałów ma właściwości hydrofobowe lub jest naładowanych elektrycznie, co wzmaga procesy adsorpcji na nich różnych toksyn i zdolność tych ostatnich do przenikania przez bariery organizmu.
Wysoka pojemność przechowywania	Możliwe, że nanocząstki ze względu na swoje niewielkie rozmiary mogą nie być rozpoznawane przez układy obronne organizmu, nie ulegać biotransformacji i nie być wydalane z organizmu, co prowadzi do akumulacji nanomateriałów w organizmach roślinnych i zwierzęcych, a także w drobnoustrojów, do przenoszenia w łańcuchu pokarmowym, a w efekcie do zwiększenia ich wchłaniania do organizmu człowieka

Witaj w klatce

Słowo „nano” szybko staje się modne. Zwłaszcza wśród reklamodawców i PR-owców: wynaleźli już „nanokefir” i „nanokremy”, wkrótce będą tworzyć „nano-kiełbasy” i „nanoszczelne”. Ale w rzeczywistości wiele gałęzi wiedzy już zajmuje się nanocząstkami z mocą i główną siłą. Wśród nich jest medycyna.

Mini do nano

Historia współczesnej medycyny biegnie od wielkiej do małej. Wiele urządzeń diagnostycznych stopniowo ewoluowało od ociężałych potworów do eleganckich walizek. Dość nieporęczne zlewki i zakraplacze na eliksiry przekształciły się w maleńkie pigułki, podskórne zbiorniki leków, a nawet plastry. Operacje brzucha zastraszające spojrzenie zastąpiły maleńkie nakłucia, przez które chirurdzy operują pod okiem kamery wideo.

Ale doskonałość nie ma granic. Wiele chorób zaczyna się od zmian w kilku komórkach ludzkiego ciała, a bakterie chorobotwórcze i wirusy to także substancje mikroskopijne. Dlatego medycyna odważnie marzy o wyleczeniu choroby tam, gdzie ona występuje – w komórce.

Nanotechnologia jest obecnie aktywnie zaangażowana w około 50 krajach. Liderami są USA, Japonia, Korea Południowa, Niemcy. Rosja plasuje się w drugiej dziesiątce. Ale pod względem liczby publikacji dotyczących nanotematów jesteśmy na zaszczytnym 8. miejscu

A te marzenia można zrealizować tylko za pomocą nanotechnologii - manipulacji na poziomie cząsteczek, atomów i sztucznych struktur tej samej wielkości. Nie sposób ich sobie wyobrazić, bo ludzkie oko nie ma z czym ich porównać. Wiemy jednak, że 1 nanometr to jedna miliardowa metra.

Wyobraźmy sobie, że mamy 1 nanometr wzrostu. Wtedy odległość Ziemi wynosząca tylko jeden metr zamieniłaby się dla nas w 1 miliard metrów (czyli 1 milion km), czyli w przybliżeniu najkrótszą drogę na Księżyc (356 tys. km), powtórzoną trzykrotnie. Oznacza to, że ty i ja nigdy byśmy nie wrócili z Księżyca… Podobnie jak próba wyobrażenia sobie tych tajemniczych nanometrów jest zawrotna.

Kto to wszystko wymyślił?

Pomysł zastosowania mikroskopijnych urządzeń w medycynie został po raz pierwszy wyrażony w 1959 roku przez słynnego amerykańskiego fizyka Richard Feynman w rewelacyjnym wykładzie „Tam na dole jest dużo miejsca”. Opisał mikrorobota, który byłby w stanie przebić się przez naczynie do serca i wykonać tam operację korekcji zastawki.

W 1967 biochemik i pisarz science fiction Izaak Asimow jako pierwszy przedstawił ideę „technologii mokrej” – wykorzystania żywych mechanizmów występujących w przyrodzie do leczenia ludzi. W szczególności zbieraj je z kwasów nukleinowych i enzymów. Później Robert Ettinger zasugerował użycie zmodyfikowanych drobnoustrojów do naprawy komórek.

Termin „nanotechnologia” rozprzestrzenił się szeroko na świecie po opublikowaniu w 1986 r. słynnej książki „Maszyny tworzenia” przez fizyka Eric Drexler... Swoje propozycje projektowania pojedynczych cząsteczek o pożądanych właściwościach zaczął nazywać „nanotechnologią molekularną”. Tak więc historia nanotechnologii sięga ponad 20 lat wstecz.

Możliwości są nieskończone ...

Co nanotechnologia obiecuje medycynie poza już szeroko reklamowanymi, ale do tej pory nierealistycznymi „nanorobotami”, które będą wędrować po człowieku i coś naprawiać?

Właściwie znacznie więcej. Będą mogli tworzyć :

• nanomateriały o pożądanych właściwościach - nanocząstki (fulereny i dendrymery)
• mikro- i nanokapsułki (np. z lekami w środku)
• czujniki i analizatory nanotechnologiczne - nanoprzyrządy i nanomanipulatory
• automatyczne nanourządzenia (oprócz wszystkich tych samych nanorobotów).

Mam nadzieję, że wszystko jest tu jasne, może z wyjątkiem „fulerenów” i „dendrymerów”. Fulereny- jest to piąta (obok diamentu, grafitu, karbinu i węgla) forma węgla, która najpierw została przewidziana teoretycznie, a następnie odkryta w przyrodzie. Cząsteczka fulerenu (C60) wygląda jak piłka uszyta z pięciokątów i sześciokątów. W medycynie fulereny są interesujące pod tym względem, że mogą wpełzać w cząsteczkę DNA, zginać ją, a nawet „rozplatać”.

Dendrymery Są polimerami drzewiastymi (długie cząsteczki złożone z powtarzających się identycznych elementów). Są w stanie dostarczać przyłączone do nich leki bezpośrednio do komórek, np. komórek nowotworowych.

...a osiągnięcia są skromne

Ale jak ekscytujące są perspektywy dla nanotechnologii, realne korzyści są wciąż niewielkie.

Amerykanie stworzyli materiał naśladujący prawdziwą tkankę kostną... Stosując metodę samoorganizacji włókien naśladujących naturalny kolagen, „posadzili” na nich nanokryształy hydroksyapatytu. I dopiero wtedy na tym „kicie” naklejono własne komórki kostne osoby – materiał ten można wykorzystać do uzupełnienia ubytków kostnych po urazach lub operacjach.

Z drugiej strony inne rozwiązanie zapobiega przywieraniu komórek do powierzchni.... Jest to konieczne np. do tworzenia bioreaktorów, które będą zawierały komórki macierzyste. Problem polega na tym, że jak tylko komórka macierzysta „usiądzie” na jakiejś powierzchni, natychmiast zaczyna się specjalizować – zamieniać w komórkę określonej tkanki. A żeby zachował swój potencjał, trzeba nie pozwolić mu usiąść.

Eksperymentując z fulerenami i dendrymerami, teraz w wielu krajach szukają skutecznych leków na AIDS, grypę, chorobę Parkinsona, raka itp. Mikrokapsułki z nanoporami mogą służyć pacjentom z cukrzycą typu 1 - mogą dostarczać do organizmu człowieka komórki zwierzęcej trzustki i uwalniać insulinę w odpowiednim czasie, pozostając niewidoczne dla ludzkiego układu odpornościowego.

Sztucznie skonstruowana komórka respirocytu może zastąpić brakujące erytrocyty we krwi - może przenosić zarówno tlen, jak i dwutlenek węgla. Jednocześnie zawiesina respirocytów będzie potrzebna setki razy mniej niż preparaty krwi od dawców lub substytuty krwi.

Nie wszystko jest złotem, co jest srebrem

Rosyjska nauka ma swoje własne osiągnięcia w rozległej dziedzinie nanotechnologii ... Tym samym jesteśmy zdecydowanymi liderami w badaniach i zastosowaniu nanocząstek metali w medycynie. Na zacnej konferencji naukowej „Nanotechnologia i nanomateriały dla biologii i medycyny”, który miał miejsce pod koniec ubiegłego roku w Nowosybirsku, prawie 90% doniesień dotyczyło złota, srebra, cynku, bizmutu oraz różnych kombinacji polimerów, sorbentów itp.

Od dawna znane są medycynie bakteriobójcze i gojące rany właściwości srebra. Jednak nasi naukowcy odkryli, że jeśli srebro i inne metale zamieni się w nanocząsteczki, właściwości te dramatycznie się zwiększają. I udowodnili to w licznych badaniach klinicznych. Oparzenia, rany postrzałowe, złamania skóry, ginekologiczne i inne stany zapalne/rany goją się znacznie szybciej i sprawniej. Nasi naukowcy stworzyli dziesiątki leków opartych na zbawiennych właściwościach tych metali. Tylko nie zaglądaj do aptek - nie są. Dlaczego - nie jest to już pytanie dla naukowców, ale dla tych, którzy kupują importowane antybiotyki, które są tysiące razy droższe.

Swoją drogą nasz syberyjski Nina Bogdanczikowa, która w Rosji zajmowała się właśnie poszukiwaniem srebra, a następnie przeniosła się do Meksyku i zaczęła pracować w Uniwersytet Narodowy , stał się inicjatorem rozwoju tego kierunku naukowego w całej Ameryce Łacińskiej. A teraz szybko się rozwija na kontynencie. Nie ulega wątpliwości, dlaczego – przynajmniej są stosy srebra, a preparaty z niego nie będą zbyt drogie. Wszystko skończy się jak zwykle tym, że zaczniemy je importować.

Mamy się czym pochwalić

Drugim obszarem, w którym moglibyśmy przewodzić światu, jest tworzenie biochipów. Żeton To mała płytka, na której powierzchni znajdują się receptory dla różnych substancji - białek, toksyn, aminokwasów itp. Wystarczy upuścić na chip maleńką kroplę osocza, krwi lub innego płynu biologicznego, a „pokrewne” cząsteczki przyczepią się do receptorów. A potem analizator odczytuje informacje.

Biochipy stworzone w Instytut Biologii Molekularnej. Engelhardt RAS pod przewodnictwem naukowca Andriej Mirzabekov, już wiedzą, jak niemal natychmiast zidentyfikować czynniki wywołujące gruźlicę, HIV, szczególnie niebezpieczne infekcje, wiele trucizn, przeciwciała przeciwko rakowi itp. Co więcej, nasze biochipy okazały się znacznie tańsze i skuteczniejsze niż te amerykańskie. Jednak realizacja tego najnowsza technologia w medycynie praktycznej idzie znacznie wolniej niż byśmy chcieli.

Nanotechnologia w medycynie stwarza nowe możliwości wysokiej jakości leczenia i badania pacjentów.

Ostatnie odkrycia dokonane przez naukowców przeniosły medycynę na nowy poziom.

W tym artykule opowiemy, jakie przełomy w nauce miały miejsce w ostatnim czasie.

Istotne informacje, które świadczeniodawcy muszą znać.

↯ Więcej artykułów w czasopiśmie

Najważniejsze w artykule

Nanotechnologia: nowe możliwości

Zastosowanie nanotechnologii w medycynie rozszerza zwykłe metody leczenia pacjentów. Tak więc tradycyjna medycyna nadal używa igieł, kapsułek i tabletek, które dostarczają do organizmu pacjenta leki, które wpływają na zdrowe komórki i narządy.

Jednak nowe rozwiązania są w stanie zminimalizować ryzyko wstrzykiwania leku tylko tam, gdzie jest to potrzebne - bez zastrzyków i połykania nieprzyjemnych leków.

Dziś nanomedycyna wykorzystuje „inteligentne” cząstki, które są niezależnymi obiektami o wielkości od 1 do 100 nanometrów.

Ten przykład systemów dostarczania leków transportuje substancje czynne leku tylko do bezpośrednich źródeł choroby.

Jak takie nanotechnologie działają w medycynie iw jakich krajach są już stosowane?