Проект 2.0. Мир нанотехнологий возможности применения в биологии и медицине
 Скачать 25.65 Kb.
|
|
Проект на тему: Мир нанотехнологий – возможности применения в биологии и медицине Выполнил: Ученик 11 “Б” класса ГБОУ Школа № 1273 Верещагин Илья Руководитель проекта: Ходырева Светлана Георгиевна План Введение . Актуальность . Цель . Задачи проекта Перспективы Применение нанотехнологий . Терапия и наночастицы . Терапия онкологии . Хирургия . Тканевая инженерия Достижения Результаты Выводы Введение Нанотехнологии – одна из главных тем начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Для того чтобы создать какую-либо эффективную технологию для любой отрасли промышленности, необходимы знания о составе, структуре и механизмах взаимодействия молекул и их комплексов, определяющих протекание технологических процессов. Так что без понимания процессов, которые протекают в наномире, ничего и не сделаешь. Поэтому, нанотехнологии были выделены в отдельную область знаний и объединили несколько научных направлений. Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места». Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана. В 1967 году биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов первым выдвинул идею «мокрой технологии» – использования для лечения людей живых механизмов, существующих в природе. В частности, собирать их из нуклеиновых кислот и ферментов. Потом Роберт Эттингер предложил использовать модифицированные микробы для ремонта клеток. Актуальность Тема нанотехнологий очень актуальна в нынешнее время. С развитием естествознания человечество все глубже проникало вглубь материи, к её основной структуре строения. Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для технологий XXI века. Государство понимает всю важность данной сферы и активно её поддерживает, и спонсирует. Изучением нанотехнологий заинтересован ряд таких стран как: США, которые ежегодно вкладывают в развитие данной отрасли большие деньги, Китай, Япония, Южная Корея, Россия и другие. Уже сейчас в России существуют научные центры, в которых активно исследуются и применяются нанотехнологии, одним из крупнейших является Сколково. Но существует ряд проблем, препятствующих развитию данных отраслей, а именно: - дорогостоящее оборудование; - нехватка высококвалифицированных рабочих; - дорогостоящее обучение специалистов; - малая развитость в этих сферах деятельности; Цель Тема нанотехнологий очень востребована и важна в наше время, в этом проекте я хочу показать, как существует эта область, так как развивая ее, мы делаем большой шаг в развитии многих отраслей жизни людей. Задачи проекта Что такое нанотехнологии? Нанотехнология - область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Возможности их разностороннего применения в таких областях, как медицина, экология, биотехнологии, химия, фармацевтика, сельское хозяйство. Показать, что получение фундаментальных знаний о биологических процессах на молекулярном уровне несут в себе огромный потенциал роста. Перспективы Предполагается, что в будущем наука придет к созданию таких нановрачей, которые будут внедряться в человеческий организм, устранять там все повреждения, а также смогут проводить профилактику, предотвращая их появление. Самой перспективной сферой применения нанотехнологий видится область герентологии, потому что уже сегодня используя нанороботов, ученые могут замедлить старение организма человека. Перспективным направлением для цитологии является использование нанолюминофоров, позволяющем метить клетки организма изнутри и наблюдать за их миграцией в живом организме. Специальные наночипы смогут быстро давать объективную информацию о генетическом материале и активности генов. Становится возможным создание вымерших организмов или неизвестных ранее форм жизни. Для изучения организма разрабатываются самоуправляемые стационарные и мобильные микроустройства, оснащенные наноиструментами. Нанобиороботов предполагается использовать для геологического и экологического преобразвания других планет и для процессов очищения экологии от загрязняющих веществ. Естественно, возникает опасность применения таких устройств на нашей планете, так как в теории они могут полностью перекроить по своей программе всю планетарную биомассу за несколько часов. Еще одна ниша для использования нанотехнологий - в получения эффективных биодетекторов состояния окружающей среды, выявления мутаций в популяциях. Применение нанотехнологий Нанотехнологии во многих областях человеческой жизни уже нашли свое применение. В медицине их используют например, в качестве нанороботов микроскопического размера, с помощью которых изменяют клеточную структуру человека. В области терапии наиболее существеным результатом применения нанотехнологий является решение проблем доставки препаратов и регенерации тканей. Наночастицы позволяют врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и сводя к минимуму побочные эффекты; обеспечивают возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ и их метаболитов (продуктов превращения лекарств в ходе естественных процессов обмена веществ в организме); могут использоваться для стимулирования врожденных механизмов иммунитета и регенерации (основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками). Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, размер которых в 70 раз меньше, чем красные кровяные тельца, переносятся с током крови к определенному органу, где происходит пролонгированное (постепенное) выделение препарата. Для достижения эффективности лекарства необходимо, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты – в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, противоопухолевые препараты – в опухоль и т.д. Сегодня ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для доставки лекарственных веществ непосредственно в больные органы и ткани могут быть использованы полимерные наноразмерные капсулы. В настоящее время получены нанокапсулы со средним диаметром от 10 до 5000 нм, включающие матрицу из воска или текстильного волокна и активного вещества. Указанная структура позволяет обеспечить стабильное выделение лекарства в течение длительного периода и, если в дендримеры будут встроены миниатюрные датчики, – постоянный контроль состояния пациента, позволяющий регулировать поступление лекарства. Обычная бактерия обладает естественной способностью проникать в живые клетки и может работать в качестве «транспортного средства» по доставке лекарств, что открывает новые возможности в области генной терапии. Наночастицы размером от 40 до 200 нм прикрепляют на поверхность бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и «типы» грузов, которые нужно доставить. Терапия Онкологии Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии рака и обнаружения опухолей Новый подход к лечению рака, основанный на двух приемах, которые безвредны сами по себе, но при совместном использовании губительны для опухолевых клеток. Используются наносферы, представляющие собой микроскопические силиконовые шарики, покрытые тончайшим слоем золота, а также свет длиннов олновой инфракрасной области спектра. Наносферы нетоксичны и выводятся из организма без каких-либо побочных эффектов, а длинноволновое ИК-излучение, испускаемое лазером, практически не взаимодействует с тканями организма. При введении наносфер экспериментальным животным, больным раком, происходит их накопление в опухоли. Последующее воздействие длинноволнового ИК-света разогревает золотую оболочку частиц, что приводит к гибели опухолевых клеток. Для доставки наночастиц к опухолям были сконструированы «иммунонаносферы» – наносферы, к которым, поверх золотого слоя, прикрепляются антитела, специфичные к опухолевым маркерам и позволяющие обнаружить опухоль в любой части тела. Хирургия В университете Райса продемонстрировали использование сварочного аппарата для плоти, чтобы сплавить два куска мяса курицы в один кусок. Два куска мяса расположили в упор друг к другу. Зелёная жидкость, содержащая покрытые золотом нанооболочки, была налита вдоль шва. Инфракрасный лазер прошёл вдоль шва и сварил две стороны вместе. Эта технология может решить сложности и утечки крови, которые возникают, когда хирург пытается зашить артерии, которые были разрезаны во время трансплантации почки или сердца. Сварочный аппарат для плоти может идеально заваривать артерии. Тканевая инженерия Нанотехнология может помочь восстановить или починить повреждённую ткань. Тканевая инженерия использует искусственно стимулированную пролиферацию клеток с использованием подходящих сделанных из наноматериалов опор и ростовых факторов. Как пример, кости могут быть выращены заново на опорах из углеродных нанотрубок. Тканевая инженерия может заменить сегодняшние обычные способы лечения, такие, как трансплантация органов или искусственные имплантаты. Продвинутые формы тканевой инженерии могут привести к продлению жизни. Также из нанокристаллов фосфата кальция делаются искусственные костные композиты. Достижения Какими бы захватывающими ни были перспективы нанотехнологий, реальные достижения пока невелики. Ученые создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита. А уже потом на эту «шпатлевку» 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. Проблема 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». Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа – они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека. Протеины и пептиды производят множество биологических действий в теле человека, и они выглядят многообещающе для лечения различных лекарств и расстройств. Эти макромолекулы называются биофармацевтиками. Целенаправленная или контролируемая доставка этих биофармацевтиков с использованием наноматериалов, таких как наночастицы и дендримеры, — это новая область, названная нанобиофармацевтикой, а эти продукты названы нанобиофармацевтиками. Ещё пример – использование квантовых капель. Это 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. Что касается биологических молекул, они обладают собственными признаками, которых нет у неорганических материалов. Одна биологическая молекула может узнавать другую. Например, если взять одну цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты, то она среди множества других молекул ДНК найдет только одну, которая ей подходит, и тогда две цепочки ДНК образуют спиральную структуру. 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, любые фантастические конструкции. Из больших молекул можно делать наномашины. Сейчас разрабатываются молекулярные машины из молекул ДНК, или белков. В ответ на сигнал это может быть облучение светом, изменение условий среды, взаимодействие с молекулами происходит механическая работа. * Фуллерен – это пятая (кроме алмаза, графита, карбина и угля) форма углерода, которую сначала предсказали теоретически, а потом открыли в природе. По виду молекула фуллерена (С60) похожа на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. Медицине же фуллерены интересны тем, что могут пролезать в молекулу ДНК, искривлять и даже «расплетать» ее. Фуллерены исследовались на свойство прерывать аллергическую/иммунную реакцию, не давая мастоцитам (которые вызывают аллергическую реакцию) выбрасывать гистамины в кровь и ткани, связываясь со свободными радикалами значительно лучше, чем любой из доступных сейчас антиоксидантов, включая витамин E. *Дендримеры – это древовидные полимеры (длинные молекулы, состоящие из повторяющихся одинаковых элементов). Они способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например, раковые. Результаты Современное состояние и тенденции развития нанотехнологий в мире и России являются толчком для развития наномедицины. Ученые уже создали наномоторы диаметром 500 нм, которые могут использоваться в наноробототехнике в качестве двигателей; наножидкостные и наноэлектронные системы, работающие в "лаборатории-на-чипе", проводящие экспресс-анализ ДНК, РНК, белка; производятся наноматериалы для искусственных протезов конечностей с хорошей адгезией к живым тканям; внедряются наноустройства, выполняющие определенные медицинские операции; разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в теле человека. Фармакологи уже используют наночастицы, которые содержат лекарства и могут доставлять их в клетки. Широко применяются липосомы – сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества. Выводы и итоги Нанотехнологии в биологии и медицине представляют собой быстроразвивающуюся область науки. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Такие успехи могут стать гигантским шагом человечества по пути создания новых приборов и припаратов для диагностики и лечения множества заболеваний. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. Список литературы |