104-ЗТ. Нанотехнологии в медицине

Название	Нанотехнологии в медицине
Анкор	104-ЗТ
Дата	25.01.2022
Размер	103.83 Kb.
Формат файла
Имя файла	104-ЗТ.docx
Тип	Реферат #341973
страница	6 из 6

1 2 3 4 5 6

Нанотехнологические сенсоры и анализаторы

Использование микро - и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является "лаборатория на чипе. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ.

Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.

В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков.

Интересную идею разрабатывают сразу несколько групп исследователей. Суть ее состоит в том, чтобы "пропустить" молекулу ДНК (или РНК) через нанопору в мембране. Размер поры должен быть таким, чтобы ДНК проходила в "распрямленном" виде, одно основание за другим. Измерение электрического градиента или квантового туннельного тока через пору позволило бы определить, какое основание проходит через нее сейчас. Основанный на таком принципе прибор позволил бы получить полную последовательность ДНК за один проход.

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами.

Хороший обзор возможностей сканирующих микроскопов при изучении биологических объектов содержится в книге. Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Наноманипуляторы

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.

В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.

Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

Микро - и наноустройства В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.

Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т.д. [1].

Современные перспективы наноустройств в медицине

Самособирающиеся контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

Исследователи из медицинского центра Джона Хопкинса разработали самособирающиеся контейнеры кубической формы, по размерам не превышающие пылинку. Такие контейнеры могут служить для доставки лекарств в организме человека. Они являются относительно недорогими, и могут производиться в массовом порядке в процессе, объединяющем технологию изготовления чипов с простой химией. Кроме того, благодаря своей металлической структуре, положение контейнеров внутри тела может отслеживаться с помощью магнитного резонанса.

Методика создания таких контейнеров, а также результаты успешных лабораторных испытаний были опубликованы в декабрьском выпуске журнала Biomedical Microdevices. В экспериментах контейнеры удерживали и отпускали микрокапли веществ и живые клетки, то есть то, что широко используется в медицинском лечении.

Новый процесс создания трехмерных контейнеров для захвата отдельных клеток и доставки медикаментов это принципиальное новое устройство, которое приведет к поколению 'умных таблеток'.

Микроконтейнеры, разработанные в лаборатории, в будущем будут содержать и электронные компоненты. Это позволит им действовать в качестве биосенсоров в теле человека или же высвобождать лекарства в ответ на поступивший извне радиосигнал.

Чтобы создать контейнеры, лучше всего начать с методик, применяемых в микроэлектронике: осаждение тонких пленок, фотолитография и электроосаждение

Затем исследователи поместили на края квадратов 'крючки' из металлического припоя для того, чтобы скрепить их. При быстром нагревании припой плавился, и его поверхностное натяжение стягивало соседние квадраты вместе, тем самым, образуя куб. После охлаждения припой застывал, и форма куба сохранялась. Чтобы быть уверенными в том, что наша заготовка действительно свернулась в куб, мы должны располагать 'крючки' очень точно. Но зато такая самоорганизующаяся методика позволяет создавать большое количество контейнеров одновременно и достаточно дешево'.

Созданные контейнеры покрыты ультратонким слоем золота, так что они вряд ли смогут вызвать токсический эффект в теле человека. Пока не проводилось тестов по их введению в живые организмы, но ученые уже провели лабораторные исследования, показавшие, как микроконтейнеры могут работать в медицине.

Ученые использовали микропипетки для введения внутрь кубов суспензии, содержащей микрокапли лекарств. Было показано, что высвобождение содержимого может выполняться через колебания куба. Кроме того, исследователи помещали внутрь и человеческие клетки, которые продолжали там жить.

Для определения местоположения контейнеров с использованием магнитного резонанса были проведены исследования под руководством Баржо Гими (Barjor Gimi). В эксперименте контейнеры двигались по S-образному каналу. Было установлено, что врачи могут использовать неинвазивную методику для того, чтобы определять, где находятся контейнеры с лекарством. Наконец, некоторые контейнеры, содержащие никель, могут направляться под действием магнитного поля в заданную область человеческого тела [3].

Наночипы

Наночипы к атомно-силовому микроскопу используются для диагностики инфекционных и соматических заболеваний. Метод атомно-силовой микроскопии основан на мониторинге сил Ван-дер-Ваальса между измерительным элементом-иглой микроскопа (размер чувствительного элемента имеет порядок 1-10 нм) и сканированной поверхностью макромолекулы. Анализ взаимодействия позволяет получить изображение макромолекулы, определить ее размеры и выявить комплексы молекул зондов с маркерами заболеваний - например, белок-партнер, антиген-антитело. В России производятся серийные одноканальные атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие проводить исследования структуры материалов. Биологические макромолекулы, в том числе и макромолекулярные маркеры заболеваний, активизируются в узких диапазонах температур, давлений и влажности. Поэтому для создания наночипов к одноканальному АСМ с иммобилизованными в определенном порядке биомолекулами (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами), которые могут селективно захватывать маркеры заболеваний из биологической жидкости на уровне единичных молекул, что очень важно для ранней диагностики, например, онкологических, инфекционных и других заболеваний, необходимо адаптировать серийный атомный силовой микроскоп.

CD также могут быть применены в качестве биочипов для диагностики инфекционных и соматических заболеваний.

Наночип к CD-ROM - это лаборатория на CD-диске, которая представляет собой компакт-диск с нанесенными на него чувствительными зонами биомолекул (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами) и анализирующее устройство - CD-ROM к персональному компьютеру. Стандарт записи на компакт-диск предусматривает наличие информации, которая позволяет считывателю исправлять значительное количество ошибок, возникающих из-за загрязнения поверхности диска. Существуют способы получить служебную информацию с помощью специальных команд управления считывателя. Это дает возможность оценить состояние поверхности оптического диска в любой его точке.

Метод основан на анализе ошибок считывания первичной информации с компакт-диска (CD). При нанесении на биочип образца, содержащего биомолекулы-партнеры к иммобилизованному биослою, формируются молекулярные комплексы, которые увеличивают количество погрешностей из-за изменения оптических свойств поверхности диска. Они возникают вследствие образования комплексов между иммобилизованными биослоями и биомолекулами биологической жидкости, в том числе с биомолекулами плазмы крови на поверхности компакт-диска.

Разрабатываемое диагностическое устройство может быть применено в простых клинико-диагностических лабораториях, не оснащенных специальным оборудованием, а некоторые тесты можно адаптировать для проведения домашнего анализа.

Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ [4].

Фосфолипидные наносистемы

Фосфолипидные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины - в эндокринологии, пульмонологии, кардиологии, онкологии и т.д. При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам - переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и малыми размерами.

Директор НИИ биомедицинской химии им.В.Н. Ореховича академик РАМН А.И. Арчаков считает, что разработка технологии и создание лекарственных препаратов на основе фосфолипидных наночастиц позволит организовать выпуск отечественных препаратов нового поколения, снабженных средствами неселективного транспорта (доксорубицин, метотрексат, рибавирин и др.), или направленного рецепторно-опосредованного транспорта (РЖД-блеомицин), действие которого основано на селективном сродстве к рецепторам метастазирующих клеток. Разработана и сертифицирована фосфолипидная наносистема с диаметром наночастиц от 25 до 50 нм (фосфоглив для внутривенных инъекций).

Таким образом, по мнению ученых, создание нанодиагностикумов, а также наночастиц, служащих контейнерами для доставки лекарств, стало перспективным направлением развития нанобиотехнологий [5].

Заключение

Перспективы развития нанотехнологий с помощью нанотехнологий очень велики. 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. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой "серой слизи" может покрыть всю Землю, - являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными.

Перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление [1]. Поэтому я считаю что медицина на нано уровне будет намного эффективней чем прежняя, но применять её в качестве создания супер людей, я категорически против. Эволюция должна идти естественным путем, а ребенок обделенный этим правом будет напоминать сам работа. Мы должны использовать её с умом там где она по настоящему необходима. Она не в коем случае не должна становится чем то вроде пластической хирургий, которую используют люди у которых и так здоровый организм.

Список литературы

Ю.Д. Семчиков. "Дендримеры - новый класс полимеров".
Соросовский "Магия микрочипов". "В мире науки", ноябрь, 2002, стр.6-15.
Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И.В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.
Жан-Мари Лен. "Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы". Новосибирск, "Наука", 1998 г.
C.Б. Нестеров. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые информационные технологии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004, 421 с., с.21-22.
И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" - М.: МИЭМ, 2002, с.244-247
И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с.248-253
http://www.gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w58k-nanomed2/
http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/samosobirayuschiesya-konteyneryi-d
http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanotehnologii-v-meditsine-nanochipyi.html
http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanotehnologii-v-meditsine-fosfolipidnyie - nanosistemyi.html

1 2 3 4 5 6