Перспективы использования наноматериалов в медицине мозга человека. Наночастицы и нанотехнологии в биологии и медицине

Медицина - очень консервативная область. Ведется огромное количество исследований по всему миру в области медицины, но требуется очень много времени, чтобы они были внедрены в жизнь. В среднем, между созданием нового лекарства и началом его применения в практической медицине проходит около 5 - 10 лет. Поэтому лекарства на основе нанотехнологий и существуют пока только в виде экспериментальных образцов или перспективных проектов. Тем не менее, возможности нано теха в медицине колоссальны.

Нанотехнологии работают с частицами в пределах до 100 нм - с размерами в несколько раз только больше биологических макромолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты. При этом нанообъекты могут быть изготовлены из совершенно разных материалов - будь то золото, молекулы углерода или же белковые макромолекулы.

Соответственно, используемый материал и технологии получения будут определять свойства наночастиц. Это позволяет добиться практически любых характеристик, которые можно использовать тем или иным образом во многих областях медицины - от зашивания операционных надрезов до диагностики инфекционных заболеваний и лечения опухолей.

Одним из наиболее привлекательных вариантов применения нано - это создание сенсоров - устройств, способных реагировать на изменения среды, появление частиц какого-то определенного вещества, изменение концентрации веществ. В настоящий момент существует множество проектов по созданию сверхчувствительных сенсоров, работающих за счет наночастиц.

Наночастицы соотносятся с молекулами примерно как ваша рука с бусиной или с мячиком для пинг-понга, поэтому наночастицы можно использовать, чтобы "ловить" отдельные молекулы. Это объясняет особую чувствительность нано-сенсоров, способность их обнаруживать вещества даже в малейших концентрациях. Особенно ценно это качество для диагностики заболеваний, что уже нашло применение в перспективных разработках.

Тем не менее, нанотехнологии уже нашли применение в борьбе со злокачественными опухолями. Существует нехирургический метод удаления опухолей, основанный на гипертермии. Принцип его состоит в том, что углеродные нанотрубки, вводимые в опухоль, проникают в её клетки и, под воздействием излучения определенной частоты, начинают выделять теплоту, повышать температуру опухоли, вызывая, таким образом, её отмирание. При этом, весьма незначительна вероятность того, что останутся живые злокачественные клетки и что опухоль начнет расти снова.

На похожем принципе работает техника, разработанная доктором Еленой Рожковой из Argonne"s NanoBio Interfaces group, частицы с диоксидом титана, прикрепленные к антителам, способным обнаруживать клетки мультиформной глиобластомы и соединяться с ними. Под воздействием света титан создает электрический заряд, который передается на молекулу кислорода, которая переходит в активную форму, начинает разрушать клеточную мембрану и запускает механизм апоптоза. Тем не менее, эти техники требуют хирургического вмешательства для доставки источника света к опухоли.

Лаборатория в израильском институте Технион в Хайфе создала прибор, способный по содержанию в выдохе пациента определенных молекул определить наличие рака легких. В качестве чувствительной части прибора используются девять наносенсоров. Они представляют собой золотые наночастицы, на которых закреплены органические соединения, реагирующие на конкретные молекулы, находящиеся в воздухе, который выдохнул пациент. Через 30 секунд уже готов ответ, при этом не требуется делать болезненных и сложных операций (таких как биопсия), без которых невозможна современная диагностика. Тот же коллектив ученых, возглавляемый доктором Хоссеном Хаиком, разрабатывают аналогичный прибор для обнаружения рака почек.

Ученые из университета Халла совершили очередной шаг в борьбе с раковыми заболеваниями, разработав более эффективный принцип доставки в ткани опухоли наночастиц, которые несут на себе особые вещества - фотосенсибилизаторы. После этого остается лишь облучить ткань светом, производимым лазером и злокачественная ткань начнет погибать.

Фотодинамическая терапия представляет собой метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ - фотосенсибилизаторов и видимого света определённой длины волны. Сенсибилизатор вводится в организм, чаще всего внутривенно, и накапливается в тканях опухоли. Затем поражённые патологическим процессом ткани облучают светом с длиной волны. Поглощение молекулами фотосенсибилизатора квантов света в присутствии кислорода приводит к фотохимической реакции, в результате которой образуется так называемый синглетный кислород, вызывающий некроз клеток опухоли.

Как объясняет руководитель проекта Росс Бойл, пока опухоль невелика, ее клетки получают питание и кислород за счет диффузии, однако по мере роста ткани возникает необходимость в кровоснабжении. Стенки новообразованных сосудов не такие прочные, как у здоровых, поэтому мы смогли создать наночастицы такой конфигурации, которая позволяет им проникать через стенки новообразованных сосудов и накапливаться в тканях опухоли". Пока наночастицы находятся в потоке крови, они цепко удерживают молекулы фотосенсибилизаторов, но под воздействием света, находясь в тканях опухоли, они легко высвобождают их.

В настоящее время ученые провели практические испытания на опухоли толстой кишки и выяснили, что использование наночастиц действительно существенно повышает эффективность фотодинамической терапии.

Корейские же учёные разработали кремниевый наноматериал, который нагревается под воздействием инфракрасного излучения и уничтожает раковые клетки в организме. Последние исследования в области фотодинамической терапии были сосредоточены на использовании одностенных углеродных нанотрубок. Под воздействием ближнего инфракрасного излучения нанотрубки нагреваются, в результате чего происходит гибель раковых клеток. Chongmu Lee и его коллеги из Inha University (Корея) заменили углеродные нанотрубки пористым кремниевым наноматериалом. Исследователи считают, что новый материал будет давать такую же высокую температуру, как углеродные нанотрубки, но, кроме того, генерировать значительно меньшее количество активных форм кислорода (reactive oxygen species, ROS). Lee надеется, что их разработка сможет использоваться для лечения рака, но признает, что для этого ещё многое предстоит сделать. "Хотя предварительные результаты в этой работе показывают выполнимость пористого кремния как новый терапевтический агент, очевидно, что необходимо провести много исследований прежде, чем терапия рака, основанная на пористом кремнии, станет реальностью", - говорит он.

Близко к этой разработке стоит и следующая теория, предполагающая использование золотых наночастициц. Свойства данных наночастиц - шариков или прутков - очень интересны. С одной стороны, ученые умеют с ними работать и пришивать их к всевозможным биомолекулам, в частности, антителам. С другой стороны, эти частицы отлично нагреваются инфракрасным светом подходящей частоты: в этом повинен так называемый плазменный резонанс. При взаимодействии со светом возбуждаются специфические, плазменные, колебания электронов, которые способны нагревать частицу. Частота плазменных колебаний связана с размером наночастицы и именно у золотых прутков она оказывается в том интервале, который сможет возбуждаться инфракрасным светом. Сам же свет этих длин волн достаточно свободно проходит сквозь тело человека. Воспользоваться этими свойствами золотых наночастиц решили ученые из Университета Твенте (Нидерланды). Разрабатываемый метод должен помочь в идентификации раковых клеток на ранних этапах заболевания. Дело в том, что рентгеном или магнитным резонансом трудно выявить небольшие опухоли. Совсем по-другому, получается, если ввести в организм препарат, который состоит из золотых наночастиц с приделанными к ним антителами к раковым клеткам. Эти антитела прочно прикрепят частицу к мишени. Под импульсами инфракрасного луча лазера наночастицы нагреваются, расширяются, чем увеличивают давление на окружающие ткани. Этот процесс сопровождается появлением ультразвука, который можно легко зафиксировать. Во втором разрабатываемом методе ученые хотят нагревать наночастицу до высокой температуры, выше 100 градусов. Этим можно воспользоваться в двух случаях. Во-первых, для того, чтобы уничтожить клетку таким нагревом. А во-вторых, нагрев может открыть капсулу с антираковым препаратом. Причем сделать это точно в том месте, где расположена опухоль, снизив побочные эффекты от действия химиотерапии.

Другим немаловажным направлением исследований является создание новых лекарственных форм. Лекарственная форма - это то, в каком виде лекарственное средство вводится в организм, например раствор для инъекций или суспензии. Существует множество разработок, использующих частицы из золота или других металлов в качестве "скорлупы", капсулы для лекарственных веществ. Размеры этих частиц позволяют им проникать через поры клеток и каналы клеточной стенки, доставляя таким образом лекарственное средство прямо к месту действия. Это способно уберечь лекарственные вещества от переработки ферментами организма, связывания с белками плазмы, что увеличивает количество неизмененного вещества, дошедшего до места действия. Проще говоря, увеличивает эффективность использования лекарств.

Близко к рассматриваемому вопросу стоит проблема адресной, прицельной доставки лекарств к органам-мишеням. Наночастицы, могут служить "курьерами", адресно доставляющими лекарственные вещества к необходимым органам, например, существует такое вещество как куркумин, обладающий мощным противораковым действием, но его использование было практически невозможно из-за плохой растворимости в воде (основного вещества внутренней среды организма), использование контейнера из наночастиц позволило исследователям из Индии обойти это ограничение. Наночастицы в данном, и многих других случаях, служат не только переносчиком терапевтических средств, но и защитным каркасом для них.

Для доставки специализированных средств возможно и использование бактерий, как показали исследования американских ученых. Бактерии перемещаются при помощи жгутиков - молекулярных пропеллеров, подчиняясь сигналам рецепторов, которые чувствуют малейшие изменения концентрации определенных химических веществ. Теоретически, изменив эти рецепторы, можно заставить бактерий реагировать на другие молекулы. Однако сделать это довольно непросто, поэтому американские ученые пошли другим путем. Они взяли кишечную палочку Escherichia coli, у которой отсутствовал один из сигнальных белков. Из-за этого она могла лишь кувыркаться на одном месте. Далее исследователи ввели специальный рибопереключатель (рибосвитч, riboswitch) - маленькую цепочку РНК, содержащую ген отсутствующего белка. Обычно она образует петлю, что препятствует репликации белка. Но рибосвитч также может связываться с маленькой молекулой теофиллина. Когда теофиллин связывается с рибосвитчем, РНК раскрывается и становится возможной экспрессия недостающего гена. Теперь жгутики могут функционировать нормально, и бактерии двигаются по направлению к их природному хемоаттрактанту. Но, хотя бактерии невосприимчивы к теофиллину, чем больше его концентрация, тем быстрее они могут двигаться. Поэтому им приходится плыть вдоль теофиллиновых дорожек, созданных учеными. Стоит бактерии свернуть с пути, как сразу срабатывает рибопереключатель, выступающий в роли тормоза. Таким образом, был разработан рибосвитч, заставляющий бактерий двигаться в заданном направлении, следуя за псевдоаттрактантом.

Бактерии, влекомые особыми молекулами, становятся "клеточными роботами" и могут быть использованы для широкого класса задач. Теперь для практических применений необходимо сделать аналогичный рибопереключатель на другие вещества, например, специфичные для опухолей. Тогда можно будет заставить бактерий доставлять лекарства или совершать иную полезную работу.

Также предлагается использование желатиновых наночастиц для транспортировки терапевтических генных структур к опухолевым клеткам, до этого предлагалось в качестве транспорта использовать вирусы (вирусные векторы), но нанотранспорт оказался более выгодным и лишенным таких недостатков вирусных переносчиков как токсичность.

Определенное значение в доставке препаратов имеет и размер наночастиц: например если сделать наночастицы достаточно большими что бы она задерживалась в легких, но одновременно слишком маленькими для того чтобы они выводились системой очищения легких. Это естественно улучшит возможности ингаляционной терапии.

Ведущим направлением в нанотехнологических исследованиях на данный момент является синтетическое направление связанное с технологиями получения новых материалов. Это направление нашло применение и в медицине. На основе нанотехнологий были получены новые шовные материалы, например, полилактатное полотно, способное без клея прикрепляться к краям ранения или хирургического надреза, при этом закрывающее его от внешней среды, препятствуя заражению и улучшая заживление. При этом, данный материал способен разлагаться ферментами организма со временем. Это свойство используется при создании полилактатных шовных нитей, которые не требуется снимать. Что облегчает работу хирургу и жизнь пациенту.

Совершенно особенную разработку создали американские ученые. На основе биоматериалов с помощью нанотехнологий был создан гель, при введении в поврежденный участок головного мозга вызывающий восстановление тканей в этом участке. При этом ткани имеют четкую структуру, соответствующую структуре неповрежденной мозговой ткани. Пока что эта разработка действует, опять же, только в опытных моделях на мышах, но в скором будущем она дойдет и до стадий клинических испытаний.

Серьезные повреждения головного мозга способны вызвать как необратимые изменения личности, так и серьезные сбои в физиологии человека вообще. Вплоть до состояния "растения". На данный момент не изобретено лекарство, способное восстанавливать нейроны и нервную ткань. Поэтому необходимость в подобном лекарстве существовала давно. Если этот гель пройдет клинические испытания и будет внедрен в практическую медицину, то самые серьезные повреждения головного мозга станут намного более легко излечимыми.

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и не живым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.
2. ДНК - чипы (создание индивидуальных лекарств).
3. Искусственные ферменты и антитела.
4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического
5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

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

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.

Наука шагает вперед семимильными шагами. Стремительное развитие технологий дало возможность создавать приложения и устройства, которые способны открыватьбесконечные возможности в различных направлениях медицины. Используя нанотехнологии в медицине, человек все ближе подходит к постижению того, какие процессы происходят в его организме как на клеточном или молекулярном уровне, так и на атомном уровне или на наноуровне.

Наноботы - это наномашины будущего поколения. Они могут ощущать изменения в окружающей среде и адаптироваться к ним, делать сложные расчеты, общаться, активно двигаться, совершать сборку на молекулярном уровне, проводить ремонт или даже обзаводиться потомством. Такие продвинутыенанотехнологииимеют огромный потенциал для использования их в медицине.

Нанокомпьютеры. Это машины, благодаря которым становитсявозможным управлять нанороботами. Тяга к созданию нанокомпьютеров, а также стремление производить квантовые вычисления открывают безграничные возможности для того, что бы использовать нанотехнологии в медицине.

Вот лишь несколько примеров того, как используют нанотехнологии в медицине:

Регенерация на клеточном уровне. Поврежденные клетки организма часто невозможно или очень сложно восстановить, поскольку они очень малы. Однако нанотехнологии в медицине позволяютнарушить это правило. Наноботы а также иные устройства, могут использоваться для манипуляций, которые необходимо произвестина молекулярном уровне для восстановления клеток.
Болезни сердечнососудистой системы. Существует реальная возможность научиться использоватьнанотехнологии в медицине сердечной деятельности. Вчастности, нанороботы могут выполнять множество функций, например таких, как восстановление поврежденных сердечных тканей.Другим вариантом использования нанотехнологийв медицинеявляется очищение артерий отвозникающих в них атеросклеротических бляшек и для устранения иного рода проблем.
Лечение рака. Первые шаги, во время совершения которых использовались нанотехнологии в медицине лечения рака, были уже сделаны и имели большой успех.Функциональность некоторых наноустройств позволяет им наиболее точно нацелиться нараковые клетки и уничтожить их, не причиняя вреда здоровым клеткам, которые их окружают.
Старение. Нанотехнологии вмедицинемогут использоваться для устранения некоторых признаков приближающейся старости.К примеру, лазерные технологии могут повлиять на проявление возрастных изменений на коже, таких как пятна, линии или морщины. В скором будущем, благодарямощным нанотехнологиям, в медицинестанет возможным полное устранение таких признаков.
Имплантация устройств.На смену имплантатам, которые на сегодня использует традиционная медицина, придет внедрение в организм нанороботов для создания внутринего необходимых структур.
Нанопинцет. Это устройство является еще одним ярким примером того, как можно использовать нанотехнологии в медицине. Оно предназначено для работы наноструктур. Нанопинцет может использоваться для перемещения наноустройств в теле или для размещения таких устройств до установки. Как правило, при построении нанопинцетов используют нанотрубки.
Доставка медикаментов и лекарств. Автоматические устройства, доставляющие лекарства в организм, повышают согласованность между его системами, посколькуобеспечиваютмедикаментами именно ту систему, которой они необходимы. Такие нанотехнологии в медицине позволяют программироватьсистемы доставки так, что они высвобождают определенные лекарственные вещества в нужное время и без возможности совершения ошибки со стороны человека.
Виртуальная реальность. Нанотехнологии в медицине облегчают врачам изучение человеческого организма через применение инъекций наноботов. Созданная виртуальная реальность помогает медицинским работникам некоторые сложные операции сделать более «реалистичными»
Регенерация костей. Использование нанотехнологий помогает ускорить восстановление костей. Наночастицы обладают различным химическим составом, способным соединить костную ткань и даже помочь в случаях с повреждением спинного мозга.
Генная терапия. Нанотехнологии в медицине также применяютсядляпроникновения в организм человека с целью внесения коррективов в его геном. Это, как следствие, позволитвылечить разного рода генные болезни.
Стволовые клетки. Нанотехнологии в медицине могут помочь зрелым стволовым клеткам преобразоваться в любой нужный тип клеток. Исследования, проведенные на мышах, показали возможность превращения взрослых стволовых клеток в функционирующие нейроны с помощью нанотрубок.
Визуализация. Использование нанотехнологий в медицине позволяет быстро получить специфическое и очень точное изображение. Молекулярная визуализация позволяет улучшить диагностику различных заболеваний.
Сахарный диабет. Сбор крови для определения уровня сахара становиться излишним,если использоватьв медицине такие нанотехнологии, как линзы. Они дают возможность определитьналичие сахара в крови, изменяя свой цвет.
Хирургия. Таким изобретением современного мира, как хирурги-роботы на сегодня никого не удивишь. В то время, как нанохирургия является перспективной отраслью для использования некоторых лазеров, наноустройств, запрограммированных на выполнение хирургических операций.
Эпилепсия. Это еще одна проблема, для решения которой применяютнанотехнологии в медицине. Разрабатывают наночипы, которыеспособны управлятьприпадками судорог у эпилептиков. Они предназначены для того, что бы улавливатьсигналы, подаваемые мозгом, анализироватьих и выполнять настройки мозга так, что б облегчить контроль надприступами.
Обратная сенсорная связь. Наночипы могут помочь людям, утратившим возможность чувствовать свое собственное тело.Они способны перехватывать электрические импульсы и интерпретировать их.
Управление протезами. Нанотехнологии в медицине протезирования также находят свое законноеместо. Онипомогают мозгу справляться с управлением протезами. Уже есть достаточно примеров, когда наночипы использовались с этой целью.
Медицинский контроль. Благодаря использованию нанотехнологий в медицине, стало возможным вести контроль надсостоянием систем организма. Наночипы, вживленные в тело, могут следить за состоянием здоровья и отправлять принятые сведения на компьютер или иное электронное устройство.
Медицинские отчеты.Помимо мониторинга собственных систем человеческого организма, нанотехнологии в медицине могут использоваться для отправки информационных известий поставщикам, оказывающим медицинские услуги, повышая, таким образом, эффективность медицинских записей в электронном виде.
Профилактика заболеваний.Нанотехнологии в медицинеспособны реально предотвратить возникновение различных болезней. Так, наноустройтсва, если их правильно запрограммировать могут помочь избежать многих заболеваний, выявляя проблемы раньше, чем они превратятся в серьезные. Они также способны помочьпредупредить появление хронических заболеваний.
Пренатальная диагностика. Нанотехнологии, используются в медицине для пренатальной диагностики. Наноустройства могут проникнутьвнутрь матки или даже внутрь самого плода, не вызывая при этом никаких повреждений. Таким образом, они способны помочь выявить и устранитьпроблемы плода, возникающие еще в материнской утробе.
Индивидуальная медицина.Обладающие способностьюприспосабливаться к геному любого человека, нанотехнологии в медицине позволяют наиболее точно назначить лечение, а также определить егоходс учетом индивидуальных потребностей организма.
Исследования.Нанотехнологии в медицине дают возможность стремительно продвигать вперед медицинские исследования, предоставляя для этого необходимые инструменты,благодаря которым человек познает новое о функционировании и построении своего организма. А благодаря исследованиям, проводимым в областях химии и физики, нанотехнологии в медицинемогут обеспечить организм человека необходимым строительным материалом.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.
1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).
1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.
1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека,Суздалев. И П. Нанотехнология М.--Комкнига, 2006 -- 592 стр. определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность. Пул-мл., Ч. Нанотехнологии : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 335 стр.

Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

« Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Другим древнейшим применением нанотехнологий в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.

Шунгитная вода: полезно или все-таки вредно?

Наверное, уже многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитную воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов. Расскажем о такой воде немного подробнее. Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить — через несколько часов, она теряет свои уникальные свойства.

Проведенные на Украине и в Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале — шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра.

Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений», и разрушающие живой организм. Высокими антиоксидантными свойствами обладают витамины С, Е, А, янтарная кислота и ряд других веществ.

Проведенные исследования с применением марциальных вод указывают на высокий оздоровительный эффект при раковых заболеваниях, атеросклерозе, диабете, болезнях почек и печени, нарушениях в работе мозга и т.д.

Однако у этих исследований есть и свои противники. Ряд ученых выражают озабоченность в связи с открытой продажей шунгитовой воды именно потому, что в ней, в отличие от марциальных вод, могут находиться и фрагменты фуллеренов, которые, как известно, крайне нестабильны. Употребляя воду, настоянную на шунгите, человек может выпить не только полезные кластеры. Фуллерены или их осколки с легкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер, то есть проникают в живые ткани, в том числе и мозг. В тоже время, эти наноразмерные частицы дополнительно могут еще и транспортировать на себе самые разные вещества, которые в норме барьер не проходят и в нервные ткани не проникают.

Применение в строительстве асбестоцементных плит (например, из них изготавливают стены ванной и туалета) во многих странах мира считается опасным. Асбест состоит из мелких игольчатых микро- и наноструктур. Шахтеры, которые добывают асбест и много лет подряд вдыхают асбестовую пыль, почти гарантированно получают рак легких из-за воздействия этой пыли. В целях заботы о здоровье во многих странах мира асбестовые конструкции демонтируют. Можно вспомнить пример со зданием правительства в бывшей восточной Германии, которое новые власти практически снесли из-за активного применения в нем асбестовых материалов.

Нелепо предположить, что можно взять минерал (камень) из того же алюмосиликата, измельчить его, затем настоять на нем воду и предлагать потребителю. Применение шунгитовой воды должно осуществляться под строгим медицинским контролем, с длительным изучением как возможных положительных, так и отрицательных последствий.

«Опасное» нано

На Совете Федерации 19 марта 2008 года Сергей Иванов неоднозначно заявил, что нанотехнологии пока освоили только жулики, которые уже рекламируют всевозможные нанокремы. «Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы их намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли», — предупредил первый вице-премьер. Другие жулики тем временем пытаются покуситься на 130 млрд. рублей, которые государство выделило госкорпорации «Российские нанотехнологии», и представляют «завиральные и фактически неосуществимые проекты».

Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон (Hanna Karlsson), ученый из Karolinska Institutet (Швеция).

По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Исследование показало, что воздух в метро содержит частицы железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, когда свободные радикалы образуются в клетках организма. Свободные радикалы — это быстродвижущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает ученый, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.

Аналогичные частицы, которые были обнаружены в ходе исследования, возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.

В связи с высокой проникающей способностью наночастиц некоторыми учеными также высказываются опасения и относительно применения различных твердых наноразмерных объектов в ряде косметических препаратов: кремах, лосьонах и т.д. Механизм и характер поведения наночастиц после нанесения на кожу полностью не изучен. Вполне вероятно, что наночастицы не пожелают надолго задерживаться в кожном покрове и отправятся в путешествие по всему организму.

Однако встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.

«Наногильзы»

Директор Лаборатории нанофотоники (Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Райса в Хьюстоне, Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами — наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки — антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.

«Нанонейровязание» и другие достижения

Марк Гринстафф (Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран дендримеры.

Исследователи из Гонконгского университета — профессора Ратледж Эллис-Бенке (Rutledge Ellis-Behnke) и Геральд Шнайдер (Gerald Schneider), дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.

« Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», — заявил российскому агентству ИТАР-ТАСС профессор Эллис-Бенке .

Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 80 лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже, особенно у мужчин, продолжительность жизни которых, по некоторым данным, равна всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения организма.

Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышек и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа (Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета в Эванстоне (Northwestern University, Evanston), Иллинойс. Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные мыши были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.

Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и ей не вводились никакие препараты. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы введение нанопрепаратов позволило сердцу восстановиться практически полностью и функционировать так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и подтверждены на подопытных кроликах.

«Наномедицинские» чудеса

Преимущества медицинской нанотехнологии над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в организме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.

Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления мышиной печени, рассеченной исследователями. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.

Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.

В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998-2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин.

Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологий создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, то экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехнологиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги.