Применение нанотехнологий в медицине

Наномедицина — слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры. Наномедицина подразумевает применение достижений нанотехнологии при лечении и омоложении человека, включая достижение физического бессмертия.

Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Ее 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 21 веке.

Классик в области нанотехнологических разработок и предсказаний Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал основные методы лечения и диагностики на основе нанотехнологий. Ключевой проблемой достижения этих поразительных результатов является создание машин ремонта клеток, прототипами которых являются нанороботы, называемые также ассемблерами или репликаторами. Но если обычные нанороботы должны уметь превращать одну вещь в другую, переставляя составляющие их атомы, то медицинские нанороботы должны уметь диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и лимфатических системах человека и внутренних органов, доставлять лекарства и даже делать хирургические операции. Они смогут уничтожать болезни еще в момент их зарождения и возвращать молодость. Кроме того, представляется актуальным нахождение нанороботов в нервной системе для анализа ее деятельности, а также возможность корректировки собственной ДНК, например, для лечения аллергии и диабета. Медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики.

Типичный медицинский наноробот будет иметь микронные размеры, позволяющие двигаться по капиллярам, и состоять (на базе нынешних взглядов) из углерода. Углерод и его производные выбираются по причине высокой прочности и его химической инертности. Конструкции нанороботов еще не разработаны и находятся в стадии проектирования. Их использование, порядок, время работы и вывода из организма будут зависеть от конкретных задач. Проблема биосовместимости решается за счет выбора оптимального материала и размеров наноробота. В качестве основных источников энергии предполагается использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека.

Управление нанороботами будет осуществляться акустически путем подачи команд через компьютер. Обратную связь также возможно осуществить акустически, но можно ее создать и на основе внутренней сети с локальными данными, которые пересылаются на некоторый центральный узел связи, откуда они поступают к лечащему врачу. Лечение будет заключаться во введении нанороботов в человеческое тело для дальнейшего анализа ситуации и принятия решения о выборе метода лечения. Врач управляет нанороботами, получая информацию от активных нанороботов. Наномедицинский персонал будущего должен будет отвечать повышенным требованиям к знанию основ наномира, поскольку, к примеру, незнание законов физики может привести к гибели пациента. Категорически планируется исключить репликацию (размножение) нанороботов в теле человека для исключения фатальных последствий.

В настоящее время уже существуют предшественники нанороботов, но в миллимитровом масштабе. Впервые к помощи роботов прибегли в 2000 г. Хирурги медицинского факультета Вашингтонского университета во время операции на сердце, с тех пор механизированные инструменты стали применяться при проведении целого ряда медицинских процедур. Год спустя нью-йоркские доктора использовали дистанционно управляемого робота для удаления желчного пузыря женщине, находящейся во Франции.

Среди проектов будущих медицинских нанороботов уже существует внутренняя классификация, по области их работы, на микрофагоциты, респироциты, клоттоциты, васкулоиды и другие.

Микрофагоциты принадлежат к классу медицинских нанороботов, являющихся искусственными иммунными клетками. Они предназначены для очищения крови человека от вредных микроорганизмов, потенциально помогая в свертывании крови, транспорте кислорода и углекислого газа, и создании надстройки к естественной иммунной системе. Предполагается, что микрофагоциты будут находить в организме человека чужеродные элементы и перерабатывать их в нейтральные соединения. Причем в отличие от натуральных фагоцитов микрофагоциты будут это делать намного быстрее и чище.

Респироциты являются аналогами эритроцитов, которые имеют значительно большую функциональность, чем их природные прототипы. Их внедрение позволит снизить постоянную потребность человека в кислороде, позволяя подолгу обходится без него, и поможет людям, страдающим астматическими заболеваниями Эти наномашины будут анализировать сигналы от своих сенсоров для принятия акустических команд от врача. Команды по нагнетанию кислорода позволят пловцам задерживать дыханию на несколько часов, а спринтерам бежать дистанцию без глотка воздуха.

Клоттоциты — искусственные аналоги тромбоцитов. Эти машины позволят прекращать кровотечения в течение 1 секунды, будучи более эффективными своих природных аналогов во много раз. Их работа будет заключаться в быстрой доставке к месту кровотечения связывающей сети. Эта искусственная сеть будет задерживать кровяные клетки, останавливая ток крови Настоящая задача влечет за собой повешение требований к клоттоцитам, включая решение обратных задач — не только связывания крови, но и ее очистку от тромбов.

Васкулоид — это механический протез, созданной на основе микрофагоцитов, респироцитов и клоттоцитов, и входящий в состав проекта по созданию робототехнической крови, совместно разработанного Крисом Фениксом и Робертом Фрайтасом. Этот проект, названный «Roboblood», представляет собой комплекс медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в теле человека, выполняя все функции естественной кровеносной системы, но только гораздо лучше и эффективнее природной. Робототизированная кровь позволит своему владельцу не бояться микробов и вирусов, атеросклероза и венозного расширения вен, не говоря уже о тотальном лечении больных и поврежденных клеток.

Помимо медицинских нанороботов, существующих пока только в головах ученых, в мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся — адресная доставка лекарства к больным клеткам, диагностика заболеваний с помощью квантовых точек, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства, имплантаты.

Адресная доставка лекарства 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.

Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек основана на отслеживании перемещения внутри человека различных веществ (лекарств, токсинов, крови). Определив эти движения, можно узнать степень распределения и введения новых препаратов. До применения квантовых точек вместо них использовали маркеры на базе ядовитых органических красителей, что плохо сказывалось на пациенте. В отличие от них квантовые точки как полупроводниковые кристаллы нанометрового размера лишены этого недостатка.

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, распознавать ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трехмерность.

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.

Создание чипов, комбинирующих неорганические вещества и живые клетки, тесно связано с созданием имплантатов таких жизненно важных органов, как печень или поджелудочная железа.

Искусственная поджелудочная железа, размером в половину однокопеечной монеты уже испытана на крысах, страдавших диабетом.

Несколько лет назад была разработана методика восстановления хрящевой ткани без донорных клеток больного. Специальный гель, содержащий хрящевые клетки, с помощью артроскопа можно вводить через небольшие наружные надрезы. Новая ткань растёт и соединяется с нормальным хрящём, а гель саморазрушается через запрограммированный промежуток времени. Основу геля составляют пептиды, способные формировать нановолокна всего 10−20 нанометров в диаметре. Искусственная природа этих наночастиц исключает возможность заражения пациента.