Нанотехнологии в 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 нмс 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 обьясняет 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.

ГЛАВА 2.