Нано-и биотехнологии

– повышение производительности позволяет проводить комплексное  обследование по набору диагностических  критериев, что может быть использовано для индивидуального подхода  к лечению и профилактике;

– создание биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один миниатюрный прибор;

– разработка молекулярных детекторов на основе нанопор;

– изучение возможности  получения и применения, эффективных  фармпрепаратов и вакцин в виде наночастиц;

– создание на основе наноструктур системы адресной доставки лекарств, позволяющей повысить специфичность  и скорость доставки функциональных молекул в клетки-мишени.

 

4.1 Нанобактерии

 

По мнению ученых, нанобактерии играют важную роль в образовании минералов, превращении вулканических пород в почву и коррозии металлов.

Проявление некоторых  патологических состояний почек  у человека, в частности образование  камней, было объяснено наличием нанобактерий. Известно, что:

1. Нанобактерии не  синтезируют собственные аминокислоты, жирные кислоты (и, возможно, нуклеотиды), а используют готовые, получая их из окружающей среды. При нехватке экзогенных жирных кислот мембранные липиды могут частично заменяться фосфатом кальция.

2. У нанобактерий отсутствуют  энергоемкие системы активного транспорта, характерные для про- и эукариотических клеток. Транспорт веществ осуществляется за счет диффузии и броуновского движения, чему способствуют ультрамикроскопические размеры бактерии.

3. Концентрация растворенных  веществ и осмотическое давление внутри нанобактерий не отличается от окружающей среды. В связи с этим нанобактериям не требуются энергозатратные системы поддержания внутриклеточного гомеостаза.

Но многие ученые, тем  не менее, сомневаются в том, что  нанобактерии действительно являются жизненной формой, и утверждают, что с большей вероятностью это органические структуры, а не биологические.

Несмотря на то, что  со времени первого обнаружения  бактерий прошло около 20 лет, существование  нанобактерий на данное время является одним из спорных научных вопросов.

 

 

5. Наномедицина

 

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно  разделить на несколько групп:

1. Наноструктурированные  материалы, в т.ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.

2. Наночастицы. Спектр  возможных применений чрезвычайно  широк. Он включает борьбу с  вирусными заболеваниями, такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.

4. 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» (lab on a chip). Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. 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.

6. Наноинструменты и  наноманипуляторы. Наноманипуляторами  можно назвать устройства, предназначенные  для манипуляций с нанообъектами  - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могу 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. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъект 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".

7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё 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, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Сегодня для врачей и фармакологов очевидна аксиома, что лекарства, упакованные в липосомы, становятся более эффективными и безопасными, точно попадают к органам-мишеням и позволяют снизить дозу препаратов. Применение наноконтейнеров в медицине открывает перед ней новые возможности и новые перспективы манипуляций с мини-дозами препаратов.

 

5.1 Зачем медицине  нанотехнологии?

 

"Поскольку основной объект  воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую - макромолекулы, - то и инструменты для их  починки должны быть того же  порядка, что и объект, то есть  нанометрового диапазона". Для медицины наноразмеры - это все, что меньше 1 мкм, получается, что это понятие в медицине несколько менее строгое, чем в физике или химии. Важно, чтобы нанообъект проходил через поры капилляров размеров 100-200 нм.

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ НАНОПРЕПАРАТЫ "КОНТЕЙНЕРЫ". Существенно не более или менее строгое ограничение размеров нанообъектов, а то, что при переходе к этим размерам объект приобретает качественно новые свойства. Именно этим и отличаются лекарственные нанопрепараты. Под этим словом понимают лекарства, молекулы которых упакованы в наноконтейнеры - например, липосомы. В таком "упакованном" виде они поступают в организм, достигают органов и клеток-мишеней, высвобождают лекарство и распадаются на безопасные части, которые организм покидают. В липосомном виде увеличивается растворимость многих лекарственных веществ, что крайне важно для их действия. Уменьшается токсичность, поскольку действующее вещество защищено липосомной оболочкой. Поэтому лекарство действует только тогда, когда достигает клетки-мишени, никак не раньше, и по пути не деградирует, а доходит в активной форме. Все это позволяет снизить эффективную дозу лекарства, что особенно существенно, например, для онкологических больных, получающих химиотерапию. В основе прицельной доставки нанопрепаратов к мишеням лежат два основных механизма.

Во-первых, они обладают свойством пассивного нацеливания. В районе воспаления в капиллярах расширяются поры, и липосомы проходят как раз через эти поры, то есть, попадают именно туда, куда нужно. Но можно организовать еще и активный транспорт, присоединяя к наночастице "молекулярный адрес" к рецепторам на мембранах клеток-мишеней.

НАНОПРЕПАРАТЫ В ОНКОЛОГИИ. В Харькове производят липосомный доксорубицин ("Липодокс") - препарат для химиотерапии рака. Показано, что его липосомная форма действует в несколько раз эффективнее, чем просто раствор. В препарате бетулиновой кислоты, которая действует против меланомы, липосомная форма существенно повышает растворимость, а еще лучше растворяется вещество в форме нанокристаллов.

НАНОПРЕПАРАТЫ В НЕВРОЛОГИИ. Разработана и липосомная форма  противопаркинсонической субстанции ДОФА. В крови ДОФА быстро деградирует, так что только 20% введенного лекарства достигает гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Липосомы облегчают прохождение вещества через ГЭБ. При применении липосомной формы ДОФА эффективную дозу можно уменьшить в 10 раз, а продолжительность действия лекарства в два-три раза увеличивается. Липосомы позволяют использовать для лечения не ДОФА, а сам дофамин. Это именно то, чего не хватает клеткам мозга при болезни Паркинсона, но без липосом он не оказывает никакого эффекта.

НАНОПРЕПАРАТЫ В ИММУНОЛОГИИ. Экстракт березовой коры обладает большим  набором биологической активности: антиоксидантной, ммуномодулирующей, антимутагенной и пр. Из этого экстракта изготовили наночастицы, которые, как они показали, взаимодействуют с иммунными клетками. Разработаны нанопрепараты, три производятся промышленно, также некоторые препараты проходят клинические испытания.

РЕГЕНЕРАТИВНАЯ МЕДИЦИНА. В области клинической медицины самое существенное применение биомедицинскких  нанотехнологий осуществлено при решении  проблем доставки препаратов и регенеративной медицине. Наночастицы позволят врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и минимизируя побочные эффекты. Они также предлагают новые возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ. Наночастицы также могут использоваться, чтобы стимулировать врожденные механизмы регенерации.

 

 

6. Значение применения  нанотехнологий

 

В целом же, разработка и применение нанотехнологий позволят достичь следующих основных целей:

1. Изменение структуры  валового внутреннего продукта  в сторону увеличения доли наукоемкой продукции.

2. Повышение эффективности  производства.

3. Переориентация российского экспорта в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий.

4. Создание новых рабочих  мест для высококвалифицированного  персонала инновационных предприятии,  создающих продукцию с использованием  нанотехнологий.

5. Развитие фундаментальных  представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов.

6. Формирование научного  сообщества, подготовка и переподготовка  кадров, нацеленных на решение  научных, технологических и производственных  проблем нанотехнологий, создание  наноматериалов и наносистемной  техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках.

Президентом Российской Федерации «Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений  достижения этих целей может стать  ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

Развитие направлений  науки, техники и технологий, связанных  с созданием, исследованиями и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности.

В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и ведутся  только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.

Нанотехнологии могут  стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.

Разработка и успешное освоение новых технологических  возможностей потребует координации  деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

 

 

7. Последствия применения  био- и нанотехнологий

 

В глобальном масштабе биотехнологии должны обеспечить постепенный переход к использованию возобновляемых природных ресурсов, включая использование солнечной энергии для получения водородного и жидкого углеводородного топлива. Биотехнологические методы открывают новые возможности в таких областях, как добыча полезных ископаемых, утилизация отходов и защита среды обитания, получение новых материалов и биоэлектроника.