Нанотехнологии в регенеративной медицине (тканевой инженерии)

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно  ниже соответствующего показателя для  ремантадина (25 мкг/мл), традиционно  используемого в борьбе с вирусом  гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С₆₀/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата – его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.

Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение.

Первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских) применений. Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них:

• предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;
• наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры;
• способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций «гость-хозяин».

Так, применение наночастиц серебра и висмута может оказаться  полезным при лечении таких заболеваний, как трофические язвы (время заживания  раны сокращается в несколько  раз), гнойный остеомиелит, бактериальный вагиноз, для лечения различного вида ожоговых ран.

Эксперименты показали, что наночастицы серебра размером от 1 до 10 нанометров являются эффективными ингибиторами вируса иммунодефицита человека и пригодны для лечения ВИЧ заболеваний.

Способы введения наночастиц золота в биологическую ткань  также активно изучаются, и выявлены позитивные аспекты их использования для повышения иммунной защиты организма.

Наночастицы лекарственных веществ, получаемые методом контролируемой сублимации, могут быть использованы для введения препаратов через дыхательные пути, что позволило снизить на несколько порядков дозу препарата для получения того же терапевтического эффекта этого противовоспалительного препарата.

Крохотные наночастицы, ведущие себя подобно вирусам, возможно, смогут сделать генную терапию более безопасным и надежным методом лечения. Размер их составляет примерно одну миллиардную часть метра. Они были получены сотрудниками Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) и предназначены для того, чтобы «незамеченными» проскальзывать через заграждения иммунной системы человеческого организма, которая любого чужака воспринимает как врага и стремится его уничтожить.

Наночастицам предстоит играть роль своеобразного транспортного средства, «нагруженного» генами или белками, которые необходимо доставить в нужную точку организма человека для того, чтобы «починить» его. В настоящее время доказано, что наночастицы снижают негативное действие радиации на организм. Адам Дикер из американского университета Томаса Джеферсона и компания C Sixty полагают, что фуллерены помогут защищать ткани людей от побочных эффектов воздействия радиации и химиотерапии. Исследователи рассчитали, что параметры электронных оболочек молекулы C60 позволят этому "шару" из атомов углерода эффективно притягивать к себе и нейтрализовывать так называемые активные формы кислорода - один из главных факторов повреждения клеток при лечении пациентов химиотерапией и облучением.

Для доставки лекарственных  средств в нужное место организма  могут быть использованы миниатюрные (около 1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Микроскопические капсулы  сравнительно простой конструкции  могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции  может послужить предложенный 
Р. Фрейтасом респироцит – искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов).

3.6  Наноинструменты и наноманипуляторы.

Использование 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.

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. Это в первую очередь  изучение молекулярной структуры клеточных  мембран.

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.

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.

В настоящее время в рамках регенеративной медицины разрабатываются методы лечения широкого спектра болезней. Наиболее заметные результаты были получены на следующих направлениях:

• Диабет: установлено, что в жировой ткани человека имеются клетки, которые, будучи пересажены в печень, не только там успешно размножаются, но и синтезируют инсулин точно так же, как в нормальном случае это делают соответствующие клетки поджелудочной железы. Успешные опыты на мышах показывают перспективность лечения диабета с помощью методов на основе такого подхода.
• Сердечно-сосудистые болезни: опыты успешного применения стволовых клеток из здорового сердца свиньи для лечения повреждений ее сердечной мышцы после того, как она испытала сердечный приступ демонстрируют возможность использования стволовых клеток, взятых из здоровой части сердца больного, для лечения поврежденной его части;
• Нервные болезни: инъекции эмбриональных стволовых клеток в спинной мозг мышей и крыс делают то, что до сих было невозможно: парализованные из-за повреждения спинного мозга грызуны вновь обретают подвижность;
• Глазные болезни: трансплантация стволовых клеток с успехом применяется для восстановления зрения у пациентов с врожденными или полученными в результате болезней дефектами роговицы глаза.
• Облысение: методы регенеративной медицины активно разрабатываются для борьбы с широко распространенной проблемой наследственного облысения. Уже проходят клинические испытания технологии восстановления волос, использующие диапазон идей от клонирования здоровых волосяных фолликулов пациента с последующим внедрением клонов в облысевшие области до стимуляции роста новых волосяных фолликулов в областях облысения.⁴

¹ http://www.stomport.ru/articlepro_show_id_66

² http://www.vechnayamolodost.ru/pages/stvolovyekletki/kadti3d.html

³ http://www.onkology.ru/page,3,nano.html

⁴ http://www.gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w57k-nanomed1/

  И.В.Артюхов, В.Н.Кеменов, С.Б.Нестеров.