Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Несколькими группами исследователей изучалась возможность передачи электрических импульсов от формирующейся нейрональной сети с помощью проводящих нанотрубок. Lovat et al. (2005) установили, что между растущими нейронами и нанотрубками имеется электрическое сопряжение, поскольку подача электрических импульсов на нанотрубки вызывала увеличение постсинаптических токов растущих на трубках нейронов гиппокампа. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nejronalnye-seti

В последние годы появились новые методы регенерации костной ткани, основанные на применении наноматериалов. Подобные костные матрицы, содержащие коллаген и гиалуроновую кислоту, уже прошли клинические испытания на пациентах с дефектами костей, возникающими после травмы, удаления опухолей и спондилодеза. Клетки костной ткани также могут эффективно расти и пролиферировать на матрице и нанотрубках, поскольку последние не разрушаются и являются биологически инертными (Zanello et al., 2006). Также, недавно было предложено несколько новых методов регенерации хряща, в том числе после травматических повреждений коленного сустава. Нанотехнологии, как и клеточная терапия, рассматриваются как перспективные способы регенерации хряща. Тонкая структура электросшитой поли-L-лактидной матрицы представляет собой идеальную основу для формирования тканей, в частности, хряща. Имплантированные в такую матрицу клетки растут вдоль нановолокон, которые демонстрируют хорошую биосовместимость и, в то же время, являются биодеградируемыми (Boudriotetal., 2004).

Наноматериалы находят применение и в качестве покрытия конструкций для металлоостеосинтеза. В экспериментальных исследованиях показано, что покрытие титановых конструкций наноразмерными частицами фосфата кальция сопровождается лучшей остеоинтеграцией, чем при покрытии стандартным фосфатом кальция (Sato et al., 2008). Существует несколько способов нанесения наночастиц фосфата кальция на металлическую поверхность. В последние годы наиболее перспективными считаются методы электростатического распыления и электростатической самосборки. Метод электростатического распыления позволяет создавать пористые покрытия, которые имеют большую площадь поверхности для взаимодействия с белками, клетками и молекулами лекарственных препаратов (Huang et al., 2005). Костная матрица, содержащая наноразмерные волокна оксида алюминия, обеспечивала лучшую адгезию остеобластов, чем матрица на основе стандартных зерен данного материала (Price et al., 2003). Кроме того, в наноматрице отмечалась более высокая активность щелочной фосфатазы и более выраженное отложение кальция.

Серьезным осложнением открытых переломов является инфицирование тканей. Colon et al. (2006) установили, что наноструктурированная частицами оксида цинка и диоксида титана поверхность способствуют лучшей адгезии и функциональной активности остеобластов и, напротив, препятствуют адгезии патогенных бактерий, таких как Staphylococcus epidermidis. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/ortopedija

Более 90% всех используемых в офтальмологии лекарственных форм представлены глазными каплями. Несмотря на относительную эффективность глазных капель, около 95% активного лекарственного начала не достигает клеток-мишеней вследствие защитного механизма слезотечения. Существует еще одна причина низкой биодоступности лекарственных препаратов, входящих в состав глазных капель, - это высокая плотность роговицы. Для оптимизации доставки лекарственных средств к структурам глаза использовались различные нанопереносчики, включая полимерные наночастицы, дендримеры и липосомы (Vandervoort, Ludwig, 2007). Применение этих наночастиц, нагруженных препаратами, обеспечивало более длительный контакт лекарственного средства с клетками-мишенями. Установлено, что при субконъюнктивальном введении полилактидных наночастиц диаметром 200 нм практически все частицы задерживаются в месте введения. Это позволяет уменьшить частоту закапывания и снизить дозу используемого средства. Те же преимущества нанопереносчиков могут быть востребованными при внутриглазном введении препаратов. Внутриглазное введение фактора пигментного эпителия, конъюгированного с полилактид-ко-гликолидными наночастицами, приводило к более выраженному нейропротективному эффекту у мышей с экспериментальной ишемической ретинопатией, чем введение неконъюгированного фактора пигментного эпителия (Li et al., 2006). В последние годы появились сообщения об эффективной трансфекции генов в клетки структур глаза с помощью наночастиц. Так, de la Fuente et al. (2008) показали эффективность переноса стандартных плазмид в культивированные клетки эпителия роговицы и конъюнктивы с помощью хитозангиалуронатных наночастиц (уровень трансфекции до 15%). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nanooftalmologija

Нанотехнологии используются не только для диагностики инфекционных заболеваний, но и для уничтожения патогенных микроорганизмов и их элиминации из организма человека. Определенные составы нанопорошков обладают выраженными противомикробными свойствами. Такие порошки состоят из нанокристаллических частиц оксидов нетоксичных металлов с присоединенными к ним активными формами галогенов (например, MgO·Cl2, СаО·Вr2). При контакте этих частиц с патогенными бактериями (например, Escherichia coli, Bacillus cereus, Bacillus globigii) последние гибнут в течение нескольких минут.

Определенные наноматериалы также обнаруживают выраженные микробицидные свойства. Например, нанотрубки, синтезированные из углеводородов и аммония, демонстрируют мощный антимикробный эффект (Lee et al., 2004). Хорошо изучены антибактериальные свойства наночастиц серебра (Kim et al., 2007; Chen, Schluesener, 2008). Добавление этих наночастиц в перевязочный материал позволяет снизить риск развития инфекционных осложнений в послеоперационном периоде.

В настоящее время активно исследуются возможности применения нанотехнологии для создания новых противовирусных препаратов. Мишенью для этих воздействий являются вирусы иммунодефицита человека, гепатита С, гриппа и бешенства. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/infekcionnye-zabolevanija

Существуют основания предполагать, что в ближайшее время произойдет активное внедрение наноматериалов и наноустройств в стоматологию (Freitas, 2000). Применение нанотехнологичных подходов в стоматологии позволит существенно снизить заболеваемость кариесом и другими заболеваниями органов ротовой полости. Один из аспектов наностоматологии – совершенствование приемов местной анестезии с помощью наночастиц. Предполагается, что введение коллоидной суспензии, содержащей несколько миллионов нагруженных анестетиком наночастиц, в десневой карман сможет обеспечить их миграцию через слизистую в дентинные канальцы и далее в пульпу зуба. Наночастицы будут двигаться по электрохимическому и температурному градиенту. Не исключается и возможность их позиционной навигации в использованием нанокомпьютера.

Использование нанороботов будет способствовать решению некоторых проблем ортодонтии. В частности, нанороботы смогут осуществлять манипуляции на периодонтальных тканях (десна, цемент, пародонт, альвеолы зуба), обеспечивая быстрое и безболезненное выпрямление зубного ряда, вращение и вертикальную репбзицию зубов. Ожидается, что наностоматология сможет продлить срок службы зубов за счет замены поверхностных слоев эмали ковалентно связанными с ней ультрапрочными материалами, например, сапфиром и алмазом, которые превосходят прочность эмали в 20-100 раз. Наконец, планируется добавление в состав зубных порошков и паст нанороботов, способных полностью очищать над- и поддесневые поверхности зубов от формирующегося налета и камней, превращая полученный органический материал в безопасные пары, лишенные запаха. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomedicina/nanostomatologija

Активное внедрение наноматериалов в клиническую медицину требует глубокого знания потенциальных рисков и побочных эффектов, сопряженных с использованием этих материалов. Производственные циклы, направленные на создание новых наноматериалов, также могут сопровождаться накоплением отходов, оказывающих токсическое, канцерогенное и мутагенное действие на организм человека. В связи с этим, в специальной литературе последних лет большое внимание уделяется рассмотрению вопросов безопасности наноматериалов и нанотехнологии в медицине и биологии. Отрасль исследований, связанных с изучением безопасности наноматериалов, получила название нанотоксикологии (Donaldson et al., 2004).

Поступление наночастиц в организм человека возможно ингаляционным, пероральным, перкутанным и парентеральным (в случае введения лекарственных и диагностических агентов, конъюгированных с наночастицами) путями. Контакт человека с наноматериалами может происходить на этапе разработки, производства, использования и переработки (Stern, McNeil, 2008).

За счет броуновского движения наночастицы способны преодолевать большие расстояния в воздушной среде и, следовательно, они с легкостью проникают в альвеолы легких. Установлено, что многие наночастицы, находящиеся в воздухе, имеют ярко выраженную тенденцию к спонтанной агрегации и формированию более крупных частиц (Sioutas et al., 2005). Агрегация воздушных наночастиц может также наступать в результате конденсации на них паров воды. По мере увеличения размера наночастиц вероятность их проникновения в альвеолы снижается. В то же время, агрегация воздушных наночастиц с их укрупнением создает предпосылки для их контактирования с кожей и желудочно-кишечным трактом. С другой стороны, создание искусственных покрытий наночастиц (например, с помощью полиэтиленгликоля), предназначенных для уменьшения взаимодействия между частицами, напротив, препятствует агрегации воздушных наночастиц и делает их попадание в нижние дыхательные пути более вероятным. В нескольких экспериментальных исследованиях, выполненных на грызунах, была показана транслокация наночастиц из просвета альвеол в интерстиций легких (Oberdorster, 2000). Такого рода перенос вдыхаемых наночастиц в легкие и затем в кровь заслуживает особенного внимания, поскольку в некоторых исследованиях была показана роль вдыхаемых наночастиц в патогенезе различных заболеваний. Например, Radomski et al. (2005) показали, что углеродные нанотрубки усиливают агрегацию тромбоцитов in vitro и стимулируют процесс тромбообразования in vivo.

Результаты исследований, посвященных вопросу о транслокации вдыхаемых наночастиц из легких в другие органы, носят противоречивый характер. Так, например, Kreyling et al. (2002) установили, что у крыс транслокации из легких в печень, селезенку, сердце и мозг подвергается не более 1% иридиевых наночастиц, имевших диаметр 80 и 15 нм. С другой стороны, у людей не наблюдалось поступления углеродных наночастиц, меченых технецием-99, из легких в другие органы (Brown et al., 2002). В целом, имеющиеся на сегодняшний день данные позволяют считать, что легкие представляют собой труднопреодолимый барьер для проникновения наночастиц в организм.

В некоторых экспериментальных исследованиях на крысах была показана способность вдыхаемых наночастиц поступать через эпителий носоглотки и обонятельную луковицу в центральную нервную систему (Elder et al., 2006). Результаты этих исследований, по-видимому, не подлежат прямому переносу на аналогичную ситуацию у человека. Это связано с тем, что крысы имеют значительно большую площадь обонятельного эпителия, а относительная масса их обонятельной луковицы в 177 раз больше, чем у человека. Тем не менее, в некоторых клинических исследованиях был обнаружен захват нейронами обонятельной луковицы человека вводимых интраназально наночастиц золота диаметром 50 нм (de Lorenzo, 1970). Кроме того, хорошо известен факт миграции по нервным путям некоторых наноразмерных вирусов. Таким образом, транслокация вдыхаемых с воздухом наночастиц в нейроны ЦНС представляется весьма вероятной. Эти данные вызывают особенную настороженность, поскольку в одном из последних исследований было показано, что магниевые наночастицы обладают выраженной нейротоксичностью, вызывая оксидативный стресс, истощение внутриклеточных запасов дофамина и гибель нейронов (Hussain et al., 2006).

Наночастицы могут поступать в организм человека через кожу. Усиление интереса к перкутанному пути поступления наночастиц связано с активным использованием нанотехнологии в производстве одежды, косметических средств и солнцезащитных кремов. Изучению вопроса о проникновении наночастиц оксида титана (10-60 нм), входящих в состав солнцезащитных кремов в качестве поглотителей ультрафиолетового излучения, в эпидермис человека и животных, был посвящен целый ряд исследований (Gamer et al., 2006, Mavon et al., 2007). В этих исследованиях не было зафиксировано проникновение наночастиц оксида титана глубже рогового слоя эпидермиса, хотя в некоторых случаях отмечалось избирательное накопление наночастиц в волосяных фолликулах (Nohynek et al., 2007). С другой стороны, в последнее время были получены данные о хорошей проникающей способности квантовых точек через кожу. В работе Ryman-Rasmussen et al. (2006) изучалось влияние размера, заряда и формы квантовых точек на глубину их проникновения через кожу свиньи in vitro. При этом мелкие сферические квантовые точки, в отличие от крупных квантовых точек эллиптической формы проходили через эпидермис и накапливались в дерме. В то же время, прохождения квантовых точек через все слои кожи авторы этой работы не наблюдали. Проникновение наночастиц железа, имеющих диаметр менее 10 нм, в дерму кожи человека in vitro было показано в работе Baroli et al. (2007). Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что «мелкие» наночастицы могут преодолевать кожный барьер, особенно в условиях повреждения кожи или ее заболеваний.

Пероральное поступление наночастиц представляет собой еще один путь их попадания в организм. Пероральное поступление возможно в случае контаминации наночастиц пищи, переноса наночастиц в ротовую полость с кожных покровов и, наконец, при пероральном приеме лекарственных препаратов, созданных на основе наночастиц. Хотя всасывание наночастиц в желудочно-кишечном тракте незначительно, в большинстве исследований было показано, что пероральное введение сопровождается некоторым повышением их уровня в плазме крови. Известно, что степень всасывания наночастиц в желудочно-кишечный тракт зависит от размера и характеристик поверхности, причем мелкие, нейтральные гидрофобные наночастицы всасываются лучше, чем крупные и гидрофильные (Hussain et al., 2001).

Токсичность наночастиц может быть связана с двумя основными перекликающимися механизмами - воспалением и оксидативным стрессом (Dick et al., 2003). В то же время, совершенно очевидно, что далеко не все наночастицы обладают способностью индуцировать воспаление и оксидативный стресс. Так, например, в исследовании Xia et al. (2006) было обнаружено, что оксид титана, нанодисперсный углерод и карбоксилированый полистирол не вызывают окислительного стресса в линии макрофагов мыши, тогда как катионный полистирол и наночастицы, загрязняющие воздух, вызывали значимое усиление образования свободных радикалов. Потенциальная токсичность некоторых типов наночастиц может быть связана со специфическими механизмами. В частности, катионные дендримеры могут вызывать дезинтеграцию плазмалеммы за счет взаимодействия положительно заряженных терминальных группировок дендримера и отрицательно заряженных липидов, входящих в состав мембраны (Mecke et al., 2004).