Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

"Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии."

 

 

 

 

Выполнил: учеик 9 "А" класса МБОУ СОШ №37

Шумкин Глеб Евгеньевич

Учитель биологии: Виноградова Светлана Анатольевна

учитель I категории

Научный руководитель: Виноградова Светлана Анатольевна

учитель I категории

 

 

г. Дзержинск, 2015 год.

Введение

 

Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Тема нанотехнологий очень актуально в нынешнее время. С развитием естевствознания человечество все глубже проникало вглубь материи, к её основной структуре строения. Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для технологий XXI века. Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста.

Нанометр – это тот же метр, только в миллиард раз меньше. Можно ли представить такую размерность на уровне обыденного сознания, если увидеть ее может только мощнейший электронный микроскоп? Можем ли мы оперировать объектами величиной с молекулу или вирус? Между тем, нанотехнологии и их производные все прочнее входят в нашу повседневную жизнь.

Все сказанное выше означает, что современный мир сильно нуждается в разработке, создании и применении в производстве новых направлений нанотехнологий. Это позволит человечеству встать на новую ступень развития.

В этой работе будут подробно рассмотрена область нанотехнологий, затрагивающая такие отрасли науки как биологию и медецину.   
Основная часть

 

 

Наномедицина - это бурно развивающаяся область медицинских знаний, посвященная совершенствованию профилактики, диагностики и лечения заболеваний с помощью нанотехнологии (Freitas, 2005). Формирование концепции наномедицины началось еще в середине XX в. В 1959 г. Ричард Фейнман опубликовал свою лекцию под названием «Там, внизу, много места», в которой он обосновал основные принципы использования нанотехнологии в медицине. Вне всякого сомнения, именно Р. Фейнмана можно считать пророком развития наномедицины, поскольку он предсказал неизбежность перехода медицинских технологий от макроуровня к микроуровню и далее вплоть до атомарного уровня.

Все варианты применения нанотехнологии в медицине можно разделить на три большие группы: 1) терапевтические подходы, основанные на применении нанотехнологии, 2) диагностические наномедицинские процедуры, 3) использование наноматериалов в технологии изготовления различных изделий медицинского назначения.

Терапевтические наномедицинские подходы включают использование различных типов наночастиц для обеспечения адресной доставки в поврежденные ткани лекарственных препаратов и генетического материала. Нанотехнологии могут обеспечивать доставку препаратов в определенный тип клеток, в отдельные клетки, в конкретный внутриклеточный компартмент и даже в субклеточные структуры (ядро клетки, митохондрии и др.). Нанотехнологии служат важным инструментом в обеспечении пролонгированного действия некоторых препаратов и контролируемого высвобождения лекарственных веществ. С помощью нанотехнологии удается добиться лучшей переносимости многих лекарственных препаратов и уменьшения нежелательных побочных эффектов.

Нанотехнологии революционизировали современную диагностику. Так, использование определенных типов наночастиц позволяет осуществлять прижизненную визуализацию отдельных патологически измененных клеток и даже молекул, являющихся маркерами распространенных заболеваний. Нанодиагностика существенно повышает чувствительность и специфичность методов распознавания биохимических и молекулярных маркеров заболеваний. С использованием нанотехнологии становится возможной одновременная диагностика и терапия многих заболеваний. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/vvedenie

Использование нанотехнологии в биологии и медицине базируется на знании уникальных физических и химических свойств наноматериалов. В настоящее время достаточно хорошо охарактеризованы такие наноматериалы, как нанопористые мембраны, нанотрубки и разнообразные типы наночастиц. В данном разделе приводится сжатое описание этих видов наноматериалов. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy

Наноматериаловедение уже сегодня готово предоставить в распоряжение биологии и медицины широкий спектр наночастиц, различных по своим физико-химическим и биологическим свойствам. Подробные наномедицинские исследования позволят определить, какие из наноматериалов являются оптимальными платформами для создания диагностических и терапевтических средств. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy

Простейший вариант наноматериала - это поверхность с отверстиями (порами), имеющими наноразмерный диаметр. Одним из первых наномедицинских материалов является изобретенный в 1995 г. Desai и Ferrari кристаллический силикон с микроячейками, в которые могут помещаться клетки. Взаимодействие клеток с окружающей средой происходит через силиконовую мембрану, содержащую поры диаметром около 20 нм. Эти поры дают возможность поступления к клеткам таких небольших молекул, как глюкоза, кислород и инсулин, но, в то же время, препятствуют контакту загруженных в ячейки основной матрицы клеток с антителами. Таким образом, иммуноизолированные β-клетки островков Лангерганса крысы сохраняли жизнеспособность в данном материале в течение нескольких недель. Более того, эти клетки синтезировали инсулин. Микрокапсулы, содержащие иммуноизолированные островковые клетки, могут имплантироваться под кожу пациентов с сахарным диабетом (Leoni, Desai, 2001). Трансплантация инкапсулированных клеток в организм может быть важной альтернативой заместительной терапии многих заболеваний, сопровождающихся врожденным и приобретенным дефицитом гормонов и ферментов.

Процесс высвобождения материалов из нанопор может контролироваться извне. Первая нанорешетка с потенциал-зависимым высвобождением содержимого была разработана Nishizawa et al. в 1995 г. Разработанный ими материал состоял из массива золотых нанотрубок с внутренним диаметром, не превышающим 1,6 нм. При этом положительный заряд нанотрубок приводил к высвобождению только отрицательных ионов. Напротив, отрицательный заряд стимулировал выделение катионов. Другими авторами предпринимались попытки исследовать синтетические нанопористые ионные насосы (Siwy, Fulinski, 2002), потенциал-зависимые нанопоры, помещенные в искусственные мембраны (Schmidt, 2003) и биологические сенсоры для регуляции ионных каналов, реагирующие на изменения концентрации вещества в пределах 10-18M (Cornell et al., 1997).

Большой интерес представляют эксперименты, направленные на изучение подвижности молекул ДНК и РНК под действием внешнего электрического поля в центральном канале молекулы альфа-гемолизина, встроенной в билипидный слой, идентичный плазмалемме живой клетки (Meller et al., 2000). В 1998 г. той же группой авторов было показано, что в процессе прохождения молекулы РНК по нанопоре возможно дифференцировать пуриновые и пиримидиновые основания. Позднее было установлено, что пропускание молекул ДНК одинаковой длины через нанопоры определенной структуры позволяет различать цепи ДНК, имеющие неодинаковую нуклеотидную последовательность. Эти данные дали импульс для активных исследований возможности секвенирования ДНК с помощью прохождения ее цепей через нанопоры (Li et al., 2003; Rhee, Burns, 2007). Устройства для секвенирования ДНК с помощью нанопор могут, по прогнозам, обеспечить фантастическую скорость чтения - до 1000 оснований в секунду на одну пору (Deamer, Akeson, 2000).

Таким образом, использование нанопористых материалов является одним из перспективных направлений применения нанотехнологии в биологии и медицине. Область применения этих материалов простирается от трансплантации иммуноизолированных клеток до сверхскоростного секвенирования ДНК. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanoporistye-materialy

Углеродные нанотрубки принадлежат к семейству фуллереновых аллотропных модификаций углерода (Foldvari, Bagonluri, 2008а). Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Существуют две разновидности нанотрубок - однослойные и многослойные. Многослойные нанотрубки обычно имеют больший наружный диаметр (2,5-100 нм), чем однослойные (0,6-2,4 нм). Нанотрубки сочетают в себе высокую жесткость и упругость со способностью к обратимому сгибанию и коллабированию.

Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Принципиально существуют три способа использования нанотрубок для доставки и высвобождения лекарственных веществ (Foldvari, Bagonluri, 2008b). Первый способ заключается в сорбировании активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка (рис. 1). Второй способ предполагает химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок. Наконец, третий способ требует помещения молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубок.

Рис. 1. Варианты использования нанотрубок для транспорта и доставки лекарственных веществ. А - сорбирование вещества в массиве нанотрубок, В - химическое присоединение вещества к функционализированной поверхности нанотрубки, С - помещение вещества в просвет нанотрубки (по Foldvari, Bagonluri, 2008).

Venkatesan et al. (2005) использовали метод адсорбции  эритропоэтина на нанотрубки  для доставки этого вещества  в экспериментах на мышах. Авторами  были получены данные об увеличении  биодоступности эритропоэтина при  использовании нанотрубок в качестве  носителей по сравнению с другими  носителями.

Важным этапом превращения нанотрубок в эффективный носитель лекарственного вещества является функционализация поверхности нанотрубок, т.е. присоединение к ней химических группировок, играющих роль связующего звена между поверхностью и молекулой лекарственного препарата. Существует несколько методов функционализации. Во-первых, функционализации могут подвергаться дефектные участки стенки нанотрубки. Во-вторых, функционализация может обеспечиваться ковалентным или нековалентным связыванием химических групп с поверхностью интактной стенки. Одним из наиболее широко используемых способов нековалентной функционализации нанотрубок является присоединение к ним молекул полиэтиленгликоля (Каm et al., 2005).

Функционализированные нанотрубки могут служить переносчиками как небольших молекул лекарственных веществ, так и макромолекулярных комплексов. Примером переноса низкомолекулярных препаратов является синтез конъюгата нанотрубок с антимикотическим препаратом амфотерицином В (Wu et al., 2005). Использование такого рода конъюгатов позволило добиться снижения токсичности амфотерицина В и, в то же время, усилить его фунгицидный эффект, направленный против грибов рода Candida.

Большой интерес представляют собой результаты исследований, посвященных переносу с помощью нанотрубок молекул белков и ДНК. В работе Kam et al. (2004) изучалась способность нанотрубок доставлять в клетки белок стрептавидин. Конъюгаты нанотрубок со стрептавидином обеспечивали более выраженную трансфекцию белка внутрь клеток, чем прямая инкубация с данным белком. Согласно данным другой группы исследователей, присоединение к нанотрубкам молекул интерферирующей РНК, направленной против обратной транскриптазы теломеразы, с последующим введением данной конструкции в клетки вызывало эффективное подавление экспрессии гена-мишени (Zhang et al., 2006). Pantarotto et al. (2004) провели успешную трансфекцию плазмиды гена β-галактозидазы в клетки линий HeLa и CHO с помощью функционализированных аммонием нанотрубок. Для трансфекции плазмид, конъюгированных с нанотрубками, в большинстве выполненных к настоящему времени исследований применялась стандартная методика инкубации клеточных культур с соответствующим конъюгатом. Cai et al. (2005) применили принципиально иной вариант доставки, названный ими магнитофекцией. Для этого использовались вертикально уложенные нанотрубки, конъюгированные с плазмидой зеленого флуоресцирующего белка, верхушки которых дополнительно связывались с ферромагнитными наночастицами никеля. Поступление этих конструкций в клетки лимфомы Bal-17 и В-лимфоциты обеспечивалось за счет воздействия внешнего магнитного поля. В результате нанотрубки фактически пронизывали мембрану клеток, проходя в цитоплазму под действием магнитного поля. Интересно, что жизнеспособность клеток при этом не страдала, а эффективность трансфекции была исключительно высокой, поскольку экспрессия гена зеленого флуоресцирующего белка наблюдалась в 100% клеток.

Несмотря на успешное экспериментальное обоснование использования нанотрубок для доставки внутрь клеток различных молекул, многие принципиально важные вопросы относительно механизмов взаимодействия нанотрубок с клетками остаются неясными. Так, например, отсутствует четкое представление о пути проникновения нанотрубок в клетки. При этом одни авторы считают, что нанотрубки поступают в клетку путем эндоцитоза (Kam et al., 2004), а другие рассматривают в качестве возможного механизма диффузию каркаса нанотрубок в билипидном слое (Pantarotto et al., 2004). В последние годы были получены важные данные о возможности использования нанотрубок для доставки в организм антигенов вакцин. В силу хорошей биосовместимости и низкой иммуногенности нанотрубки представляют собой перспективный носитель для вакцин.

Еще один вариант использования нанотрубок в качестве носителей биологически активных веществ основан на помещении активной молекулы в просвет нанотрубки, что превращает последнюю в своеобразный «наноконтейнер». С помощью математического моделирования Shaitan et al. (2006) построили наноструктуру, содержащую в просвете активное вещество (декапептид) и микродозу взрывчатого вещества. После интернализации таких нанотрубок внешний сигнал вызывает активацию взрывчатого вещества, в результате чего происходит деструкция углеродного каркаса нанотрубки и высвобождение содержащегося в ней пептида. В реальности задача помещения активных молекул внутрь нанотрубок осложняется их высокой гидрофобностью и крайне малым внутренним диаметром. Cui et al. (2004) удалось обеспечить инкапсуляцию ДНК, связанной с атомами платины, в нанотрубки с внутренним диаметром 10-12 нм. Однако для достижения этой цели использовалась температура 127°С и давление 3 Бар. Очевидно, что такие условия синтеза могут оказаться неприемлемыми для сохранения функциональной активности большинства биомолекул. Более приемлемым может оказаться использование электрофореза заряженных частиц, содержащих активное вещество. Этот подход обеспечивал эффективное протекание через нанотрубки с внутренним диаметром 1,5 нм взвеси наночастиц, нагруженных одноцепочечной РНК (Yeh, Hummer, 2004).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что нанотрубки представляют собой материал, имеющий множество различных областей применения в наномедицине. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanotrubki

Формальными признаками наночастиц являются сферическая форма и размер от 1 до 250-300 нм. В связи с этим, в группу наночастиц относят весьма разнородные по химическому строению и физическим свойствам частицы (табл. 1).

Таблица 1. Классификация наночастиц

Вид наночастиц	Разновидности (примеры)
Углеродные наночастицы	Фуллерены Цельноуглеродные наночастицы
Кремнеземные наночастицы	Аэросил
Дендримеры	Полиамидоамин Полилизин
Липосомы	Малые однослойные липосомы Большие однослойные липосомы Многослойные липосомы
Полимерные мицеллы	Полиаспартат-b-полиэтиленгликоль Поликапролактон—b—метокси—полиэтиленгликоль
Полимерные биодеградируемые наночастицы	Синтетические Полиметилметакрилат Полиметилцианакрилат и др. Гамма-полиглутаминовая кислота Полилактид Поли(лактид-ко-гликолид) Натуральные Хитозан Альбумин Желатин Агароза
Квантовые точки	Селенид кадмия Теллурид кадмия Фосфид индия Арсенид индия
Металлические наночастицы	Золото Серебро
Суперпарамагнитные частицы	Оксид железа
Перфторуглеродные наночастицы	Наночастицы, состоящие из жидкого перфторуглеродного ядра, покрытые липидным монослоем