Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Флуоресцентные метки широко используются в биологии и медицине. Их недостатком является необходимость использования различных красителей для получения каждого цвета и подбора лазера соответствующей длины волны для индукции флуоресценции этих красителей. Кроме того, цвета флуоресцентных меток часто сливаются и быстро бледнеют. Полупроводниковые нанокристаллы, называемые квантовыми точками, лишены этих недостатков. Они представлены мельчайшими частицами, сопоставимыми по размеру с молекулами белков и нуклеиновых кислот. При возбуждении они дают практически непрерывную палитру четких цветов. Флуоресценция квантовых точек возбуждается белым светом, причем частицы нанокристаллов могут быть присоединены к биомолекулам и обеспечивать длительно существующий сигнал, многократно превосходящий по яркости используемые в настоящее время красители (Azzazy et al., 2007). Применение квантовых точек может существенно расширить возможности диагностики многих заболеваний. В настоящее время квантовые точки активно используются для детекции опухолевых клеток (Wu et al., 2003), маркирования внутриклеточных органелл (Hanaki et al., 2003), визуализации микрососудов (Lim et al., 2003) и многих других биомедицинских исследований. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/kvantovye-tochki

Перфторуглеродные наночастицы представлены ядром, состоящим из жидкого перфторуглерода, и фосфолипидной оболочкой. Размер этих частиц обычно лежит в пределах 200-250 нм. Жидкостные перфторуглеродные наночастицы нелетучи, биологически инертны, химически стабильны и не подвергаются распаду в организме (Mattrey, 1994). Наличие фосфолипидов позволяет присоединять к наружной поверхности перфторуглеродных наночастиц лекарственные препараты и антитела. Примечательно, что перфторуглеродные наночастицы обладают исключительно высокой способностью связывать атомы гадолиния (до 50-100 тыс. атомов на одну частицу). Это ставит перфторуглеродные наночастицы в ряд наиболее перспективных контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. Направленная доставка перфторуглеродных наночастиц в клетки-мишени обычно достигается путем ковалентного связывания липидов поверхностной мембраны с антителами или пептидомиметиками. Большинство наноразмерных носителей лекарственных препаратов обеспечивают высвобождение последних только после интернализации в клетку или разрушения наночастиц. По сравнению с ними перфторуглеродные наночастицы обладают серьезным преимуществом, поскольку липофильные препараты, внедренные в наружную оболочку перфторуглеродных наночастиц, могут высвобождаться при простом контакте поверхности перфторуглеродных наночастиц с плазмалеммой клетки-мишени. Этот процесс получил название «контактного облегченного липидного обмена» (Winter et al., 2007). Усиление взаимодействия между наружной оболочкой перфторуглеродных наночастиц и клеточной мембраной с помощью облучения ультразвуком усиливает перенос вещества в клетку по меньшей мере в 10 раз (Crowder et al., 2005).

Перфторуглеродные наночастицы используются для молекулярной визуализации вновь сформированных опухолевых сосудов за счет взаимодействия с интегрином avβ3. Такого рода специфическое взаимодействие перфторуглеродных наночастиц обеспечивается за счет их соединения с пептидомиметиком, распознающим интегрин avβ3. Поскольку интегрин avβ3 усиленно экспрессируется не только в опухолевых сосудах, но и в прогрессирующей атеросклеротической бляшке, перфторуглеродные наночастицы успешно применялись для визуализации атеросклеротического повреждения аорты у кроликов (Winter et al., 2003). Кроме того, связывание перфторуглеродных наночастиц с антителами против тканевого фактора и фибрина позволяло визуализировать поврежденный эндотелий и тромбы в просвете сосудов, соответственно (Flacke et al., 2001). Перфторуглеродные наночастицы также представляют собой неоценимый инструмент для наблюдения судьбы клеток, вводимых в организм с терапевтической целью. Partlow et al. (2007) с помощью магнитно-резонансной томографии наблюдали продвижение и аккумуляцию в подколенных лимфоузлах прогениторных клеток, меченых перфторуглеродными наночастицами и введенных в пяточную область. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/perftoruglerodnye-nanochasticy

Парамагнитными материалами называют ионы металлов или органические радикалы, имеющие неспаренные электроны. В присутствии магнитного поля спины неспаренных электронов ориентируются в магнитном поле в невозбужденном состоянии, формируя материал с насыщенным магнитным моментом. Прекращение действия магнитного поля устраняет этот феномен. Группы соседних электронов, ориентированные в одинаковом направлении, получили название магнитных доменов. Уменьшение магнитных материалов до наноразмерных величин приводит к формированию высокого магнитного момента, известного под названием суперпарамагнетизма. Наиболее хорошо изучены суперпарамагнитные свойства частиц оксида железа. Для биомедицинских целей чаще всего используется магнетит (Fe3O4), который представляет собой смесь различных оксидов железа (Tartaj et al., 2003).

Подобно квантовым точкам, суперпарамагнитные наночастицы обладают довольно высокой токсичностью. Поэтому в процессе их синтеза необходимо повышение их биосовместимости. Это может достигаться различными путями, например, помещением суперпарамагнитных наночастиц в биологически инертные футляры из декстрана, полисахаридов и полиэтиленгликоля. Покрытые золотом суперпарамагнитные наночастицы могут использоваться в качестве контрастных агентов при проведении магнитно-резонансной томографии, что позволяет существенно увеличить разрешающую способность данного метода (Ji et al., 2007). С другой стороны, известно, что помещение суперпарамагнитных наночастиц в циклическое магнитное поле приводит к их выраженному разогреву за счет электрического сопротивления металлического компонента (Laurent et al., 2008). Этот факт обосновывает применение суперпарамагнитных наночастиц для таргетной термической деструкции патологических тканевых образований (в первую очередь, опухолей). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanomaterialy/nanochasticy/superparamagnitnye-nanochasticy

В последние несколько лет в литературе активно обсуждаются перспективы использования в медицине многофункциональных наноустройств, сочетающих в себе возможность внешнего управления с запрограммированной способностью к распознаванию молекулярных мишеней и активным воздействием на них с целью устранения патологических изменений. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanoustrojstva

На протяжении последних десяти лет непрерывно производились попытки сконструировать микророботов для лечения определенных заболеваний. Так, в 2002 г. Ishiyama et al. разработали микроразмерные вращающиеся винтовые структуры, движение которых в кровотоке обеспечивалось магнитным полем. Эти микророботы предназначались для доставки лекарственных веществ в инфицированную ткань и даже для проникновения в опухоли с целью их термической деструкции. В 2003 г. была предпринята попытка использовать магнитные поля различной интенсивности для обеспечения направленного движения в организме человека микроробота, содержащего ферромагнитные частицы (Mathieu et al., 2003). В 2005 г. эти попытки увенчались успешным созданием микророботов, имевших размер около 200 мкм, которые могли быть введены в просвет сосуда через иглу (Nelson, Rajamani, 2005). Эти микророботы эффективно перемещались по водному лабиринту за счет помещения по внешнее магнитное поле, причем различные частоты поля приводили к селективной активации определенных частей робота, обеспечивая контроль его функций.

Однако принципиально иной уровень функционирования устройств этого типа может быть достигнут при переходе на наномасштаб. Это станет возможным после разработки молекулярных аналогов современных подшипников и шестерней. Для создания таких нанороботов будет применяться методика позиционной сборки. В макромире аналогом этого процесса является автоматизированная сборочная линия автозавода, где каждый робот выполняет строго заданную манипуляцию. Позиционная сборка алмазоподобных структур из молекулярного сырья хорошо изучена теоретически с помощью математических моделей механосинтеза алмаза (Drexler, 1992; Merkle, Freitas, 2003). Механосинтез алмаза - это процесс контролируемого добавления атомов углерода к участку роста кристаллической решетки алмаза в вакуумированной среде. Использование этого подхода может обеспечить быстрое производство огромного количества нанороботов.

На сегодняшний день мы располагаем ограниченными данными о возможном применении подобных нанороботов в практической медицине. Один из немногих завершенных проектов посвящен созданию т. н. респироцита — искусственного эритроцита, состоящего из 18 миллионов четко структурированных атомов (Freitas, 1998). Респироцит представляет собой сферический сосуд из алмазоподобного материала, имеющий 1 мкм в диаметре и выдерживающий давление в 1000 атмосфер. Способность этого наноробота к переносу кислорода в 256 раз превышает аналогичную способность эритроцита.

Другой пример наноробота, выполняющего функцию естественной клетки человеческого организма – искусственный фагоцит (Freitas, 2005). Такого рода наноробот также предназначен для циркуляции в кровотоке и фагоцитоза патогенных вирусов, бактерий и грибов. По прогнозам создателей, введение в кровоток искусственных фагоцитов может приводить к полному уничтожению патогенных микроорганизмов в течение нескольких часов у пациентов с тяжелой септикопиемией (рис. 2).

Рис. 2. Молекулярная шестерня (слева) и искусственный фагоцит (справа) (по Freitas, 2005).

Большие надежды возлагаются на применение нанороботов в хирургии. При этом нанороботы также вводятся в кровоток и затем осуществляют поиск пораженной ткани и коррекцию дефектов за счет манипулирования на наноуровне. Первые данные о применении нанороботов для хирургических нужд свидетельствуют о перспективности данного метода. Так, например, фемтосекундный лазер представляет собой «нано-ножницы», с помощью которых осуществляются тончайшие манипуляции на уровне внутриклеточных структур. Такой эффект достигается за счет испарения нанообъемов ткани без какого-либо повреждения соседних участков ткани. Уже имеется опыт использования фемтосекундного лазера для препарирования микротрубочек в клетках дрожжей (Sacconi et al., 2005) и нанохирургии отдельных хромосом в живой яйцеклетке путем избирательного удаления определенных участков генома (Konig et al., 1999). Существенным моментом является то, что эти процедуры не влияют на жизнеспособность клеток, в которых они выполняются.

В будущем прогнозируется создание нанороботов, способных осуществлять мельчайшие манипуляции на ультраструктурном уровне, невыполнимые рукой самого искусного микрохирурга. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanoustrojstva/nanoroboty

Одним из примеров использования наноструктур для направленной доставки лекарственных препаратов являются нанооболочки. В отличие от углеродных наночастиц, нанооболочки представляют собой несколько более крупные частицы, состоящие из кремнеземной сердцевины и тонкого золотого покрытия. Нанооболочки покрываются слоем полимера, содержащего лекарственный препарат, и вводятся в организм. После накопления частиц в пораженной ткани (например, в опухоли) производится облучение данной области инфракрасным лазером. Это приводит к селективному поглощению нанооболочками инфракрасных частот и их нагреванию. Нагрев поверхности частицы приводит к высвобождению лекарства из слоя полимера и обеспечивает его локальное действие.

Нанооболочки могут использовать для иммуноанализа цельной крови, которая, как известно, хорошо проницаема для инфракрасных лучей. При присоединении антител к поверхности нанооболочек путем варьирования толщины металлического покрытия можно добиться точного определения длины волны, на которую будут «отвечать» частицы. В настоящее время уже имеется положительный опыт использования этой методики для детекции иммуноглобулинов, присутствующих в растворе, сыворотке и цельной крови в концентрации ниже 1 нг/мл (Hirsch et al., 2005).

Еще одна область применения нанооболочек – прямая деструкция опухолевых клеток. Для этой цели использовались содержащие железо нанооблочки с иммобилизированными на их поверхности моноклональными антителами против опухолевых поверхностных антигенов. После инъекции нанооболочек в кровоток они селективно связываются с опухолевыми клетками как в зоне первичной опухоли, так и в области микрометастазов. Облучение животных магнитным полем, генерируемым портативным аппаратом магнитно-резонансной томографии, приводило к нагреванию железосодержащих нанооболочек до 170°C и гибели опухолевых клеток в течение нескольких секунд (DeNardo et al.,2005). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanoustrojstva/nanoobolochki

Нанотехнологии открывают новые возможности в клинической лабораторной диагностике. Молекулярная диагностика способствует формированию персонализированной медицины - современного направления, в основе которого лежит составление индивидуального генотипического и фенотипического портрета пациента. Кроме того, преимуществами использования нанотехнологии в лабораторной диагностике являются возможность использования очень небольших количеств биологического материала, высокая скорость и чувствительность лабораторных тестов и, наконец, возможность одновременного проведения диагностики и лечения.

Нанотехнологии могут применяться для решения самых разных диагностических задач, в частности, генотипирования, иммуногистохимического анализа, детекции биохимических маркеров различных заболеваний и обнаружения патогенных микроорганизмов. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanodiagnostika

В настоящее время микрочипы широко используются для выявления полиморфизмов и мутаций. Усилия исследователей в течение последних лет были направлены на миниатюризацию биочипов с целью обеспечения максимальной плотности нанесения биологического материала. Недавно разработанная технология поиска и идентификации аллельных полиморфизмов и мутаций в геноме человека, основанная на применении наночастиц золота, не требует предварительной амплификации (Bao et al., 2005).

Успехи и достижения на пути создания диагностических наночипов, а также имеющийся опыт их использования в медицине подробно описаны в другом обзоре, вошедшем в данную книгу. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanodiagnostika/nanobiochipy

В основе метода атомно-силовой микроскопии лежит принцип профилометра (рис. 3). При этом заостренный пирамидальный наконечник, присоединенный к кронштейну, движется по поверхности изучаемого объекта, обеспечивая формирование трехмерного изображения объекта на экране регистрирующего устройства (Pereira, 2001). Кронштейн, на котором располагается наконечник, состоит из двух слоев – золотого зеркала и слоя силикона. Двухмерное изображение (ширина и длина объекта) достигается за счет отсчета расстояния, пройденного кронштейном, а третье измерение (глубина или высота) формируется путем отражения лазерного пучка и фиксации полученных значений двойным фотодиодом.