Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Рис. 3. Принцип работы атомного силового микроскопа (по Pereira, 2001).

Aтомно-силовая микроскопия  имеет некоторые преимущества  перед методом сканирующей электронной  микроскопии, традиционно используемой  для получения поверхностных  изображений биологических объектов  высокого разрешения. При сканирующей  электронной микроскопии изображение  объекта формируется за счет  детекции электронов, отраженных  объектом. При этом поверхность  объекта должна быть электропроводной, что в большинстве случаев  достигается путем напыления  тонкого слоя металла на образец. Процедура напыления приводит  к маскированию некоторых структур  клеточной оболочки и, кроме того, клетки образца теряют жизнеспособность  в ходе его приготовления. Изобретение  атомно-силовой микроскопии позволило  избежать этих проблем, поскольку  в данном случае не требуется  покрытие образца слоем металла и вполне возможно наблюдение живых клеток. При этом разрешающая способность атомно-силовой микроскопии не уступает традиционной сканирующей электронной микроскопии.

Aтомно-силовая микроскопия  может использоваться не только  для визуализации клеток и  субклеточных структур, но и для  детекции молекулярных структур. Pereira (2001) использовал нанодатчик  с иммобилизированной на поверхности  кронштейна атомного силового  микроскопа супероксиддисмутазой  для обнаружения продукции супероксид-аниона  клетками пекарских дрожжей. Иммобилизация  каталазы в аналогичных условиях  позволила определить продукцию  перекиси водорода. Размещение на  верхушке наконечника атомного  силового микроскопа молекул  блокаторов кальциевых каналов  позволяет локализовать индивидуальные  кальциевые каналы на поверхности  клетки по выраженному отклонению  сигнала, регистрируемому в этих  точках. Метод атомно-силовой микроскопии  является перспективным и в  плане направленной доставки лекарственных препаратов, поскольку в этом случае препарат может быть доставлен не только в отдельную клетку, но и в определенный внутриклеточный компартмент. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanodiagnostika/atomno-silovaja-mikroskopija

Методы цитогенетики используются для характеристики структуры хромосом и их аномалий. Использование флуоресцентной гибридизации in situ позволило добиться хороших результатов. В настоящее время молекулярная цитогенетика получила новый импульс к развитию, что связано главным образом с использованием атомно-силовой микроскопии и флуоресцентной гибридизации in situ на основе квантовых точек. Атомно-силовая микроскопия позволяет получить информацию об ультраструктуре хромосом и одновременно осуществлять препаровку мельчайших участков хромосом.

Kanger et al. (2008) разработали оригинальную  методику изучения механических  свойств ядерного хроматина in vivo с помощью магнитных наночастиц, управляемых «магнитным пинцетом». Количественные характеристики вязкости и эластичности хроматина, полученные в этих экспериментах, хорошо согласуются с результатами других исследований и позволяют рассчитывать силу, необходимую, например, для репозиции фрагментов хроматина в ядре. Авторы работы предполагают, что методика «магнитного пинцета» в будущем может использоваться для таргетной регуляции экспрессии генов путем перемещения определенных локусов из зон конденсированного хроматина в зоны его разрыхления и наоборот. Кроме того, использование этой методики может обеспечить возможность эпигеномной регуляции экспрессии некоторых генов за счет присоединения к поверхности магнитных наночастиц ферментов, осуществляющих метилирование и деметилирование азотистых оснований. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanodiagnostika/citogenetika

Нанобиодатчики представляют собой наноразмерные датчики для качественного и количественного определения химических веществ и определенных типов клеток в биологическом материале. Нанобиодатчики обладают исключительно высокой чувствительностью по сравнению с другими типами датчиков (Jain, 2003).

Таблица 2. Основные типы нанодатчиков (по Jain, 2007)

Выделяют несколько типов нанобиодатчиков (табл. 2). Одним из вариантов являются нанопроволоки. Поскольку поверхность нанопроволоки легко поддается химической модификации, в настоящее время освоены методы нанесения на нее распознающих элементов для различных молекул. Присоединение молекулы-мишени к поверхности нанопроволоки вызывает немедленное изменение ее электропроводности, которое может учитываться количественными методами. Легированная бором силиконовая нанопроволока использовалась для создания высокочувствительных количественных датчиков биологического назначения (Cui et al., 2001). Модифицированная биотином силиконовая нанопроволока применялась для детекции стрептавидина в пикомолярных концентрациях. Малый размер, высокая чувствительность и возможность детекции в режиме реального времени делают нанопроволоки перспективным материалом для чиповой диагностики и прижизенной диагностики.

Другой тип нанодатчиков основан на технологии переключения ионных каналов. Датчик представляет собой синтетическую самосборную мембрану, функционирующую по принципу биологического прерывателя. Электрический импульс от датчика генерируется при контакте с искомой биологической молекулой (Cornell, 2002).

Диагностическая система «Biodetect» (Integrated NanoTechnologies, США) функционирует за счет электронного распознавания связывания искомой молекулы ДНК с чувствительным элементом микрочипа. Молекула ДНК при этом формирует мостик между двумя струнами нанопроволоки. Образование ДНК-мостиков, наличие которых контролируется с помощью методов флуоресцентной визуализации, легко распознается путем измерения сопротивления или других электрических свойств нанодатчика.

Некоторые нанодатчики основаны на использовании вирусных частиц. Так, в частности, вирус герпеса и аденовирус использовались для запуска самосборки магнитных нанозерен, обеспечивающих детекцию других вирусов в биологических средах (Perez et al., 2003). Нанозерна состояли из магнитного ядра, представленного оксидом железа, и декстрановой оболочки. Далее к поверхности нанозерен присоединялись антитела против вируса герпеса. Облучение диагностической системы магнитным полем обеспечивало чрезвычайно чувствительную детекцию вирусных частиц, например, 5 вирусных частиц в объеме сыворотки 10 мл. Описанная диагностическая система имеет гораздо более высокую чувствительность, чем традиционный иммуноферментный анализ. С другой стороны, она характеризуется большей скоростью выполнения, меньшей стоимостью и встречаемостью артефактов, чем полимеразная цепная реакция.

Датчики, инкапсулированные в биологически локализованный материал (ДИБЛМ), состоят из сенсорных молекул, погруженных в химически инертный матрикс путем микроэмульсионной полимеризации, что обеспечивает образование сферических нанодатчиков диаметром от 20 до 200 нм (Sumner et al., 2002). Эти датчики обеспечивают внутри- и межклеточную детекцию различных ионов и молекул в режиме реального времени, причем формирующийся при этом сигнал не подвергается интерференции со стороны белковых молекул. ДИБЛМ также демонстрируют хорошую устойчивость к выщелачиванию и фотовыцветанию. В плазме крови человека ДИБЛМ обеспечивают высокочувствительную детекцию напряжения кислорода, на которую не влияют эффекты светорассеяния и аутофлуоресценции (Cao et al., 2004).

Нанокронштейны предназначены для трансформации молекулярного взаимодействия в механическое смещение наноплатформы (около 10 нм), которое может быть измерено напрямую за счет степени отклонения светового пучка от поверхности кронштейна. Использование нанокронштейнов в будущем может стать альтернативой полимеразной цепной реакции и дополнить существующие методы ДНК- и белковых микрочипов, поскольку в данном случае отпадает необходимость метить или копировать молекулы-мишени. Преимущества нанокронштейнов состоят в том, что они дают возможность быстрого распознавания немеченых специфических последовательностей ДНК для идентификации генных полиморфизмов, онкогенов и мутаций. Нанокронштейны могут быть полезны для разработки новых типов нанодатчиков для детекции вирусов, бактерий и других патогенных микроорганизмов (Gupta et al., 2006). 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanodiagnostika/nanobiodatchiki

Как и традиционная диагностика, нанодиагностика преследует цель возможно более раннего выявления заболевания, в идеале, на молекулярном уровне. В связи с этим в наномедицине появился термин «молекулярная визуализация». Молекулярная визуализация возможна при использовании следующих видов диагностических исследований:

1. Оптическая биолюминесценция и флуоресценция.

2. Компьютерная томография.

3. Магнитно-резонансная томография.

4. Однофотонная эмиссионная компьютерная томография.

5. Позитронно-эмиссионная томография. 
   

Для оптической молекулярной визуализации чаще всего используются квантовые точки. Они представляют собой неорганические флуоресцентные наночастицы, имеющие целый ряд преимуществ по сравнению с органическими флуоресцентными метками. Kвантовые точки могут быть идеальным инструментом для молекулярной визуализации у животных in vivo. Диагностическая ценность квантовых точек существенно возрастает при обеспечении их селективной доставки в определенный орган или ткань без нарушения их функции. Направленная доставка квантовых точек становится возможной при их конъюгации с пептидами или антителами.

Первое исследование, посвященное возможности использования квантовых точек для молекулярной визуализации, показало, что конъюгация пептидов с квантовыми точками приводит к их селективному накоплению в сосудах опухолей и других тканей ex vivo (Akerman et al., 2002). Позднее были выполнены исследования, показавшие возможность использования конъюгатов «квантовые точки-пептид» для визуализации специфических тканей in vivo. Так, в работе Cai et al. (2006) применялись квантовые точки, конъюгированные с трипептидом АРГ-ГЛИ-АСП. Последний является антагонистом интегрина avβ3, который, в свою очередь, селективно экспрессируется на поверхности опухолевых клеток и сосудов. В результате внутривенного введения конъюгатов квантовых точек с указанным трипептидом авторам удалось добиться идеальной флуоресцентной визуализации подкожной глиобластомы у мышей in vivo. Kвантовые точки также конъюгировались с моноклональными антителами против мембранного простатоспецифического антигена для детекции рака предстательной железы у мышей in vivo (Gao et al., 2004). В другом исследовании применялись конъюгаты квантовых точек и антител против альфафетопротеина для визуализации гепатомы in vivo (Yu et al., 2007).

Tada et al. (2007), используя метод высокоскоростной  конфокальной биомикроскопии кожной  складки, изучили движение единичной (!) квантовой точки, конъюгированной  с антителом против герцептина-2, у мышей с раком молочной  железы. При этом авторы наблюдали  циркуляцию квантовой точки в  просвете кровеносных сосудов, экстравазацию  квантовой точки, ее связывание  с мембранным антигеном и движение  от мембраны опухолевой клетки  к перинуклеарной зоне.

К сожалению, прижизненная флуоресцентная визуализация тканей с помощью квантовых точек, успешно продемонстрированная в нескольких исследованиях на мелких лабораторных животных, в силу ограниченной глубины проникновения оптического сигнала не может быть напрямую экстраполирована на клиническую практику. В клинической медицине эта методика может применяться для визуализации поверхностных тканевых образований (опухоли кожи и подкожной клетчатки), интраоперационной диагностики и визуализации зон, доступных при эндоскопии. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/molekuljarnaja-vizualizacija/opticheskaja-vizualizacija

В силу отсутствия тканеспецифических контрастных агентов, компьютерная томография до настоящего времени не рассматривалась как метод молекулярной визуализации. Тем не менее, в последние годы появились исследования, в которых в качестве контрастных агентов для компьютерной томографии использовались наночастицы. Так, йод-содержащие наночастицы в исследовании Hyafil et al. (2007) обеспечивали хорошую визуализацию макрофагов в атеросклеротических бляшках аорты кролика. Есть основания ожидать, что использование этих наночастиц может стать важным элементом компьютерной томографии коронарных артерий у человека. Использование в качестве контрастирующего агента покрытых полимером неорганических наночастиц (Bi2S3) показало, что эти частицы в 5 раз более эффективно поглощают рентгеновские лучи, чем стандартные йод-содержащие контрастные агенты (Rabin et al., 2006). Кроме того, наночастицы гораздо дольше циркулировали в крови и не уступали традиционным агентам по безопасности и эффективности. Учитывая, что компьютерная томография относится к наиболее часто используемым в настоящее время диагностическим методам, эти данные позволяют надеяться на все более активное внедрение наноразмерных контрастных и визуализирующих агентов в практику использования данного метода. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/molekuljarnaja-vizualizacija/kompjuternaja-tomografija

Определенные перспективы связаны с использованием наночастиц в качестве альтернативы традиционным контрастным агентам для магнитно-резонансной томографии. Для этой цели использовались суперпарамагнитные наночастицы оксида железа, которые подвергаются неспецифическому захвату клетками ретикуло-эндотелиальной системы. В связи с этим, наночастицы оксида железа применялись для визуализации печени (Reimer et al., 2000), селезенки (Weissleder et al., 1988) и лимфоузлов (Mack et al., 2002). Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа хорошо обнаруживаются даже при их очень низкой концентрации. Имеются данные о визуализации отдельных клеток, содержащих эти наночастицы, и даже индивидуальных наночастиц (Shapiro et al., 2006). Поэтому данный тип наночастиц в последнее время активно используется для мечения отдельных клеток и прослеживания путей их миграции in vivo (Stuckey et al., 2006).