Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Установлено, что провоспалительные эффекты наночастиц зависят от площади их поверхности. Так, ингаляция наноразмерных частиц оксида титана в течение 3 месяцев вызывала более выраженные воспалительные изменения в легких, чем ингаляция микрочастиц того же вещества (Oberdorster et al., 1994). Аналогичная зависимость провоспалительного эффекта от удельной площади поверхности наблюдалась и для углеродных наночастиц в экспериментах на крысах (Donaldson et al., 2002). С другой стороны, некоторые исследования не подтверждают зависимость выраженности воспалительного ответа от размера и площади поверхности наночастиц (Sayes et al., 2006). Существует мнение, что наличие провоспалительных эффектов наночастиц зависит не от площади их поверхности, а от свойств поверхности как таковой. В исследовании Warheit et al. (2006) реактивность поверхности кварцевых наночастиц различного размера оценивалась с помощью гемолитического потенциала. При этом выраженность воспалительных изменений в легких коррелировала не с размером наночастиц, а с реактивностью их поверхности.

В настоящее время мы располагаем результатами целого ряда экспериментальных исследований, выполненных на мелких грызунах и посвященных изучению токсичности нанотрубок при их ингаляционном введении. Эти исследования показали, что пролонгированное введение однослойных и многослойных нанотрубок может вызывать хроническое воспаление легких, формирование гранулем, фиброз и, в некоторых случаях, смерть (Warheit et al., 2004, Саггего—Sanchez et al., 2006). Интратрахеальное введение эквивалентной массы нанотрубок и нанодисперсного углерода позволило определить, что воспалительные изменения в легких являются специфическими именно для нанотрубок, поскольку введение углеродных наночастиц не сопровождалось какими-либо гистологическими нарушениями в легких (Shvedova et al., 2005).

Исследования кожной токсичности наноматериалов не выявили сколько-нибудь значимых негативных эффектов при локальном нанесении на кожу различных рецептур, содержащих наночастицы. С другой стороны, некоторые наноматериалы обладали достаточно высокой цитотоксичностью, выявленной на клеточных культурах in vitro (Sayes et al., 2006). Такое противоречие с результатами, полученными in vivo, может объясняться меньшей проникающей способностью наночастиц через интактную кожу. Эта точка зрения находит дополнительное обоснование в виде результатов экспериментов Sato et al. (2005), которые показали формирование крупных гранулем при подкожной имплантации нанотрубок крысам.

Исследования острой системной токсичности наночастиц немногочисленны. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что большинство наноматериалов могут быть отнесены к разряду умеренно токсичных и малотоксичных по классификации Hodge и Sterner (1949). LD 50 этих веществ колеблется от 50 до 5000 мг/кг. Интересным является тот факт, что органы-мишени для большинства наночастиц входят в состав ретикуло-эндотелиальной системы. Так, например, при исследовании острой системной токсичности G3 катионного меламинового дендримера в качестве органа-мишени была идентифицирована печень (Neerman et al., 2004). Эти данные вполне объяснимы, поскольку наночастицы после опсонизации действительно активно захватываются элементами ретикуло-эндотелиальной системы. Поскольку наночастицы, используемые в биомедицинских целях, зачастую покрывают биосовместимыми покрытиями, затрудняющими их распознавание и поглощение фагоцитами, органы-мишени для таких частиц могут быть иными. В частности, важную роль в элиминации такого рода наночастиц могут играть почки. Такие наночастицы, как углеродные нанотрубки, водорастворимые производные фуллеренов и дендримеры невысоких порядков преимущественно выводятся из организма почками (Stern, McNeil, 2008).

Известно, что некоторые наночастицы вызывают нарушение функции лизосом. Так, например, было показано, что кварцевые наночастицы могут вызывать повышение проницаемости мембраны лизосом и высвобождение лизосомальных ферментов с последующим запуском апоптоза альвеолярных макрофагов (Thibodeau et al., 2004). Активация аутофагии in vitro была отмечена под действием наноразмерных частиц оксида неодима (Chen et al., 2005), квантовых точек (Seleverstov et al., 2006) и фуллеренов (Yamawaki, Iwai, 2006).

К настоящему времени было опубликовано всего несколько исследований, посвященных изучению потенциальных канцерогенных эффектов наночастиц и наноматериалов. Согласно данным Nelson et al. (1993) и Mori et al. (2006), фуллерены не стимулируют формирования опухолей при длительном нанесении на кожу животных и не обладают мутагенным действием на клеточных культурах. С другой стороны, было показано, что фуллерены могут оказывать мутагенный эффект in vitro при облучении видимым светом и наличии микросом, выделенных из гепатоцитов (Sera et al., 1996). Мутагенность фуллеренов при их облучении, по-видимому, связана с образованием липоперекисей за счет высвобождения синглетного кислорода в процессе перехода молекулы фуллерена из возбужденного в стационарное состояние. Суммируя результаты исследований, посвященных изучению мутагенных эффектов наночастиц оксида титана, можно сделать следующий вывод. Некоторые исследования, выполненные in vitro на изолированных клетках и клеточных культурах, показали, что воздействие ультрафиолета может приводить к цитотоксическим и генотоксическим эффектам. С другой стороны, исследования, проведенные in vivo, не подтверждают наличия какого-либо онкогенного эффекта данных наночастиц.

Подводя итог, следует отметить, что нанотоксикология как самостоятельная область наномедицины в настоящее время находится в самом начале своего развития. Информация о потенциально опасных эффектах наночастиц на организм человека плохо систематизирована, а имеющиеся данные зачастую требуют подтверждения на других, более релевантных моделях. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/nanotoksikologija

В последние десять лет наблюдается экспоненциальный рост числа публикаций, посвященных новому разделу медицинских знаний – наномедицине. Этот факт свидетельствует о том, что нанотехнологии, долгое время находившиеся почти исключительно в поле зрения материаловедения, физики и химии, сейчас активно внедряются в биологию и медицину. Основными направлениями, в которых сосредоточились наномедицинские исследования, являются разработка способов направленной доставки лекарственных препаратов в поврежденные ткани, изучение диагностических подходов с использованием молекулярной визуализации, повышение чувствительности и разрешающей способности методов лабораторной диагностики. Для решения этих задач в арсенале наномедицины имеются самые различные наноматериалы – фуллерены и дендримеры, углеродные нанотрубки и нанопористые материалы, квантовые точки и наночастицы металлов. Применение наноматериалов в медицине не ограничивается решением изолированных узких задач. Проводимые исследования отражают общую тенденцию к созданию многофункциональных устройств, сочетающих в себе диагностические и терапевтические возможности. В то же время, наномедицина идет по пути профилизации и специализации, проникая в такие отрасли медицинской науки, как офтальмология, стоматология, травматология и ортопедия.

Внедрение новых технологий и материалов в клиническую медицину требует тщательного изучения их безопасности. На сегодяшний день мы располагаем недостаточными данными о безопасности многих наноматериалов. В ближайшие годы ожидается значительное увеличение объема исследований, посвященных этой важной проблеме.

Применение нанотехнологии в медицинской практике позволяет приблизиться к формированию персонализированной медицины. Концепция персонализированной медицины предполагает создание тактики лечения и профилактики на основе индивидуальных особенностей генотипа и фенотипа конкретного пациента. Существенно расширившиеся возможности молекулярной диагностики и идентификации биомаркеров, уникальных для каждого пациента, создают предпосылку для персонализации терапевтических мероприятий.

Таким образом, применение нанотехнологии в биологии и медицине представляет собой пример исключительно плодотворного синтеза физических, химических и биомедицинских научных знаний, в конечном итоге способствующего повышению качества оказания медицинской помощи и улучшению состояния здоровья населения. 
Подробнее: http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine/zakljuchenie

Последние сенсационные открытия в области биологии и медицины обладают одним характерным свойством. С одной стороны, они сеют радужные надежды победить болезни и даже старость,   а  с другой – вызывают нешуточные опасения из-за того, что затрагивают глубокие и далеко не до конца понятые структуры живого организма.

Представьте себе такой эксперимент: в пробирку со стволовыми клетками, взятыми у лабораторной крысы, добавили метки-люминофоры, которые сели на клетки и прочно зафиксировались на их поверхности. (Чтобы окрасить популяцию клеток объемом в один кубический сантиметр, меток требуется в десятки тысяч раз меньше – их не видно невооруженным глазом.) Затем у этой же крысы смоделировали инсульт и ввели ей клетки с этими маячками в хвостовую вену. Когда через десять дней ученые исследовали срез мозга животного под специальным флуоресцентным микроскопом, они увидели удивительную картину. Стволовые клетки, светящиеся, как микроскопические люминесцентные лампочки, не только собрались точно в очаге повреждения, но и начали активно делиться, восстанавливая пораженную ткань мозга.

Этому умению клеток спешить на помощь к «месту аварии» специалисты дали название homing (от английского слова home – дом). К сожалению, пока специалисты не научились посылать клетки точно в цель, как посылку по адресу. Возможно, те случаи, когда клеточная терапия не оказывает ожидаемого лечебного действия, объясняются тем, что клетки по какой-то причине осели в другом месте, не сумели адаптироваться и начать действовать. Интересно, что даже в случае гибели клеток содержащиеся в них биологически активные вещества могут оказывать благоприятное воздействие на окружающие их ткани больного организма

Как же организм зовет стволовые клетки на помощь? Гипотез немало. По одной из них в очаге поражения появляются некие вещества, которые «призывают» на помощь клетки именно той разновидности, которые нужны для восстановления пораженной ткани. Ученые Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ уже научились превращать безликие стволовые клетки в нейроподобные для лечения инсультов. Разработана методика преобразования стволовых клеток в кардиомиоциты – для лечения сердца. В то же время известны факты, когда больным при инфаркте миокарда вводили просто стволовые клетки – и они помогали сердцу выздоравливать. В этой области медицины есть еще немало вопросов, на которые, как мы надеемся, помогут ответить нанотехнологии. Здесь еще непочатое поле деятельности.

Да и сами нанотехнологии, с которыми связывают свои надежды биологи и медики, тоже во многом terra incognita. Например, в интернет-энциклопедии «Википедия», во всяком случае в ее русскоязычном варианте, еще нет статьи о нанолюминофорах. Что же это такое?

– Те же люминофоры, то есть вещества, обладающие способностью излучать свет определенной длины волны после возбуждения, например, после воздействия ультрафиолетовым светом, электрическим разрядом или электронным пучком. Но только карликовых размеров, – говорит профессор, доктор наук, заведующий отделом нанодисперсных материалов НТК «Институт монокристаллов» Юрий Малюкин. – «Нано» – греческое слово, как раз и означающее «карлик». Это частички величиной всего пять нанометров, то есть миллиардных долей метра. Для сравнения, размер атомов или простейших молекул составляет около 0,1 нанометра,  а  биологической клетки – 20 тысяч нанометров

Раздробить исходный материал до таких пылинок – при обычном освещении они выглядят, как мельчайшая белая пудра, – с помощью механических мельниц невозможно. К тому же нанолюминофоры должны быть строго определенного размера и обладать заданными свойствами. Ученые НТК «Институт монокристаллов» НАНУ разработали тонкие химические технологии получения органических и неорганических нанолюминофоров. В основе этих технологий лежит эффект самоорганизации молекул. Производятся люминесцентные наночастицы, –  а  это могут быть кристаллы, полимерные сферы, цилиндры или трубки, – в небольших объемах. В граммах,  а  то и в миллиграммах.

Из всех известных наноматериалов нанолюминофоры занимают достаточно узкую нишу. Однако способность к люминесценции и взаимодействию с такими биологическими системами, как клетка, ее отдельные структуры, ДНК и РНК, делает их важным инструментом исследования в микробиологии и медицине.

Сейчас харьковчане сотрудничают также с учеными Института молекулярной биологии и генетики НАНУ и Киевского национального университета им. Шевченко в области исследований взаимодействия нанолюминофоров с ДНК и РНК. Активно намечают пути взаимодействия со специалистами Института экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии НАНУ, Института нейрохирургии АМН, Института травматологии и ортопедии АМН. Кстати сказать, еще в 1998 году журнал Science прогнозировал, что первые практические применения нанотехнология найдет именно в биологии и медицине.

Нужно заметить, что специалисты Института проблем криобиологии и криомедицины и раньше использовали метки для клеток, но это были не нанолюминофоры. В экспериментах клетки брали у донора одного пола, вводили реципиенту другого пола и прослеживали их судьбу по половым хромосомам, разным у мужчин (ХY) и женщин (XX). Или же лабораторному животному вводили человеческие клетки – это называется ксенотрансплантация. Кстати сказать, самое близкое биологически человеку животное – это свинья, символ этого года.

И все же именно светящиеся наночастицы впервые дали биологам возможность получить наглядную картину миграции клеток и их функционирования при введении в живой организм. Так, сотрудница ИПКиК НАНУ Елена Гончарук наносила лабораторным животным на места травм и ожогов особый гель – он состоял из клеток с люминофорами не снаружи,  а  внутри. По свечению таких внутренних меток, прикрепленных непосредственно на митохондрии, можно было наблюдать за поведением клеток в процессе их жизнедеятельности, например, во время деления. Интереснейшие результаты ученые получили и в других опытах с мечеными клетками – при патологии сетчатки глазного яблока, при ожогах кожи и травматических поражениях суставов.

– Стволовые клетки – это своего рода золотой запас, которым снабдила нас природа, – рассказывает директор Института проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, академик НАН Украины Валентин Иванович Грищенко. – С возрастом он постепенно истощается, поскольку тратится на восстановление клеточных элементов, которые гибнут в течение жизни в связи c износом, болезнями, травмами и так далее. Вот почему и возникла идея по мере необходимости пополнять этот запас извне, использовать стволовые клетки для лечения и омоложения. Она как раз и лежит в основе клеточно-тканевой терапии, которая стала одним из наиболее перспективных методов и направлений медицины будущего.

К процессу активных исследований этого направления примыкает все большее число специализированных научных центров как в Украине, так и во всем мире. На эти цели в развитых странах выделяются огромные финансовые средства – и государственные, и частные. Например, недавно страны ЕС решили продолжить финансировать изучение стволовых клеток, взятых из человеческих эмбрионов. Европейские ученые убедили политиков, что эти исследования – ключ в поиске лекарств против многих болезней, в том числе Альцгеймера и Паркинсона. В результате Брюссель выделил солидное финансирование на пятилетку вперед – на 2007-2013 годы.

В мире идет напряженная конкурентная борьба, что, кстати, видно и по упорным попыткам дискредитировать работу ученых Харькова с помощью всякого рода скандалов и «страшилок», которые, к сожалению, подхватываются отечественными СМИ. Идет манипуляция общественным сознанием за счет неосведомленности,  а  зачастую и невежества обывателя. Что и не удивительно – те страны, которые в числе первых начнут использовать стволовые клетки в клинической практике, станут лидерами в профилактике и лечении наследственных и приобретенных заболеваний.  А  значит, смогут значительно увеличить продолжительность активного периода жизни своих соотечественников, выпустить соответствующие препараты на международный рынок.