Нанотехнологии в медицине

Суспензию из зеленых квантовых точек можно вводить и в сосуды. После того как они достаточно быстро и равномерно распределятся, через кожу будет видна разветвленная сеть кровотока в виде характерного изумрудного «кораллового деревца». И если в каком-то месте поврежден маленький сосуд или капилляр, это будет заметно по небольшим разрывам в зеленой сетке сосудов. Такой сигнал совершенно отчетлив, и его ни с чем нельзя спутать, т.к. в тканях человеческого организма зеленого цвета нет.

На снимке – визуализация микрососудов с помощью водорастворимых квантовых точек в коже мыши (глубина 100 мкм).

Ученые уже расшифровали структуру генома человека, состоящего из 50 тыс. генов. Это примерно 3 млрд нуклеотидов, играющих роль своеобразных букв при записи наследственной информации. Также известно, в какой части гигантской «книги ДНК» записан каждый ген. Большинство болезней спровоцированы «сбоями», вызванными мутациями в генах, поэтому при медицинском обследовании важно знать, есть ли у пациента врожденная предрасположенность к каким-либо заболеваниям, вызванная наследственными «ошибками» в ДНК.

В настоящее время это делается с помощью микрочипов. На каждом квадратном миллиметре такого устройства нанесено примерно 100 квантовых точек, к каждой из которых пришит свой зонд, способный специфически связываться с определенным фрагментом ДНК и таким образом тестировать ее.

Общий принцип тестирования следующий. Допустим, нужно выяснить, нет ли у человека предрасположенности к болезни Альцгеймера или к сердечной недостаточности. Для этого у него берется анализ крови и определяется, присутствует ли там ген, мутации которого вызывают данный недуг. Затем в лабораторных условиях синтезируется небольшой фрагмент ДНК размером, например, в сто нуклеотидов. При этом только в данном гене из всех 30 тыс. имеющихся существует такая последовательность. Фрагмент пришивается к квантовой точке и помещается в определенную ячейку на чипе, другой специфичный фрагмент пришивается к другой квантовой точке и вводится в следующую ячейку и т.д.

После того как на чип наносится капелька крови, происходит связывание пришитых к квантовым точкам зондов с определенными фрагментами ДНК. Далее с помощью компьютера, оснащенного микроскопом, «просматриваются» последовательно все ячейки. Если в каждой квантовой точке изменился цвет, значит, произошло связывание со всеми генами, которые тестирует данный микрочип, и у человека с ними все в порядке. Если же в какой-то ячейке цвет не изменился, значит, связывание там не произошло, и, следовательно, в соответствующем гене имеется «поломка», т.е. нарушение в последовательности нуклеотидов. После чего выясняется, в каком именно месте гена расположена поломка. Если она в том кусочке, который отвечает за болезнь Альцгеймера, то, значит, имеется предрасположенность к этому недугу.

Сейчас уже созданы микрочипы, в которых количество ячеек измеряется десятками тысяч, и в каждой – индикатор на определенный фрагмент человеческой ДНК. Они могут принадлежать одному гену или разным – в зависимости от поставленной задачи. Сегодня с помощью квантовых точек можно диагностировать не только наследственные заболевания, но также различные инфекции и т.д. Существует «специализация» чипов. Например, один сделан для всех сердечно-сосудистых заболеваний, второй – для эндокринных, третий – для онкологических. Чип с капелькой исследуемой крови кладут под микроскоп, специальная программа считывает все точки, информация обрабатывается на компьютере, и диагноз по данной болезни готов.

К сожалению, данная технология не позволяет провести полную генетическую диагностику человека. Наследственная информация, содержащаяся в ДНК, столь велика, что для этого потребуются миллионы специализированных микрочипов. Но если освоить технологию изготовления наночипов с размером ячейки около 100 нанометров или даже еще меньше, то можно будет увеличить его информативность в миллионы раз. Наночиповая технология позволит при использовании всего одного квадратного сантиметра произвести диагностику человека по всем генам и мутациям. Достаточно одной капли крови – и можно узнать все о генетическом здоровье человека. Ожидается, что уже в ближайшие годы будет сконструирован наночип, на который можно нанести весь геном человека.

3)Биосенсоры

В диагностике важно иметь возможность выделить интересующие нас в данный момент внутриклеточные процессы и следить за ними в реальном времени. Член-корреспондент РАН С.А. Лукьянов из Института биоорганической химии предложил оригинальное решение задачи.

Ученый разработал технологию, меняющую структуру гена так, что флуоресцирующая часть белка сохраняется, а другая приобретает способность определенным образом связываться с любым заранее выбранным внутриклеточным веществом. На первый взгляд, подобная технология открывает широкие возможности для определения пути любого соединения внутри живой клетки.

 

Следует отметить, что можно создать флуоресцирующий белок, связывающийся с кальцием. Причем при связывании иона флуоресценция белка будет возрастать. Далее ген с измененной структурой вводится, например, в зародышевую клетку мыши. Когда животное вырастет, изменение концентрации кальция в его клетках будет сопровождаться изменением интенсивности зеленого света в различных местах. Клеточный метаболизм химического элемента становится видимым во всех деталях. Можно следить, как при различных болезнях изменяется концентрация ионов кальция в клетках, как лечение влияет на их восстановление и т.д. Аналогичным способом можно отслеживать метаболизм других веществ. Такой метод открывает широкие возможности для визуализации жизненно важных процессов и позволяет непосредственно проверять эффективность того или иного лечения.

В каждой клетке существует программа самоуничтожения, так называемый апоптоз, включаемая через определенный промежуток времени . Такой чрезвычайно важный для понимания жизнедеятельности организма процесс еще до конца не ясен. Однако известно, что он сопровождается увеличением внутриклеточного содержания перекиси водорода. С.А. Лукьянов синтезировал ген, производящий флуоресцентный белок, который связывается с гидроперитом. Это дало возможность наблюдать весь процесс клеточного апоптоза в реальном времени. Можно также отслеживать путь вводимого в организм лекарства или любого другого вещества.

 

 

Известно, что все полезное полезно лишь в определенных количествах, прием сверх меры, как правило, наносит вред. Еще Парацельс говорил, что все есть яд, и только правильная доза делает вещество безопасным. Соответственно, и наночастицы, несмотря на свои сверхмалые размеры, могут быть также опасны. В связи с этим разрабатываются процедуры их тестирования, аналогичные тем, что используются для обычных лекарств. Например, не исключено, что наночастицы способны вызывать агрегацию белков, а это впоследствии может привести к болезни Альцгеймера и т.п. Поэтому все нанопрепараты проходят доклиническое испытание. Последовательно проверяется их влияние на морфологию, развитие и движение клеток, на обмен веществ и т.д. И только после этого для каждого конкретного случая подбираются оптимальные природа, размер и доза наночастиц.

III. Геннотерапия.

ДНК имеет спиралевидную структуру и состоит из двух связанных друг с другом комплементарных нитей, представляющих собой последовательность четырех нуклеотидов, расположение которых определяет структуру синтезируемого белка. И если есть подмена хотя бы одного из нуклеотидов, то в молекуле белка появится какая-то «чужая» аминокислота. Как результат, белок не сможет правильно упаковываться и будет плохо выполнять свои функции. Например, при таком врожденном заболевании, как серповидноклеточная анемия, белок гемоглобина из-за незначительного изменения в аминокислотной последовательности теряет способность принимать нужную форму и поэтому не может переносить кислород. Эта болезнь неизлечима, и человек погибает. Другие нарушения в работе белка, вызванные наследственными ошибками в ДНК, как правило, менее опасны, но, тем не менее, также могут приводить со временем к различным

хроническим заболеваниям. И если раньше врачи пытались вылечить сам недуг, то теперь стараются устранить его причину – помочь организму правильно синтезировать нужный белок. Появилось даже новое направление в медицине – генотерапия. И многие болезни, вызванные сбоем в генах, как наследственным, так и приобретенным, сегодня вылечиваются.   

Вирус состоит из ДНК или РНК, окруженных белковой оболочкой, и самостоятельно размножаться не может. Такой паразит обладает определенной программой: попадая в живую клетку, он нарушает ее работу, заставляя копировать самого себя в тысячах и миллионах экземплярах. Размноженные таким способом вирусы покидают разрушенную клетку, чтобы найти себе новую жертву.

А что если использовать «стратегию» вирусов для внедрения в клетку нужного гена? Оказалось, такое возможно.

При лечении заболевания сначала выясняется, не вызвано ли оно генетическими ошибками. И если да, то определяется, какой именно ген работает со сбоями. Затем синтезируется требуемый фрагмент ДНК, который всегда представляет собой полианион, так как в нем положительно заряженные нуклеотидные основания соединены друг с другом и спрятаны внутри скрученной молекулы, а отрицательно заряженные фосфатные группы обращены наружу. Для нейтрализации внешнего электрического заряда к гену добавляется соответствующий поликатион. Под действием межатомных сил вся эта сложная структура сворачивается в наношарик. Сверху такой шарик покрывается другим полианионом. Это делается для того, чтобы клетка при соприкосновении с ним проглотила его, что она обычно делает с вирусом. Внутри клетки оболочка шарика разрушается под действием пищеварительных ферментов. Освободившийся ген проникает в ядро, где и начинает работать – включает внутриклеточные механизмы синтеза белка на своей матрице. Внедренный таким способом ген успевает проработать около двух недель, затем клетка все же распознает чужака и уничтожает его.

 Преимущества генной терапии:

• «Адресная» (точная)   доставкалекарства к очагу поражения.
• Не затрагиваются другие органы и системы организма.
• Не происходит нейтрализация лекарства ферментами в пищеварительной сиситеме.
• Индивидуальная дозировка.

 

 

 

 

Лечение сегодня.	Лечение в будущем.
Лекарства (антибиотик)      ↓ Пищеварительная система      ↓ Кровь      ↓ Все органы       ↓ Ткани	Нанокапсула       ↓ Клетки -       ↓ Исправление гена
Дозировка стандартная для всех организмов. Учитывается в основном только возраст пациента.	Дозировка индивидуальная для каждого.

 

 

 

IV. Перспективные направления

Наиболее перспективное направление будущих исследований в наномедицине – создание нанороботов, которые станут играть роль своеобразных нанодокторов.

 

 

 

1)Нанороботы.

Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Двигаясь по всему организму внутри мельчайших сосудов и внутри клеток, они будут устранять различные неисправности и производить чистку сосудов. Одна из основных проблем при создании таких устройств – изготовление наномоторов, с помощью которых нанороботы смогут перемещаться внутри тканей и внутри отдельной клетки. Для достижения таких целей достаточно научиться использовать внутриклеточный «транспорт».

Каждую клетку можно сравнить с огромным мегаполисом, в котором множество заводов по производству белка и других органических соединений связаны друг с другом сложнейшей сетью дорог – актиновых (вид белка) нитей. Каждая молекула, оказавшись внутри клетки, в зависимости от своей структуры попадает на определенную дорогу и движется строго по ней в определенное место. Поняв принцип работы внутриклеточных путей сообщения, можно использовать их для точной адресной доставки лекарств. Для этого достаточно выяснить, какой путь ведет в нужное место, а также типы молекул, движущихся по нему. Пришив наноконтейнер с лекарством к подобной молекуле, можно отправить ее по требуемому адресу. Причем такая доставка происходит за счет универсальной энергии АТФ, представляющей собой наиболее эффективное «топливо» с коэффициентом полезного действия равным 92%. В данной реакции энергия химической связи сразу превращается в механическую, минуя тепловую стадию. Такой природный мотор с высокой эффективностью работает во всех живых организмах без исключения.

Ученые из штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни. Так в США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так перед стартом астронавт используя шприц для подкожных инъекций, вводят в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. По беспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будут приниматься необходимые меры.