Нанотехнологии в медицине

Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.

А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК. Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым смогут воспользоваться врачи в повседневной работе, понадобиться около пяти лет.

С помощью нанотехнологий медицина сможет не только с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адаптации человека в космосе.

Нанотехнологии, применяемые в медицине в последнее время.

Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.

Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Группа исследователей из Нью-йоркского Университета сделала очередной прорыв в области нанотехнологий — учёные вплотную подошли к созданию управляемой машины на основе синтетических молекул ДНК.

Исследователи сообщили, что разработанное ими устройство может стать основой для строительства сложных машин молекулярного масштаба, что, в конечном счёте, приведёт к созданию нанороботов, которые будут строить новые молекулы, проводить операции на молекулярном уровне и, таким образом, бороться с заболеваниями.

Наноробот, введённый в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему — от отложений холестерина. Он сможет изучить, а затем и исправить характеристики тканей и клеток.

Руководитель группы исследователей, профессор химии Нэдриан Симан (Nadrian C. Seeman), заявил, что пока удалось лишь ограничить движение ДНК-устройства в молекулярной среде, но в будущем нанороботы станут полностью управляемыми машинами.

Группа работает над тем, чтобы управлять несколькими парами молекул автономно, без воздействия на другие. Таким образом, они хотят запрограммировать молекулы ДНК, чтобы они могли в заданном порядке самоорганизоваться и объединяться с другими молекулами в более крупную структуру.

В процессе исследований учёные внедрили искусственные нити ДНК («set strands», «fuel strands») в индивидуальные пары молекул. Затем они развернули парные перекрещивающиеся молекулы (paranemic crossover (PX) molecule) вполоборота и, удалив обе искусственные нити, заменили их новыми «set strands». Тем самым, они изменили конфигурацию ДНК-машины.

Созданная учёными ДНК-машина имеет две своеобразные «руки» — молекулы, которыми исследователи вроде бы научились управлять, но что-либо сделать, например, добавить в раствор определённый химикат, устройство не способно: пока раствор воздействует на все молекулы одновременно и равномерно, то есть «достаётся и нашим, и вашим».

Напомним, что нанороботы (или наноботы) — это гипотетические устройства размером в единицы и десятки нанометров (один нанометр — это миллионная доля миллиметра), которые могут самостоятельно манипулировать отдельными атомами. Переставляя атомы, нанороботы смогут самовоспроизводиться, создавать из произвольного материала (земли, воды) любые предметы и так далее: изменениям могут подвергаться практически любые — как органические, так и неорганические вещества. В конечном итоге нанороботы посредством манипуляций с молекулами смогут создать любой предмет или существо.

Нанороботов условно разделяют на два вида: способных конструировать что-либо, например, самовоспроизводиться (ассемблеры), или деконструировать, разбирать (дизассемблеры).

Молекулярные ассемблеры — основной инструмент человека для манипуляций в наномире. Любой вирус в определённом смысле также является ассемблером. Нанороботов нередко так и называют — «искусственные вирусы».

«До сих пор все опыты в наномире были похожи скорее на детские забавы, — считают журналисты „Огонька“ Кирилл Журенко и Дмитрий Назаров. — Самая маленькая в мире ручка рисует на поверхности золота круги в несколько атомов шириной, буквы „IBM“ высотой в 6-8 атомов выложены с помощью туннельного микроскопа, коробочка с длиной ребра в несколько нанометров, открывающаяся и закрывающаяся от приложенного импульса, одностенные нанотрубки диаметром 1 нанометр и длиной от 100 до 300 нанометров, пропеллерообразная молекула, способная вращаться на медной поверхности...

Проект манипулятора уже достаточно подробно описан. У позиционирующего устройства „руки“ будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своим храповиком, приводимым в действие давлением инертного газа, цилиндрами будут служить углеродные нанотрубки. Всё достаточно просто, однако пока такая „рука“ пока не создана.

Еще в октябре 1998 года датские учёные продемонстрировали атомный триггер, состоящий из одного атома кремния и двух атомов водорода. Современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (минимальная единица информации) с помощью одного электрона. А там уже и до искусственного разума рукой подать».

Попробуем разобраться, какую помощь могут оказать людям нанороботы и какую угрозу для человечества они представляют.

Перспективы просто фантастические, иначе не скажешь. Например, за счёт внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и «облагораживающих» ткани организма можно будет достигнуть бессмертия человека, не говоря об оживлении и излечении безнадежно больных и людей, которые были заморожены методами крионики.

В промышленности произойдёт замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет.

Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных роботов придут на смену «естественным машинам» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.

Биологи смогут «внедряться» в живой организм на уровне атомов и станут возможными и «восстановление» вымерших видов, и создание новых типов живых существ, в том числе биороботов.

Космос будет, наконец, освоен: огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции.

В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится долговременная быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

За счёт внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. На всё это, по разным оценкам, понадобится около 100 лет.

«Однако новые открытия могут иметь и негативные последствия», — пишет в своей статье «Угрозы новых технологий» профессор Евгений Абрамян. — Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнёт уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.

При этом самым неприятным может оказаться то, что это будут нанороботы, способные к самовоспроизводству (саморепликации, размножению).

Как видите, нанороботы, вышедшие из-под контроля могут стать оружием массового поражения.

Можно представить себе и нанороботов, запрограммированных на изготовление уже существующего оружия. Овладев секретом создания подобного робота или каким-то образом достав его, воспроизвести универсального «малыша» в большом количестве сможет небольшая группа людей или даже террорист-одиночка.

Отметим также принципиальную возможность создания устройств, выборочно разрушительных: например, воздействующих на определённые этнические группы или заданные географические районы".

Так или иначе, но главный шаг на пути создания нанороботов группа нью-йоркских учёных, по собственному признанию, уже сделала. Судя по тому, что на создание первой ДНК-машины ушло около 10 лет, первый наноробот появится максимум лет через 5-7.

2)Биочипы.

Чип – это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам – белкам, токсинам, аминокислотам и т.п. Достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам. А потом прибор-анализатор считает информацию.

Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН под руководством академика Андрея Мирзабекова, уже умеют практически мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п. Причем российские биочипы оказались намного дешевле и удачнее американских. Однако внедрение этой новейшей технологии в практическую медицину идет гораздо медленнее, чем хотелось бы.

Современная медицина базируется на точной диагностике и точном лечении, основанном на корректирующем воздействии на отдельные органы и системы организма. Это было бы невозможно без точного знания процессов, происходящих в организме, и требует достоверной оценки состояния организма перед лечением. Поэтому все большее значение приобретает диагностика.

Современная диагностика состоит из множества отдельных методов, каждый из которых может определить один-два параметра. И задачей врача становится проанализировать всю диагностическую информацию о конкретном пациенте, чтобы выбрать правильные методы лечения. Фактически, человек анализирует значения отдельных показателей, пытаясь воссоздать целую картину происходящего. Качество этой оценки критически зависит от опыта и образования врача, и именно на этом этапе возможны субъективные ошибки, влекущие за собой неверные решения. Поэтому, во всем мире активно развиваются методы скрининга – одновременный анализ состояния пациента по нескольким сотням или даже тысячам параметров – и, на основе связей между ними, воссоздание точного состояния организма с вынесением правильного диагноза.

Именно эта идея лежит в основе разработки биочипов (микроматриц) - микроустройств, позволяющих осуществлять широкомасштабный скрининг. Биочип может использоваться для определения в среде наличия вирусов и микроорганизмов, метаболитов, наркотиков, любых биологически активных веществ, в том числе присутствующих в сверхмалых количествах и низких концентрациях, вплоть до долей наномолей.

Создание биочипов является одним из наиболее революционных технологических достижений биотехнологии последних лет. Биочип представляет собой небольшую (5-10 мм) пластинку, на которой в виде мельчайших точек (диаметром 0,01 мм) одновременно расположено до нескольких тысяч разнообразных микротестов, каждый из которых дает точную количественную информацию о каком-то параметре не хуже, чем любой из применяемых в настоящее время методов.