УДК 621.372.061

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

Силаков К.И., студент; Силакова Т.Т., к.ф.-м.н., доцент

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г.Киев, Украина

Введение

Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах нанотехнологий в медицине, надо сказать, что же это такое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «Нанотехнологии» - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-х направлениях:

Изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);

Разработка и изготовление машин;

Манипуляция атомами и молекулами.

Что такое наномедицина? «Наномедицина» - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас) .

В настоящее время наномедицины не существует, есть лишь проекты, воплощение которых и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда будет создан первый наноробот, знания, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь. Тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции на органах перейдут к операции на молекулах и мы, таким образом, станем «бессмертны» .

Наномедицина. Перспективы развития и возможные риски

Ученые утверждают, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации - 1-ая половина XXI века, а пока журналисты и общественность спорят: могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно, как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Как выразился Э. Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота, покрывающие землю «серая слизь» (graygoo)» - крохотная причина конца света.

212 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых? Упорядоченные одним образом, атомы составляют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым. Уголь и алмазы, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое от драгоценного, больное от здорового.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другогонанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью .

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями .

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм! .

Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, воз-

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 213

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

можно потому, что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю приме-няются.Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей. Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой. Для достижения этих целей необходимо решить три основных задачи:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.

2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.

3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность - создание первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений. Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата. Другой путь к созданию первого нанобота - химический синтез. Можно спроектировать и синтезировать химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе. Еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и их можно использовать для создания более универсальных роботов .

Г руппа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитие исследований в этой области, они предложили установить правительственный контроль над исследованиями. Такой надзор может предотвратить случайную катастрофу, например, когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.

Рей Курцвейл утверждает, что к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку. По оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году. Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так они практически сольются с нами.

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. В США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. ДжеймБейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так: перед стартом астронавт, используя шприц для подкожных инъекций, вводит в кроветок 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.

Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет. 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 бороться с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адаптации человека в космосе .

Могут ли влиять «устаревшиенанороботы» на человека? Когда механизм завершит свою работу, нанодоктора должны будут удалять нанороботов из организма человека. Поэтому опасность того, что «устаревшие нанороботы», оставшиеся в теле человека будут работать неверно, очень мала. Нанороботы должны будут спроектированы так, чтобы избежать сбоев в работе и уменьшить медицинский риск. А как нанороботы будут удалены из тела? Некоторые из них будут способны к самоудалению из организма человека путем естественных каналов. Другие же будут спроектированы таким образом, чтобы их могли удалить медики. Процесс удаления будет зависеть от устройства данного наноробота.

Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека? Считается, что первостепенной опасностью для пациента будет некомпетентность лечащего врача. Но ведь ошибки могут происходить и в неожиданных случаях. Одним из непредвиденных случаев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправно-

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 215

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

сти трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если наноробот А будет удалять последствия работы робота В, то это приведет к повторной работе А, и этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то есть нанороботы будут исправлять работу друг друга. Чтобы таких ситуаций не позникало, лечащий врач должен постоянно следить за работой нанороботов и в случае чего, перепрограммировать их. Квалификация врача является важным фактором .

Как будет реагировать организм человека на нанороботы? Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродные тела. Поэтому размер наноробота играет важную роль, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается, что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из этой проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и сильной ее гладкости, внешняя оболочка роботов будет химически инертной .

Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине. Основными областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплантанты. 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.

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. Преимуществобиочипов - большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Перспективы развития нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны. Примером являются наночи-пыи солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов . А такие

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовос-производствананороботов толстый слой «серой слизи» может покрыть всю Землю, являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Нанотехнологии являются той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит какие-либо новшества. Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Использование, например, такихнанотехнологий, как наносенсоры, может иметь рискованный характер. Ведь любая, даже самая простейшая система может давать сбои, что уж говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? И, кроме того, надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека.

Итак, перспективы развития нанотехнологий велики. В ближайшем будущем с их помощью можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанороботов станут неуправляемыми, как зомби. Так что общественности надо больше уделять внимания этому вопросу: чтобы ученые не только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность об этом.

Литература

1. Игами М., Оказаки Т. Современное состояние сферы нанотехнологий: анализ патентов // Форсайт. - 2008.- № 3 (7). -с. 32-43.

2. Robert A. Freitas Jr. Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics// Journal of Computational and Theoretical Nanoscience.-2005.- V. 2.- P.1-25.

3. Roco M.C. National nanotechnology initiative: Past, present and future // Handbook on nanoscience, engineering and technology. Ed. Goddard, W.A et al. CRC, Taylor and Francis, Boca Raton and London.-2007.- P.3.1-3.26.

4. Robert A. Freitas Jr. // Nanomedicine, Basic Capabilities. LandesBioscience, Austin.- 1999.- V. 1. P.7-20.

5. K. Eric Drexler. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.//John Wiley and Sons, NY, 1992.

6. K. Eric Drexler. // Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.- 1986.- V. 2.- P.17-25.

7. Lipsey R., Carlaw K., Bekar C. Economic Transformations: General Purpose Technologies and Long-Term Economic Growth. // Oxford University Press.-2005.- P. 87, 110, 131, 212-218.

8. Хульман А. Экономическое развитие нанотехнологий: обзор индикаторов // Форсайт. - 2009.- № 1. - с. 31-32.

9. Youtie J., lacopetta M., Graham S. Assessing the nature of nanotechnology: can we uncover an emerging general purpose technology? // Journal of Technology Transfer.- 2008. - V. 33. - P. 315-329.

10. Ратнер М. / М. Ратнер, Д.Ратнер. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. // Пер. с англ. / М.: Вильямс. - 2004. - С. 20-22.

11. Kearnes M. Chaos and Control: Nanotechnology and the Politics of Emergence //

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 217

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

Paragraph. - 2006. - № 29. - P. 57-80.

12. Игами М. Библиометрические индикаторы: исследования в области нанонауки // Форсайт. - 2008. - № 2. - с. 36-45.

13. Miyazaki K., Islam N. Nanotechnology systems of innovation. An analysis of industry and academiaresearch activities // Technovation. - 2007. - № 27. - P. 661-675.

14. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б.// Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ.-2002, с. 244-247

15. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б.//Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й НТК "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с.248-253.

16. Магия микрочипов. // В мире науки. - 2002. - № 11. - с. 6-15.

Силаков К.И., Силакова Т.Т. Нанотехнологии в медицине. Представлен краткий обзор литературы в области нанотехнологий в медицине. Отмечается, что в настоящее время есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Ученые утверждают, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Ожидается также создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок реализации - середина XXI века.

Ключевые слова:нанотехнологии, наноэлектроника, наноматериалы, нанобиотехнологии, наномедицина, нанодиагностика, нанороботы

Сілаков К.І., Сілакова Т.Т. Нанотехнології в медицині.Представлений короткий огляд літератури в області нанотехнологій в медицині. Відзначається, що в даний час є тільки проекти, втілення яких в реальність і призведе д наномедицини. Вчені стверджують, що настане той день, коли за допомогою нанотехнологій в кров"яні клітини людини можна буде вбудовувати мікроскопічні датчики, що попереджають про появу ознак радіаційного випромінювання або розвитку хвороби. Очікується також створення молекулярнихроботів-лікарів, які можуть "жити" всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи виникненню таких. Маніпулюючи окремими атомами і молекулами, наноботи зможуть здійснювати ремонт клітин. Прогнозований термін реалізації - середина XXI століття.

Ключві слова: нанотехнології, наноелектроніка,наноматеріали, нанобіотехноло-гії, наномедицина, нанодіагностіка, нанороботи.

Silakov K.I., Silakova T.T. Nanotechnologies of medicine. The brief review of literature is presented in area of nanotekhnologiy in medicine. It is marked that presently nanomediciny while does not exist, there are only projects embodiment of which in reality and will result in nanomedicine. Scientists assert that will come that day, when by nanotekhnologiy in the bloody cages of man it is possible it will be to build microscopic sensors, warnings at appearance of signs of radiation radiation or development of illness. Creation of molecular ro-bots-doctors which can "live " into a human organism is expected also, removing all nascent damages, or preventing an origin such. Manipulating separate atoms and molecules, nano-boty will be able to carry out repair of cages. The forecast term of realization is a middle of XXI age.

Key words:nanotechnology,nanoelectronics,nanomaterial,nanobiotechnology,nanomedi cine,nanodiahnostika,nanorobots.

218 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"

Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

• 1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.
• 1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
• 1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).
• 1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).
• 1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
• 1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.
• 1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
• 1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
• 1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
• 2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
• 2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека,Суздалев. И П. Нанотехнология М.--Комкнига, 2006 -- 592 стр. определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность. Пул-мл., Ч. Нанотехнологии : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 335 стр.

Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

Нанотехнологии в медицине предлагают большие возможности для улучшения лечения ряда заболеваний и уже используются в глобальном масштабе. В настоящее время разработаны около 50 видов терапии наночастицами. Существует широкий спектр определений, относящихся к медицинским нанотехнологиям, но до сих пор нет глобального консенсуса относительно того, как их следует классифицировать.

Нанотехнологии в зарубежной медицине уже доказали свою эффективность в области методов визуализации, моделирования, дозирования и манипулирования лекарствами. Взаимодействие материалов со сложными биологическими системами изменяются при нано-размерах. Наномедицина использует улучшенные и часто новые физические, химические и биологические свойства материалов в нанометровом диапазоне.

Наномедицина: типы наночастиц

Существует много различных типов наночастиц, включая неорганические (например, золото, серебро и диоксид кремния), наночастицы на основе полимера (например, дендримеры, полимерные лекарственные конъюгаты) и наночастицы на основе липидов. Разнообразие классов наноматериалов и широкого спектра изменения физических и композиционных характеристик наночастиц, является, пожалуй, самым большим преимуществом при использовании наномедицины.

Эти характеристики в значительной степени влияют на эффективность доставки лекарств. Есть много препаратов, которые плохо поглощаются из-за плохой растворимости в кишечной жидкости, а также плохого проникновения через кишечный эпителий. Наноформы используются для улучшения дисперсии слаборастворимых в воде лекарств, а также для повышения их транспорта через кишечный барьер.

В дополнение к улучшению системы доставки лекарств наномедицина также продемонстрировала повышенную безопасность по сравнению с обычными лекарствами, нацеливая их терапевтическую полезную нагрузку на пораженные участки тела с помощью пассивных или активных механизмов, что особенно актуально в онкологии.

Примеры использования нанотехнологий в зарубежной медицине

Одним из примеров использования нанотехнологий в медицине является разработка израильской компании Nano Retina - она разработала сложное и элегантное решение, предназначенное для восстановления зрения людей, потерявших зрение из-за дегенеративных заболеваний сетчатки. Миниатюрное устройство Nano Retina, имплантат NR600, заменяет функциональность поврежденных фоторецепторных клеток и создает электрическую стимуляцию, необходимую для активации оставшихся здоровых клеток сетчатки. NR600 состоит из двух компонентов; миниатюрный имплантируемый нано-чип и набор очков, которые носят пациенты.

Израильская компания MicronJet NanoPass Technologies разработала уникальную одноразовую иглу, предназначенную для безболезненного введения вакцин в кожу с использованием полупроводниковой нанотехнологии в медицине, которая обеспечивает превосходный иммунный ответ при меньшем количестве вакцины. Высокую эффективность этой медицинской нанотехнологии показала вакцинация младенцев от полиомиелита в Юго-Восточной Азии.

Другой пример использования нанотехнологий в медицине. В Израиле разработан метод получения изображений на основе наночастиц для отслеживания продольных мезенхимальных стволовых клеток в головном мозге. Нанополярная КТ-визуализация для отслеживания стволовых клеток в головном мозге применяется при диагностике и контроле нейропсихиатрических расстройств. Критической проблемой при разработке и внедрении терапии стволовыми клетками является отсутствие надежных, неинвазивных средств для визуализации и отслеживания клеток после их трансплантации и оценки их биораспределения и функциональности. Методика применяется для неинвазивного мониторинга при лечении депрессии и нейропсихиатрических заболеваний.

ИНТЕРЕСНО!
Исследования показывают, что клеточная терапия является потенциально перспективным подходом к лечению нейропсихиатрических расстройств. Миграция клеток может быть обнаружена нанополярной КТ уже через 24 часа и наблюдаться до одного месяца после трансплантации. Нанополярная КТ может применяться как для фундаментальных исследований, так и для клинических применений нанотехнологий в медицине.

Несмотря на значительный прогресс в области онкологической терапии, рак остается одной из ведущих причин смерти в мире. В Израиле нанотехнологии в медицине позволили разработать уникальный тип многофункциональных флуоресцентных наночастиц оксида железа (IO) для целевой противоопухолевой терапии. Комбинация этих наночастиц с химиотерапевтическими препаратами обеспечивает более мощный противораковый эффект и значительно улучшает прогноз пациента на выздоровление.

Кроме того, в Израиле создан новый метод компьютерной томографии (КТ) в сочетании с маркировкой Т-клеток наночастицами золота в качестве контрастного агента для КТ. Это позволяет наблюдать, как Т-клетки накапливаются в опухолевом участке, и корректировать иммунотерапию. Новый метод для отслеживания клеток с помощью КТ представляет собой ценный инструмент для исследований и, что еще важнее, для клинического контроля онкологической иммунотерапии.

Лаборатория мембранных и липосомных исследований, кафедра биохимии и молекулярной биологии в израильском институте медицинских исследований фокусируется на разработке и применении нанопрепаратов и нанотехнологий в медицине на основе липосом, начиная от базовых аспектов дизайна лекарственных препаратов, клинических испытаний и вплоть до улучшения уже используемых препаратов.

Специалистами Израиля созданы инъекционные системы доставки лекарств на основе пегилированных, длительно циркулирующих, стабилизированных нано-липосом, заряженных в зависимости от цели амфипатической слабой кислотой, противовоспалительным стероидным лекарством либо противораковым агентом. В данной технологии применяется биоэнергетическая стратегия дистанционной загрузки трансмембранного ионно-градиентного пула, посредством которой липосомы инкапсулируют соль, содержащую либо слабое основание (например, аммоний), либо слабую кислоту (например, ацетат).

Этот метод удаленной загрузки лекарственного средства имеет три основных преимущества:

1. высокая эффективность загрузки лекарств
2. высокое молярное соотношение между лекарственным средством и липидом
3. контролируемое высвобождение лекарственного средства как in vitro, так и in vivo.

Эти нано-препараты специально разработаны для использования в микроанатомической среде воспаленных и раковых тканей: это явление называется эффектом «повышенной проницаемости и удержания». Такие нанотехнологии в медицине приводят к снижению токсичности и повышению эффективности лечения рака и других заболеваний.

Перспективы наномедицины

Продукты наномедицины начали появляться более десяти лет назад, а основными областями применения наномедицины за рубежом являются онкология, заболевания ЦНС, сердечно-сосудистые заболевания и инфекционный контроль. Наномедицина уже хорошо развита. В отличие от некоторых других потенциальных применений нанотехнологий, которые по-прежнему в значительной степени экспериментальны, наномедицина уже внесла значительный вклад в эффективность диагностики и лечения за рубежом.

Возможно, вам будет интересно

Трудно концептуализировать мир, где люди могут манипулировать наноразмерными объектами по своему усмотрению или даже контролировать свой собственный биологический материал на клеточном уровне со светом. Техасский университет в Остине, например, работает с «нанотрубками» - медицинская нанотехнология с использованием света, которая открывает новые возможности для инноваций в области медицины. Они разработали опто-термоэлектрические нанотрубки, которые помогут дать более глубокое пониманию материальных и биологических систем и открыть ряд возможностей для фундаментальных и медицинских инноваций в нанометровом масштабе.

Такие продукты наномедицины, как нанотрубки, применимы к широкому спектру металлических, полупроводниковых, полимерных и диэлектрических наноструктур с заряженными или гидрофобными поверхностями. Созданы кремниевые наносферы, кремниевые гранулы, гранулы полистирола, кремниевые нанопроволки, германиевые нанопроволки и металлические наноструктуры. Манипуляции с живыми клетками и связь между ними, вероятно, будут основной исследовательской направленностью для инженеров, желающих использовать возможности нанотрубок в медицине.

ИНТЕРЕСНО!
Основными типами наноматериалов, используемых в медицинском применении, являются: полупроводниковые наноматериалы, магнитные наноматериалы, наночастицы металлов, углеродные наноматериалы, гидрогелевые нанокомпозиты, липосомы, дендримеры, полимерные нанокомпозиты и биоразлагаемые полимеры.

Наиболее популярные области исследований:

• биосовместимость наноматериалов с живыми организмами в их различных проявлениях;
• нанобиосенсоры для диагностики генетических, метаболических или инфекционных заболеваний;
• целевая доставка лекарств различными модификациями наноматериалов;
• наномедицинские устройства и структуры, нанороботы.

Новые наночастицы все чаще проектируются для диагностики и распознавания патогенов, для того, чтобы идентифицировать фармацевтические агенты для лечения заболеваний, находить, прикреплять или вводить биологические соединения в целевые области. Нанотоксикология фокусируется на оценке токсичности различных наноматериалов, которые уже используются или разрабатываются для медицинского применения.

Спектр применения нанотехнологий в зарубежной медицине постоянно расширяется, и скорее всего уже в ближайшем будущем нанотехнологии радикально изменят лицо современной медицины.

Те из нас, кто значительную часть жизни прожил до рубежа веков, привыкли считать наш текущий период времени эдаким отдаленным будущим. Раз уж мы выросли на фильма вроде «Бегущего по лезвию» (в котором действие происходит в 2019 году), нас как-то не очень впечатляет, каким оказывается будущее - во всяком случае с эстетической точки зрения. Да, летающих автомобилей, которые нам постоянно обещали, может не быть никогда. Но в медицине, например, происходят настолько впечатляющие прорывы, что мы уже сейчас стоим на пороге практического бессмертия. И чем дальше в будущее, тем удивительнее перспективы этой сферы.

Замена суставов из биоматериалов

Технологии замены суставов и костей прошли долгий путь за последние десятилетия, части на пластиковой и керамической основе взяли верх над металлическими частями, а новейшее поколение искусственных костей и суставов заходит еще дальше: их будут делать из биоматериалов, чтобы они практически слились с телом.

Это стало возможным, конечно же, благодаря 3D-печати (к этой теме мы будем возвращаться неоднократно). Хирурги главного госпиталя Саутгемптона в Великобритании изобрели технику, с помощью которой имплант бедра пожилого пациента удерживается на месте с помощью «клея», изготовленного из собственных стволовых клеток пациента. Кроме того, профессор Университета Торонто Боб Пиллиар вывел процесс на новый уровень, создав импланты нового поколения, которые на самом деле имитируют кость человека.

Используя процесс, который связывает компонент кости на замену (с применением ультрафиолетового света) в невероятно сложные структуры с чрезвычайной точностью, Пиллиар и его команда создает крошечную сеть каналов и траншеек, по которым перевозятся питательные вещества в самом импланте.

Выращенные костные клетки пациента затем распределяются по этой сети, замыкая кость с имплантом. Со временем компонент искусственной кости растворяется, а выросшие естественным образом клетки и ткани сохраняют форму импланта.

Крошечный кардиостимулятор

С момента имплантации первого кардиостимулятора в 1958 году, эта технология, конечно, значительно улучшилась. Впрочем, после гигантских скачков в развитии в 1970-х, в середине 80-х все как-то застопорилось. Компания Medtronic, которая создала первый кардиостимулятор, работающий на батарейке, выходит на рынок с устройством, которое может произвести такую же революцию в области кардиостимуляторов, как и ее первое устройство. Оно размером с витаминку и не требует хирургического вмешательства.

Эта новая модель вводится через катетер в паху (!), крепится к сердцу маленькими зубцами и поставляет необходимые регулярные электрические импульсы. В то время как обычные кардиостимуляторы, как правило, требуют сложного хирургического вмешательства, создания «кармашка» для устройства рядом с сердцем, крошечная версия существенно упрощает эту процедуру и снижает частоту осложнений на 50%: 96% пациентов не выявляли никаких признаков осложнений.

И хоть Medtronic вполне может быть первым на этом рынке (имея полученное одобрение FDA), другие крупные производители кардиостимуляторов разрабатывают конкурентные устройства и не собираются оставаться за пределами рынка, годовой объем которого составляет 3,6 миллиарда долларов. Medtronic начала разработку крошечных спасителей в 2009 году.

Глазной имплант от Google

Вездесущий провайдер поисковой системы и мировой гегемон Google, похоже, планирует интегрировать технологии в каждый аспект нашей жизни. Впрочем, стоит признать, что вместе с кучей хлама Google выдает на-гора и стоящие идеи. Одно из последних предложений Google может как изменить мир, так и превратить его в кошмар.

Проект, который известен как Google Contact Lens, представляет собой контактную линзу: имплантируясь в глаз, она заменяет естественный хрусталик глаза (который разрушается в этом процессе) и приспосабливается, исправляя плохое зрение. Линза крепится к глазу с помощью того же материала, который используется при производстве мягких контактных линз, и имеет множество практических медицинских применений - вроде считывания кровяного давления пациентов с глаукомой, уровней глюкозы у пациентов с диабетом или беспроводного обновления с учетом ухудшений зрения пациента.

В теории, искусственный глаз Google может полностью восстановить зрение. Конечно, это еще не камера, которая имплантируется прямо вам в глаза, но поговаривают, что к этому все идет. Кроме того, непонятно, когда линза появится на рынке. Но патент был получен, а клинические испытания подтвердили возможность процедуры.

Искусственная кожа

За последние десятилетия достижения в области создания искусственной кожи явили нам существенный прогресс, но два недавних прорыва из совершенно разных областей могут открыть новые направления для исследований. Ученый Роберт Лангер из Массачусетского технологического института разработал «вторую кожу», которую назвал XPL («сшитый полимерный слой»). Невероятно тонкий материал имитирует упругую молодую кожу - этот эффект проявляется мгновенно при создании, но теряет силу примерно через день.

А вот профессор химии Чао Вонг из Калифорнийского университета в Риверсайде работает над еще более футуристическим полимерным материалом: который может самовосстанавливаться от повреждений при комнатной температуре и пронизан крошечными металлическими частицами, которые могут проводить электричество, для лучших измерений. Профессор уверяет, что не пытается создать кожу для супергеров, но признает, что является большим фанатом Росомахи и пытается привнести научную фантастику в настоящий мир.

Что примечательно, некоторые самовосстанавливающиеся материалы уже появились на рынке - например, самовосстанавливающееся покрытие телефона LG Flex, которое Вонг приводит в качестве примера возможного применения таких технологий в будущем. Короче говоря, этот чувак действительно пытается создать супергероев.

Импланты мозга, восстанавливающие двигательные способности

Двадцатичетырехлетний Ян Буркхарт пережил ужасную аварию в возрасте девятнадцати лет, которая парализовала его от груди до пальцев ног. В течение последних двух лет он работал с докторами, которые настраивали и экспериментировали с устройством, имплантированным в его мозг - микрочипом, который считывает электрические импульсы мозга и переводит их в движение. Хоть устройство и далеко от совершенства - его можно использовать только в лаборатории, когда имплант подключен к компьютеру с помощью рукава на руке - оно позволило пациенту свинтить крышку с бутылки и даже поиграть в видеоигру.

Ян признает, что может и не получить выгоду от этих технологий. Он делает это больше чтобы доказать возможность концепции и показать, что его конечности, разъединенные с мозгом, можно заново к нему подключить с помощью посторонних средств.

Впрочем, вполне вероятно, что его помощь хирургии головного мозга и эксперименты, которые проводят по три раза в неделю, окажут огромную поддержку в продвижении этой технологии для будущих поколений. Хотя подобные процедуры использовались для частичного восстановления движений обезьян, это первый пример успешного преодоления нервного разъединения, которое вызывает паралич у человека.

Биоабсорбируемые трансплантаты

Стенты - сетчатые полимерные трубки, которые вставляются хирургическим путем в артерии, препятствуя их блокированию - сущее зло, которое приводит к осложнениям у пациента и демонстрируют умеренную эффективность. Потенциал осложнений, особенно у молодых пациентов, делает результаты недавнего исследования с участием биоабсорбируемых сосудистых трансплантатов весьма перспективными.

Процедура называется эндогенное восстановление тканей. Давайте простыми словами: в случае с молодыми пациентами, которые родились без некоторых необходимых соединений в сердце, врачи смогли создать эти соединения, используя продвинутый материал, который выступает в качестве «лесов», позволяя телу копировать его структуру с помощью органических материалов, а сам имплант впоследствии растворяется. Исследование было ограниченным, с участием всего пятерых молодых пациентов. Но все пятеро выздоровели без каких-либо осложнений.

Хотя эта концепция не нова, новый материал (состоящий из «супрамолекулярных биоабсорбируемых полимеров, изготовленных с использованием проприетарной технологии электропрядения») представляет собой важный шаг вперед. Стенты предыдущего поколения состояли из других полимеров и даже металлических сплавов и выдавали смешанные результаты, что привело к медленному принятию этого метода лечения во всем мире.

Хрящ из биостекла

Еще одна 3D-печатная полимерная конструкция может произвести революцию в методах лечения весьма изнурительных заболеваний. Группа ученых из Имперского колледжа Лондона и Университета Милано-Бикокка создали материал, который назвали «биостеклом»: комбинацию кремний-полимера, имеющую прочные и гибкие свойства хряща.

Напоминают стенты, о которых мы говорили выше, но делаются из совершенно другого материала для совершенно другого применения. Одним из предложенных использований таких имплантов является выстраивание лесов для поощрения естественного выращивания хряща. Также они обладают саморегенерацией и могут восстанавливаться, если связи будут разорваны.

Несмотря на то, что первым испытанием метода будет замена межпозвоночного диска, другая - постоянная - версия импланта находится в стадии разработки для лечения травм колена и других травм в районах, где хрящ уже не отрастить. 3D-печать делает импланты более дешевыми и доступными в производстве и еще более функциональными, чем другие импланты этого типа, которые доступны нам в настоящее время и, как правило, выращиваются в лаборатории.

Самовосстанавливающиеся полимерные мышцы

Чтобы не отставать от коллег, стэнфордский химик Ченг-Хи Ли в поте лица работает над материалом, который может быть строительным блоком для фактической искусственной мышцы, которая может превзойти в качествах наши хилые мускулы. Его соединение - подозрительно органическое соединение кремния, азота, кислорода и углерода - способно растягиваться до 40-кратной своей длины, а после возвращаться в нормальное положение.

Также оно может восстанавливаться от проколов за 72 часа и заново закрепляться после разрывов, вызванных железной «солью» в компоненте. Правда, для этого части мышцы нужно поместить рядом. Куски пока не ползут друг к другу. Пока.

На текущий момент единственным слабым местом этого прототипа является его ограниченной электропроводность: при воздействии электрического поля вещество увеличивается всего на 2%, в то время как настоящие мышцы - на 40%. Это должно быть преодолено в кратчайшие сроки - и тогда Ли, ученые с биостеклянными хрящами и доктор Росомаха смогут собраться вместе и обсудить, что делать дальше.

Призрак сердца

Этот метод, который изобрел Дорис Тейлор, директор регенеративной медицины в Техасском институте сердца, не сильно отличается от упомянутых выше 3D-печатных биополимеров и прочего. Метод, который доктор Тейлор уже продемонстрировал на животных - и готов продемонстрировать на людях - совершенно фантастический.

Если коротко, сердце животного - свиньи, например - замачивается в химической ванне, которая разрушает и высасывает все клетки, кроме белка. Остается пустой «призрак сердца», который затем можно наполнить собственными стволовыми клетками пациента.

Как только необходимый биологический материал оказывается на месте, сердце подключается к устройству, которое заменяет искусственную систему кровообращения и легкие («биореактор»), пока не станет функционировать как орган и его можно будет пересадить пациенту. Этот метод Тейлор успешно продемонстрировал на крысах и свиньях.

Этот же метод имел успех и с менее сложными органами вроде мочевого пузыря и трахеи. Впрочем, процесс далек от совершенства, но когда его достигнет, очереди пациентов, ожидающих сердца для пересадки, могут прекратиться полностью.

Инъекция мозговой сети

Наконец у нас есть передовая технология, способная быстро, просто и совершенно опутать мозг сетью с помощью одной инъекции. Исследователи из Гарвардского университета разработали электропроводящую полимерную сеть, которая буквально впрыскивается в мозг, где проникает в его закоулки и сливается с веществом мозга.

Пока что сеть, состоящая из 16 электрических элементов, была пересажена в мозг двух мышей на пять недель без иммунного отторжения. Исследователи предсказывают, что крупномасштабное устройство такого плана, состоящее из сотен подобных элементов, может активно контролировать мозг до каждого отдельного нейрона в ближайшем будущем и пригодится при лечении неврологических расстройств вроде болезни Паркинсона и инсульта.

В конце концов, это исследование может привести ученых к более глубокому пониманию высших когнитивных функций, эмоций и других функций мозга, которые в настоящее время остаются непонятными.

Веками человек был занят поисками волшебного зелья, чтобы избавиться от многочисленных болезней и ран. Наступивший ХХI век дает надежду, что применение современных нанотехнологий в медицине станет значительным шагом человечества к этой цели.

Впервые о нанотехнологиях мир узнал еще в 1959 году. Через прошедшие полвека о нанотехнологиях говорят уже повсюду, хотя многим так и не удалось до конца понять, что же это такое. Частицы от 1 до 100 нанометров трудно представить визуально – это миллионная частичка кончика швейной иголки!

Хотя наномедицины как таковой еще не существует, но она активно развивается. Во многих странах ученые работают над проектами с использованием наночастиц. Когда говорят о наночастицах, нужно представлять, что материалы из них созданы с применением отдельных атомов и молекул. Таким образом, нанотехнологии дают возможность существенно воздействовать на структуру материала.

Ученые всего земного шара заняты поиском способов, чтобы заставить работать наночастицы на благо человеческого здоровья. Нанотехнологии позволят расширить возможности медицины, начиная от диагностики и заканчивая терапией.

То, что вчера считалось научной фантастикой, сегодня начинает применяться на практике в реальных методах наномедицины. Учеными многих стран ведутся разработки по созданию нанороботов-врачей на молекулярном уровне, которые смогут без хирургического вмешательства и с высокой точностью устранять различные неполадки в человеческом организме.

К примеру, такие нанороботы смогут удалять лишний холестерин, бороться с атеросклерозом , вовремя удаляя излишки липидов из сосудистой стенки, убивать вирусы и бактерии, а также доставлять лекарственные средства напрямую тому органу, которому оно необходимо.

Когда лекарство доставляется точно внутрь живой клетки, его эффективность увеличивается в тысячи раз, а побочные действия сводятся к нулю. Доставка лекарственных средств точно по назначению особенно актуально в онкологии, так как при этом здоровые клетки организма не повреждаются, а раковые уничтожаются.

Нанороботы помогут решить проблему генетических аномалий, ведь наследственные болезни пока неизлечимы, так как причина заболевания кроется в геноме человека, который изменить невозможно. Теперь нанороботы помогут осуществить «ремонт» генов, устранив в них структурные нарушения и аномальные последовательности.

Известный американский футуролог и изобретатель Рей Курцвейль считает, что к 2030 году люди научатся запускать миллиарды нанороботов в систему кровообращения человека. Словно городские коммунальные службы, молекулярные нанороботы в организме человека будут «создавать» новый материал и удалять изношенный. Новые технологии позволят восстанавливать отдельно взятые клетки путем сборки из отдельных молекул.

Хитроумные роботы, путешествуя по кровеносным сосудам человека, будут самостоятельно обнаруживать любую неполадку в организме и легко ее устранять. Это позволит существенно замедлить процесс старения организма, ведь будут устраняться основные факторы, из-за которых стареет человек.

Нанотехнологии позволят создать чрезвычайно точные и чувствительные инструменты для диагностики как в пробирке, так и в живом организме. Окончательная цель диагностики состоит в том, чтобы как можно раньше идентифицировать заболевание. С помощью нанотехнологий врачи смогут диагностировать болезни на клеточном и даже субклеточном уровне.

И все же, о наномире известно еще далеко не все. Поэтому есть еще немало ученых, которые с опаской смотрят на применение нанотехнологий в медицине. Особенно это касается изменений генов человека, что приведет к определенным трансформациям за очень короткий срок вместо эволюционного развития, которое длилось в течение сотен тысяч лет.

Если ученые научатся, в полной мере, контролировать нанороботов, то они смогут непрерывно корректировать все физиологические процессы в организме, что позволит человеку отказаться от необходимости посещения врачей.