Минуле століття по праву називають епохою науково-технічної революції. Вагомо проявила вона себе і в медицині. Відкриття та практичне використання інсуліну та інших цукрознижувальних засобів, антибіотиків; трансплантація тканин і органів; протипухлинна, антиаллергенная і інші види хіміотерапії; радиоизотопная, ультразвукова, рентгенологічна та інші види діагностики та лікування; вакцинація проти інфекційних хвороб стали звичними інструментами медичної допомоги населенню. Але, незважаючи на це, нас долають ще багато тяжкі недуги. У їх числі - цукровий діабет, відомий людству вже кілька тисяч років, але до цих пір продовжує залишатися невиліковним захворюванням ...
ДОПОМОЖУТЬ ЧИ НАНОТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМОГТИ ДІАБЕТ?
Однак нестримний прогрес науки дає підстави з оптимізмом прогнозувати подальші суттєві досягнення і в сфері медицини, в тому числі, в області діабетології. Найбільш реальними серед них для вирішення проблем цукрового діабету є нові нанотехнології, використання стовбурових клітин і біогенної інженерії.
Nanos - значить «гном» ...
Початком сучасного етапу нанотехнології прийнято вважати виступ відомого американського вченого Річарда Фейнмана з дещо незвичним за назвою доповіддю: «Там внизу багато місця» ( «There's Plenty of Room at the Bottom»), зробленим в 1959 році в Каліфорнійському технологічному інституті. Ідея доповіді полягала в обгрунтуванні можливості механічного переміщення атомів і молекул за допомогою пристроїв порівнянних (наближених до них) мініатюрних розмірів.
Лінгвістичної основою терміна «нанотехнологія» стала приставка «нано» (від грецького nanos - карлик, гном). Ця приставка використовується в міжнародній системі одиниць СІ в якості множника, рівного 109 (одна мільярдна частина метра, мільйонна частина міліметра, нанометр-нм). Про розміри мікроділянки такої довжини можна судити по тому, що на ньому розміщуються приблизно 10-12 атомів. Відповідно під наноматеріалів розуміють матеріали молекулярних (околомолекулярних) розмірів.
Як не дивно, але нанотехнології, не знаючи наукових основ цих процесів, використовували ще в стародавньому світі. Це були суміші сажі з водою для виготовлення чорнила, рідина з кисневим з'єднанням заліза для виготовлення фарб, деякі косметичні та миючі засоби (в мильному розчині утворюються наночастинки-міцели) ... Як виявлено сучасними дослідженнями, що застосовувалися древніми греками і аборигенами Австралії фарби для волосся і нанесення бойових розмальовок, котрі володіли стійким і тривалим забарвлює ефектом, містили наночастинки.
Хоча розробка і широке впровадження цілого спектра нанотехнологій - справа більш віддаленого майбутнього, вже в даний час їх застосування дозволило створити різні надміцні матеріали, оригінальні та ефективні ліки, сконструювати попередники нанокомп'ютерів, нанороботів і інші мікропристрою і матеріали.
З нанотехнологіями пов'язують надії і на істотне збільшення розумових можливостей людини. Пристрій нанометричних розмірів (8000-10000 мікрон) здатне зберігати в своїй пам'яті інформацію, еквівалентну фонду однієї з найбільших бібліотек світу - бібліотеки Конгресу США. Передбачається, що імплантація подібного пристрою в мозок людини дозволить у багато разів збільшити обсяг інформації, здатної зберігатися в людській пам'яті. Ось що можуть творити крихітні гноми!
Що нас чекає в медицині
Безумовно, сьогодні однією з найважливіших і перспективних сфер застосування нанотехнологій є медицина.
Іноді задають питання: чи потрібні взагалі медицині нанотехнології? Позитивна відповідь на це питання однозначна - дуже потрібні! І, перш за все, тому, що вони дозволяють здійснювати діагностичні та лікувальні заходи на клітинному і макромолекулярному рівні, а не шляхом «неприцільно» впливу на весь організм, як це відбувається зараз в більшості випадків.
Адже не секрет, що традиційні форми лікувальних заходів в більшості випадків - за рідкісними винятками - можна порівняти зі стрільбою з гармат по горобцях. І це при тому, що основні, в тому числі патологічні, біохімічні та інші процеси в організмі, відбуваються навіть не на локальному органному або тканинному рівні, а на рівні окремих клітин, молекул і атомів. А вони-то і мають нанорозміри. Ось, наприклад, розміри деяких медичних об'єктів: ширина ДНК - 2,5 нм, вірусу - 100 нм, бактерії - 1000 нм, молекули ліки (аспірин) - 1 нм.
Найбільші очікування пов'язані зі створенням багатофункціональних медичних нанороботів, що володіють хімічною інертністю і здатних переміщатися всередині кров'яних капілярів.
Типовий (базовий) медичний наноробот, призначений для проникнення в кровоносне русло, сконструйований з наночастинок розмірами в межах від 1 до 100 нм, а розміри всього нанороботи НЕ перевищить 3000 нм (мінімальний розмір кров'яних капілярів). Прообразом такого нанороботи є штучний еритроцит (він названий «респірацітом»), створений Р.Фрайтасом. Він являє собою сферичний наноробот розміром 1 мікрон. Усередині респіраціта містяться молекули кисню і вуглекислого газу під високим (1000 атмосфер) тиском.
Дублюючи функції природних еритроцитів, респіраціти мають набагато більшою ефективністю, так як благодяря високому тиску можуть містити кисень в кілька сот разів більше, ніж природні еритроцити. Ін'єкція 5 мл 50% -го розчину респірацітов зможе забезпечити кіслородоснабжающую функцію більше 5 літрів крові. Подумати тільки-введення в кров респірацітов дозволить людині обходитися без зовнішнього кисню від 15 хвилин до 4 годин!
Нанотехнології дозволять модифікувати лікарські препарати з метою усунення їх алергенних і аутоімунних властивостей, захисту від руйнування травними ферментами. Завдяки спеціально сконструйованим нанотехнологій можна буде відмовитися від традиційної хіміотерапії та опромінення при онкологічних захворюваннях, що володіють численними негативними побічними діями.
У США, наприклад, створені наногільзи - носії протиракових антитіл, які мають діаметр в 20 разів менший, ніж у еритроцитів. Після введення їх в кровоносне русло під впливом інфрачервоного випромінювання відбувається перетворення в теплову енергію, локально руйнує ракові клітини, не зачіпаючи сусідні здорові. Випробування цієї технології на піддослідних мишах з раковими пухлинами підтвердило ефективність методу (протягом 10 днів сталося руйнування ракових зон, при подальшому спостереженні нові вогнища не з'являвся).
Є повідомлення про успішне застосування нанорозмірних розгалужених полімерів для лікування очних травм і захворювань, зокрема, для відновлення функцій розірваність очного тракту.
Один з можливих варіантів доставки лікарських засобів в потрібне місце організму - це використання мініатюрних капсул з нанопори (передбачається, наприклад, що таким шляхом можна буде вирішити і проблему фізіологічно регульованого виділення інсуліну).
Проведені в США дослідження показали можливість лікування експеріментіального інфаркту у мишей і кроликів за допомогою нанотехнологій. Таке лікування було досягнуто шляхом введення препарату на основі речовин, здатних до самоорганізації в довгі і тонкі нановолокна, які і заповнюють рану в серцевому м'язі.
Наноматеріали можна буде використовувати також в якості замінника інших (хворих або дефектних) тканин.
Відомо, що в організмі людини існує більше 50 типів біомінералів нанорозмірного формату. Пройшов клінічну апробацію матеріал «Синтекість», створений в Інституті геохімії та мінералогії АН України для застосування в якості імплантанта для заміщення кісткової тканини. Наночастки сприятимуть безпеці і надійності генної терапії. Їх можна буде використовувати для транспортування генів (білків) в потрібне місце, не "привертаючи уваги» клітин імунної системи і запобігаючи тим самим її відторгати захисну реакцію.
З використанням нанотехнологій в медицині тісно пов'язане і створення різних пристроїв, призначених для маніпуляцій з наночастинками, молекулами і окремими атомами, а також Наноінструменти. Прикладами тут можуть служити скануючі зондові мікроскопи, нанотрубки, нанопинцет ...
Застосування нанотехнологій відкриває широкі можливості для створення мікролабораторія (laboratory on a chip, тобто лабораторія на чіпі), які дозволять якісно і кількісно визначати різні речовини, в тому числі глюкозу, антитіла та ін.
Революція в діабеті?
Впровадження нанобіотехнологій відкриває привабливі перспективи і в сфері лікування цукрового діабету.
Серед пріоритетних завдань у цій сфері можна назвати дві. В першу чергу - це істотне вдосконалення методик підсадки бета-клітин підшлункової залози, а в більш віддаленій перспективі (мабуть, в поєднанні з методами біогенної інженерії та використанням стовбурових клітин) - стимуляція створення нових, нормально функціонуючих бета-клітин. Друге важливе завдання - пошук і впровадження неіньекціонних способів введення екзогенного інсуліну, гарантовано забезпечують надходження в організм і засвоєння їм необхідних доз інсуліну.
Один з варіантів підсадки працездатних бета-клітин підшлункової залози (поки гіпотетітіческій, бо потрібні наноустройства поки не створені) передбачає використовувати з цією метою нанокапсули, що містять дані клітини. Передбачається, що пристрій імплантованих в тіло людини нанокапсул таке, що вироблення і викид інсуліну в кров будуть здійснюватися автоматично, в залежності від рівня глюкози. Ймовірно, така методика дозволить вирішити і проблему забезпечення стабільної точності дозування інсуліну. Зрозуміло, в рішенні такого завдання не обійтися без спеціальних нанороботів з бортовими комп'ютерними пристроями.
Іншими варіантом безперервного контролю рівня глюкози крові за допомогою нанотехнологій є використання для татуювання спеціальних фарб (чорнила) з пористих наночастинок розміром 100-120 нм, які змінюють свій колір залежно від концентрації глюкози в міжклітинної рідини, що містить таку ж кількість глюкози, як і кров . Однак в експериментальних дослідженнях поки не вирішена серйозна проблема, яка перешкоджає використовувати такий метод, - це тривалість часу реакції до прояву видимого і чіткого зміни забарвлення.
Привертають увагу дослідження австралійських, ізраїльських і американських вчених, спрямовані на те, щоб створити пластирі, капсули, мініатюрні кульки та інші пристрої з нетоксичними кремнієвими наноігламіі, які дозволять ліків проникати через шкіру або стінки кишечника, не травмуючи їх.
Завдання - упереджувати!
З нанотехнологіями тісно пов'язані і основні надії в сфері генної терапії цукрового діабету, при якій необхідні нормальні гени спочатку вводяться в екскорпорального клітинний матеріал, а потім генетично збагачені клітини вводяться в організм хворого, де будуть приживатися і працювати в потрібному фізіологічному режимі.
Перше десятиліття ХХI століття показує, що ми робимо відчутні кроки на шляху переходу від оборонної медицини до медицини наступальної, упреждающей. Важлива роль в цьому процесі належить інноваційним технологіям, які можуть наблизити людство до здійснення давньої мрії - ефективно виліковувати діабет, а в ідеалі - взагалі позбавити світ від цього тяжкого захворювання.