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 ...
нанотехнології цукровий діабет
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.
Від нанороботи до нанопинцет
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.
Професор Ілля Нікберг - спеціально для «ДН»
Оригінал статті можна знайти на офіційному сайті газети Діанова