Нанотехнологии в медицине: Огромный потенциал, но каковы риски?

Нанотехнологии в медицине: Огромный потенциал, но каковы риски?

Нанотехнологии в медицине: Огромный потенциал, но каковы риски?

Нанотехнологии, манипулирование веществами в атомном и молекулярном масштабе для создания материалов с удивительно разнообразными и новыми свойствами, представляют собой быстро развивающуюся область исследований с огромным потенциалом во многих секторах, от здравоохранения до строительства и электроники. В медицине он обещает совершить революцию в области доставки лекарств, генной терапии, диагностики и многих других областях исследований, разработок и клинического применения.

Данная статья не пытается охватить всю область, но предлагает на некоторых примерах несколько идей о том, как нанотехнологии могут изменить медицину, как в научной лаборатории, так и в клинической практике, затрагивая при этом некоторые из проблем и вопросов, которые она поднимает.

Что такое нанотехнологии?

Приставка «нано» происходит от древнегреческого слова «карлик». В науке это означает, что одна миллиардная (от 10 до 9) часть чего-то, таким образом, нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра, или 0,000000001 метров. Нанометр имеет ширину от трех до пяти атомов, что примерно в 40 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Размер вируса обычно составляет 100 нм.

Возможность манипулировать структурами и свойствами в наномасштабах медицины подобна наличию субмикроскопического лабораторного стола, на котором можно обрабатывать клеточные компоненты, вирусы или части ДНК, используя целый ряд крошечных инструментов, роботов и пробирок.

Манипулирование ДНК

Терапия, предполагающая манипулирование отдельными генами или молекулярными путями, влияющими на экспрессию, все чаще рассматривается в качестве одного из вариантов лечения заболеваний. Одной из наиболее востребованных целей в этой области является возможность адаптировать процедуры в соответствии с генетическим составом отдельных пациентов.

Это создает потребность в инструментах, которые помогают ученым экспериментировать и разрабатывать такие методы лечения.

Представьте себе, например, возможность растянуть участок ДНК, как прядь спагетти, чтобы исследовать или оперировать, или построить нанороботов, которые могут «ходить» и ремонтировать внутренние компоненты клетки. Нанотехнологии приближают эту научную мечту к реальности.

Например, ученым Австралийского национального университета удалось прикрепить бусины из латекса с покрытием к концам модифицированной ДНК, а затем, используя «оптическую ловушку», содержащую фокусированный луч света для удержания бусин на месте, они растянули цепочку ДНК для изучения взаимодействия конкретных связывающих белков.

Наноботы и Наностары.

Тем временем химики Нью-Йоркского университета (NYU) создали наноразмерного робота из фрагментов ДНК, который ходит на двух ногах всего 10 нм в длину. В статье 2004 года, опубликованной в журнале Nano Letters, они описывают, как их «наноразносчик» с помощью молекул псоралена, прикрепленных к концам ног, делает первые шаги своего ребенка: два вперед и два назад.

Один из исследователей, Нед Сееман, сказал, что предполагает возможность создания линии по производству молекул, где можно будет перемещать молекулу до нужного места, и нанобот делает на ней немного химистику, как на «точечной» сварке автомобиля на сборочной линии. В лаборатории Нью-Йоркского университета также собираются использовать нанотехнологии ДНК для создания компьютера с биочипами и выяснить, как кристаллизуются биологические молекулы — область, которая в настоящее время переполнена проблемами.

Работа, которую ведут Думаю, и коллеги, является хорошим примером «биомиметики», где с помощью нанотехнологий они могут имитировать некоторые биологические процессы в природе, такие как поведение ДНК, чтобы разработать новые методы и, возможно, даже улучшить их.

Также создаются наноботы на основе ДНК для работы с раковыми клетками. Например, исследователи из Гарвардской медицинской школы в США недавно сообщили в журнале Science, что они сделали «наноробота оригами» из ДНК для транспортировки молекулярной полезной нагрузки. Бочкообразный нанобот может нести в себе молекулы, содержащие инструкции, которые заставляют клетки вести себя определенным образом. В своем исследовании команда успешно продемонстрировала, как она доставляет молекулы, которые вызывают самоубийство клеток лейкемии и лимфомы.

Разрабатываются также наноботы из других материалов. Например, золото — это материал, который ученые Северо-Западного университета используют для изготовления «нанозвезд», простых, специализированных наночастиц звездчатой формы, которые могут доставлять лекарства непосредственно в ядра раковых клеток. В недавней статье в журнале ACS Nano они описывают, как нагруженные наркотиками наностары ведут себя как крошечные автостопщики, которых после притяжения к перегруженному белку на поверхности раковых клеток шейки матки и яичников человека, кладут свою полезную нагрузку прямо в ядра этих клеток.

Исследователи обнаружили, что придание своему наноботу формы звезды помогло преодолеть одну из проблем, связанных с использованием наночастиц для доставки лекарств: как именно высвободить лекарства. Говорят, что форма помогает сконцентрировать световые импульсы, используемые для высвобождения лекарств именно в точках звезды.

Нанофабрики, которые производят наркотики в ситуации.

Ученые обнаружили, что препараты на основе белка очень полезны, потому что они могут быть запрограммированы для передачи специфических сигналов клеткам. Но проблема с обычной доставкой таких лекарств заключается в том, что большинство из них ломается еще до того, как они достигают места назначения.

Но что, если бы можно было производить такие наркотики на месте, прямо на месте преступления? Ну, в недавнем выпуске «Нано писем» исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США показывают, как это возможно. В доказательство принципа исследования они демонстрируют возможность самостоятельной сборки «нанофабрик», производящих белковые соединения, по требованию, на целевых объектах. До сих пор они испытывали эту идею у мышей, создавая наночастицы, запрограммированные на производство зеленого флуоресцентного белка (GFP) или люциферазы под воздействием ультрафиолета.

Команда MIT придумала эту идею, пытаясь найти способ атаковать метастатические опухоли, которые вырастают из раковых клеток, мигрировавших из первоначального места в другие части тела. Более 90% смертей от рака вызваны метастатическим раком. В настоящее время они работают над созданием наночастиц, способных синтезировать потенциальные онкологические препараты, а также над другими способами их включения.

Нанотехнологии в медицине: Огромный потенциал, но каковы риски?

Нанофибры

Нанофибры — это волокна диаметром менее 1000 нм. В медицине используются специальные материалы для перевязки ран и хирургического текстиля, материалы, используемые в имплантатах, тканевой инженерии и компонентах искусственных органов.

Нановолокна из углеродного волокна также являются перспективными для медицинской визуализации и точных научных измерительных приборов. Но существуют огромные проблемы, которые необходимо преодолеть, и одна из главных из них заключается в том, как сделать их стабильно подходящими по размеру. Исторически это было дорогостоящим и отнимало много времени.

Но в прошлом году исследователи из Университета штата Северная Каролина рассказали, как они разработали новый метод производства углеродных нановолокон определенных размеров. Написав в марте 2011 года в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, они рассказывают о том, как им удалось вырастить однородные по диаметру углеродные нановолокна, используя наночастицы никеля, покрытые оболочкой из лигандов, небольших органических молекул с функциональными элементами, которые напрямую связаны с металлами.

Наночастицы никеля представляют особый интерес, поскольку при высоких температурах они способствуют росту углеродных нановолокон. Исследователи также обнаружили еще одно преимущество в использовании этих наночастиц: они могут определить, где растут нановолокна, и, правильно разместив наночастицы, они смогут выращивать нановолокна по желаемой специфической схеме: важная особенность для полезных наноразмерных материалов.

Свинец является еще одним веществом, которое находит применение в качестве нановолокна, настолько сильно, что будущий нейрохирург Мэтью Макэван, который учится в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе, основал свою собственную наномедицинскую компанию, направленную на революцию хирургической сети, которая используется в операционных по всему миру.

Свинцовый продукт представляет собой синтетический полимер, содержащий отдельные нити нановолокон, и был разработан для восстановления повреждений головного и спинного мозга, но MacEwan считает, что его также можно использовать для лечения грыж, свищей и других травм.

В настоящее время хирургические сетки, используемые для восстановления защитной мембраны, покрывающей головной и спинной мозг, изготовлены из толстого и жесткого материала, с которым трудно работать. Сетка из свинцового нановолокна тоньше, гибче и проще встраивается в собственные ткани организма, говорит МакЭван. Каждая нить сетки из нановолокон в тысячи раз меньше, чем диаметр одной ячейки. Идея заключается в том, чтобы использовать нановолоконный материал не только для облегчения хирургам операций, но и для уменьшения послеоперационных осложнений у пациентов, так как он разрушается естественным путем.

Исследователи Политехнического института Нью-Йоркского университета (NYU-Poly) недавно продемонстрировали новый способ изготовления нановолокон из белков. Недавно в журнале «Advanced Functional Materials» исследователи пишут, что почти случайно обнаружили: они изучали определенные цилиндрические белки, полученные из хрящей, когда заметили, что в высоких концентрациях некоторые из белков спонтанно собрались и самостоятельно собрались в нановолокна.

Они проводили дальнейшие эксперименты, такие как добавление металлораспознающих аминокислот и различных металлов, и обнаружили, что они могут контролировать образование волокон, изменять их форму и связывание с небольшими молекулами. Например, добавление никеля превращает волокна в сгущенные маты, которые могут быть использованы для запуска высвобождения прикрепленной молекулы препарата.

Исследователи надеются, что этот новый метод значительно улучшит доставку лекарств для лечения рака, сердечных заболеваний и болезни Альцгеймера. Они также могут использоваться для регенерации тканей человека, костей и хрящей, а также для разработки более миниатюрных и мощных микропроцессоров для использования в компьютерах и бытовой электронике.

Каково будущее и проблемы, связанные с окружающей средой наноматериалов?

В последние годы наблюдается взрывной рост числа исследований, демонстрирующих разнообразие медицинских применений нанотехнологий и наноматериалов. В этой статье мы рассмотрели лишь небольшое поперечное сечение этого обширного поля. Однако в этой области существуют серьезные проблемы, наиболее серьезными из которых, по-видимому, являются способы увеличения объемов производства материалов и инструментов, а также способы снижения затрат и сокращения сроков.

Но еще одна проблема заключается в том, как быстро обеспечить уверенность общественности в том, что эта быстро развивающаяся технология безопасна. И до сих пор не ясно, осуществляется ли это на практике.

Есть те, кто считают, что опасения по поводу нанотехнологий могут быть преувеличены. Они указывают на то, что только то, что материал наноразмерен, не означает, что он опасен, ведь наночастицы были вокруг с момента рождения Земли, например, в вулканическом пепле и морском брызге. Являясь побочным продуктом человеческой деятельности, они присутствуют в дымовой и саже еще с каменного века.

Что касается попыток исследования безопасности наноматериалов, Национальный институт рака в США отмечает, что в окружающей среде присутствует так много наночастиц, что они «часто находятся на уровне порядка величины выше, чем оцениваемые технические частицы». Во многих отношениях, отмечают они, «большинство инженерных наночастиц гораздо менее токсичны, чем бытовые чистящие средства, инсектициды, используемые для домашних животных и средства от перхоти», и что, например, при их использовании в качестве носителей химиотерапии при лечении рака они гораздо менее токсичны, чем те, которые они носят.

Пожалуй, больше всего наноматериалов мы наблюдаем в пищевой промышленности, чем в других отраслях промышленности. Хотя количество продуктов питания, содержащих наноматериалы, все еще невелико, в ближайшие несколько лет, по мере развития технологии, оно, по-видимому, будет меняться. Наноматериалы уже используются для снижения содержания жира и сахара без изменения вкуса, или для улучшения упаковки, чтобы сохранить пищу свежей в течение длительного времени, или чтобы сообщить потребителям, если пища испорчена. Они также используются для повышения биодоступности питательных веществ (например, в пищевых добавках).

Однако есть и другие заинтересованные стороны, которые подчеркивают, что, хотя темпы исследований ускоряются, а рынок наноматериалов расширяется, как представляется, делается недостаточно для выявления их токсикологических последствий.

Такое мнение высказал Комитет по науке и технике Палаты лордов Британского парламента, который в своем недавнем докладе о нанотехнологиях и продуктах питания выразил ряд озабоченностей по поводу наноматериалов и здоровья человека, особенно в связи с опасностью попадания внутрь организма наноматериалов.

Например, одной из областей, которая касается комитета, является размер и исключительная мобильность наночастиц: они достаточно малы, чтобы проникать в клеточные мембраны подкладки кишечника, с возможностью доступа к мозгу и другим частям тела, и даже в ядра клеток, если их проглотить.

Другой — растворимость и стойкость наноматериалов. Что происходит, например, с нерастворимыми наночастицами? Если их нельзя разложить, переварить или разложить, есть ли опасность, что они накапливаются и могут повредить органы? Считается, что наибольшую опасность в этой области представляют наноматериалы, содержащие оксиды неорганических металлов и металлы.

Кроме того, из-за их высокой плотности поверхности к массе наночастицы обладают высокой реакционной способностью и могут, например, вызывать пока неизвестные химические реакции или связываться с токсинами, позволяя им проникать в клетки, к которым они в противном случае не имели бы доступа.

Например, благодаря своей большой площади поверхности, реактивности и электрическому заряду наноматериалы создают условия для того, что называется «агрегацией частиц» из-за физических сил и «агломерацией частиц» из-за химических сил, так что отдельные наночастицы объединяются в более крупные. Это может привести не только к значительно большим размерам частиц, например, в кишечнике и внутри клеток, но и может привести к дезагрегированию кусков наночастиц, что может радикально изменить их физико-химические свойства и химическую реактивность.

«Такие обратимые явления затрудняют понимание поведения и токсикологии наноматериалов», — говорит комитет, общий вывод которого заключается в том, что ни правительство, ни исследовательские советы не уделяют достаточного внимания изучению безопасности нанотехнологий, особенно «учитывая временные рамки, в течение которых могут разрабатываться продукты, содержащие наноматериалы».

Они рекомендуют проводить гораздо больше исследований для того, чтобы «гарантировать, что регулирующие органы могут эффективно оценивать безопасность продукции до того, как она будет допущена на рынок».

Поэтому представляется, что, будь то фактический или предполагаемый, потенциальный риск, который нанотехнологии представляют для здоровья человека, должен быть изучен и должен рассматриваться как подлежащий исследованию. Большинство наноматериалов, как предполагает NCI, скорее всего, окажутся безвредными.

Но когда технология быстро развивается, знания и коммуникация о ее безопасности должны идти в ногу с тем, чтобы она приносила пользу, особенно если это необходимо для обеспечения общественного доверия. Нам остается только взглянуть на то, что произошло, и в определенной степени все еще происходит, с генетически модифицированной пищей, чтобы понять, как это может пойти не так.