Разработка и использование нанотехнологий в медико-биологических исследованиях

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Медицина


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А.А. ХАДАРЦЕВ, В.А. ХАДАРЦЕВ
Разработка и использование нанотехнологий в медикобиологических исследованиях
А. А. Хадарцев, В. А. Хадарцев. Разработка и использование нанотехнологий в медико-биологических исследованиях
Дана оценка современному состоянию вопроса применения искусственных и использования природных нанотехнологий в медицине и биологии в России и за рубежом. Подведены итоги и определены пути развития медико-биологического направления нанотехнологий на университетском уровне.
A.A. Khadartsev, V.A. Khadartsev. Development and use of nanotechnologies in medical and biological studies
The article evaluates the current situation with the application of artificial and natural nanotechnologies in both national and foreign medicine and biology. There is a summary and definition of further steps in the development of nanotechnologies at medical and biological level at universities.
Ключевые слова: нанотехнологии, медицинский наноробот, молекулярный дизайн, физические поля и излучения Key words: nanotechnology, medical nanorobot, molecular design, physical fields and radiation
¦ ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Планируется использование нанороботов, которые можно запрограммировать на строительство любой структуры, в том числе на строительство другого наноробота. В настоящее время создание и производство медицинских нанороботов находится в зачаточном состоянии, разрабатываются пока не они сами, а вспомогательные средства и инструменты. Группа ученых из исследовательских центров США и Австралии предложила 3D систему для моделирования и проектирования медицинских нанороботов. Разработана виртуальная реальность, получившая название NCD (Nanorobot Control Design), которая может применяться для изучения поведения виртуальных нанороботов, их взаимодействия с виртуальными биомолекулами в виртуальных артериях. Проведены виртуальные исследования нанороботов для лапароскопической хирургии (предоперационные исследования брюшинной полости оптическими приборами) диабета, раковых заболеваний, аневризмы мозга, в кардиологии, для биозащиты от боевых отравляющих веществ, разработки систем доставки лекарственных форм непосредственно к участку их активного действия. С помощью нанороботов изучаются побочные эффекты химиотерапии при лечении болезни Альцгеймера.
Ряд компонентов для нанороботов реализован на практике уже сейчас. Это биосенсоры, нанодвигатели, антенны, которые уже применяются в специфических наноустройствах. Следующим этапом должна стать интеграция разрозненных компонентов в единое целое с названием «медицинский на-
А. А. Хадарцев. В. А. Хадарцев.
¦ ВВЕДЕНИЕ
Говоря о нанотехнологии применительно к решению задач медицины и биологии, необходимо сразу разделить эти технологии на естественные (природные) и искусственные. Восприятие света и других электромагнитных волн, обусловленное наличием рецепторного аппарата (в сетчатке, межклеточном матриксе), сформировавшегося в процессе развития человека, — это природная нанотехнология. Воздействие нанодоз гормонов, обеспечивающее управляющее воздействие на жизнеспособность живых систем, — тоже природная нанотехнология.
A.А. ХАДАРЦЕВ, директор медицинского института Тульского государственного университета, д.м.н., проф., medins@tsu. tula. ru-
B.А. ХАДАРЦЕВ, аспирант Тульского государственного университета
норобот». Начало их массового производства, по мнению разработчиков системы NCD, наступит до 2015 г. Будет осуществлена разработка технологии производства, тестирование совместимости и безопасности таких устройств.
Ожидается создание молекулярных «роботов-врачей», которые могут «жить» внутри человеческого организма, устраняя возникающие в нем повреждения или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять «ремонт» клеток.
Для реализации этого проекта необходимо:
¦ разработать и создать молекулярные роботы, которые смогут «ремонтировать» молекулы-
¦ разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами-
¦ дать полное описание всех молекул в теле человека — создать карту человеческого организма на атомном уровне-
¦ улучшить сканирующий туннельный микроскоп или атомно-силовой микроскоп для достижения позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию наноробота ведет через химический синтез, при этом необходимо проектирование и синтез таких химических компонентов, которые будут способны к самосборке в растворе, а также во внутриклеточных рибосомах.
В материалах многочисленных ежегодных научно-практических конференций с международным участием «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины» содержатся достигнутые результаты работ отечественных и зарубежных исследователей в этом направлении.
Применение наночастиц серебра и висмута осуществлено при лечении трофических язв, при этом время заживления раны сокращается в несколько раз. Нанотехнологии применяются также при лечении гнойного остеомиелита, бактериального ва-гиноза, различных ожоговых ран, ЛОР-заболеваний у детей. Прямыми экспериментами показано, что наночастицы серебра размером от 1 до 10 нанометров являются эффективными ингибиторами вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и пригодны для лечения ВИЧ-заболеваний. Описаны способы введения наночастиц золота в биологическую ткань.
Показано влияние оксидных ферромагнетиков типа MgFe2O4, CoFe2O4 на стабильность фермента Tag-полимеразы, что важно для решения проблемы иммобилизации ферментов на наночастицах.
Приведены сведения об иммуноактивных свойствах арговита — кластерной формы наночастиц серебра в опытах in vitro, о применении кобальто-
вых наночастиц в качестве маркеров иммунных систем. Определена возможность создания нанокомпозитов на основе наночастиц серебра и биосов-местимых полимеров, например арабиногалактана.
На примере индометацина продемонстрировано, что наночастицы лекарственных веществ, получаемые методом контролируемой сублимации, могут использоваться для введения препаратов через дыхательные пути, что позволит снизить на порядок дозу препарата с тем же терапевтическим эффектом.
Обосновано применение наночастиц железа, цинка, меди при заживлении ран, использование бактерицидного эффекта наночастиц висмута, особенно по отношению к бактериям типа картофельной палочки, что важно для медицины и смежных областей (сохранение от порчи зерна при его переработке). Отмечено, что усилия по продвижению нанотехнологий в биологию и медицину важны из-за очевидного «перекоса» в сторону технических направлений, чем мы отличаемся от развитых стран, где более половины исследований в области нанотехнологий нацелены на решение проблем, связанных с науками о жизни. Подчеркнуто, что существует направление исследований, которое нуждается в срочном развитии, — основы техники безопасности при работе с наносистемами, проблемы токсикологии.
Изучены свойства хлоротоксина — пептида, изолированного из яда скорпиона, в качестве потенциального средства для лечения раковых клеток. Генетики связывали действие хлоротоксина со многими типами опухоли, включая опухоль головного мозга. Хлоротоксин замедляет вторжение раковых клеток в органы тела, а в сочетании с работой наночастиц удваивает защитный эффект против развития опухоли. Предполагается, что новая методика будет полезна при лечении рака мозга, молочной железы, кожи, легких, простаты, толстой кишки и яичников.
Смешивая наноматериалы, как топливо и окислитель, можно создать новое нановзрывчатое вещество, способное генерировать ударные волны. «Умные бомбы наноразмеров» смогут находить раковые клетки и повреждать их, а здоровые клетки оставлять целыми. Полученная термитная смесь образует волну сгорания со скоростью 1500−2300 м/сек. Использование этих нановзрывчатых веществ обеспечит улучшение доставки препаратов к пораженным раком или ВИЧ-клеткам. Сначала лекарственное вещество вводится с помощью шприца, рассредоточивая его по всему телу. Далее специальным устройством посылается импульс в область опухоли, при этом ударные волны делают
крошечные отверстия в клетках, которые позволяют ввести препарат. В пределах миллисекунды вторым циклом волн препарат вносится внутрь клетки. Исследователи проверили новый метод на тканях животных, и он продемонстрировал почти стопроцентный успех — 99% клеток получили лекарство. Здоровые клетки при этом получили меньше повреждений, чем при химиотерапии. Внедрение нового метода ожидается в течение 2−5 лет. Помимо медицинской области нановзрывчатые вещества могут быть использованы в геологии и сейсмологии, а также военными — для обнаружения взрывчатых веществ.
При лечении онкологических заболеваний также возможно использование наночастиц окиси железа, которые имеют свойство нагреваться в магнитном поле, если его полярность изменяется около 100 000 раз за 1 секунду, при этом можно устанавливать требуемую температуру частиц. При введении наночастиц окиси железа в опухоль, целенаправленно нагреваются опухолевые клетки, так как здоровые клетки непроницаемы для этих наночастиц. Впервые получен способ нагревания опухолевой ткани точно на желаемую температуру. При воздействии небольших температур (до 45°С) можно повысить эффект от обычной химиотерапии и лучевой терапии. При увеличении температуры тканей до 70 °C опухолевая ткань испаряется (вопаризация), а здоровая ткань остается интактной. Результаты применения этого способа ожидаются в течение 3-х лет, проводятся клинические исследования на избранных пациентах при размере опухоли, не превышающем 5 см.
Прорабатывается идея доставки медикаментов непосредственно в пункт назначения в миокард. Вместо нанороботов в качестве транспортной среды предполагается использование наноконтейнеров, оболочка которых целенаправленно определяет только больные клетки, стыкуется с ними и освобождает медикаменты.
¦ НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
В научно-образовательном центре нанотехнологий Тульского государственного университета в течение 10 лет разрабатываются технологии нанонапыления металлов на различные виды подложек. Имеется оборудование, позволяющее объективизировать нанопроцессы. В научно-образовательном центре новых медицинских технологий Тульского государственного университета проводятся работы
по молекулярному дизайну, атомному анализу и синтезу лекарственных веществ, изучаются биологические эффекты нанотрубок и фуллеренов шунгитовых пород атомно-абсорбционным методом и др.
Развитие медико-биологического направления нанотехнологий в медицинском институте Тульского государственного университета предполагает:
¦ проблемно-ориентированный поиск для изучения закономерностей формирования молекулярного дизайна с целью получения объемных наноструктурных образований с заданными свойствами для лечебных и диагностических целей-
¦ видоизменение существующих способов компьютерного конструирования и анализа органических и неорганических веществ с учетом нано-размерных эффектов-
¦ изучение нанотрубок и фуллеренов шунгито-вых пород-
¦ начало разработки и создание теории взаимодействия наноструктур с биологическими системами на разных иерархических уровнях восприятия внешних раздражений, в том числе физических полей и излучений, разработку технологий организации наноструктур для придания им прогнозируемой биологической активности-
¦ создание (на основе впервые полученных сведений об особенностях молекулярного дизайна) принципиально нового класса биологически активных веществ, трехмерная наноструктура которых обеспечит управляющие эффекты внешних, в том числе лучевых и полевых, воздействий-
¦ использование нановзрывчатых веществ при экспериментальных опухолях-
¦ разработку средств защиты от эффектов нелетального оружия (КВЧ, лазерного и пр.).
Создание микроэлектромеханических систем на основе пьезоэлектрических тонких пленок обусловлено необходимостью разработки устройств для нанометрического перемещения с целью прецизионного позиционирования оптических компонентов микрохирургического инструментария. Предпологается создание микроклапанов, микронасосов, мембран, волноводов для лабораторий на кристаллах, производство пьезоэлектрических подвижных СВЧ-переключателей в широком диапазоне частот с большим быстродействием [5].
Создание наноэлектромеханических систем сопряжено с детальным изучением физики процессов в наноразмерных условиях: определение и использование коммуникационного обмена сигналами между наномиром и микромиром, изучение теплопроводности и энергетических потерь (вероятно, квантованных). Изобретение туннельно-зон-
дового и атомно-силового микроскопа способствовало осуществлению манипуляций отдельными атомами и наноразмерными частицами, выстраивая из них упорядоченные структуры [7]. Развитие нанотехнологий сопряжено с пониманием процессов самоорганизации, обусловленных фрактальной организацией и упорядочением структур [10]. Нано-размерные материалы соизмеримы с различными физическими явлениями, что вызывает размерные эффекты, а значительная поверхностная энергия наночастиц обусловливает метастабильное состояние этих материалов. Меняются межатомные расстояния, перестраивается кристаллическая структура, атомы ассоциируются в кластеры из-за максимального потенциала силового поля. Диэлектрики переходят в металлическое состояние, практически все типы наноматериалов являются неравновесными [3,4,6,9,11]. Наблюдаются также особые структуры — фуллерены, нанотрубки. При взаимодействии электромагнитных полей (ЭМП) с наноструктурами выявляются уникальные эффекты. При кристаллообразовании определяется разный фазовый состав одних и тех же веществ с одинаковым нанометрическим размером из-за разницы энергетических вкладов поверхности раздела в энергию образующейся системы [2]. Продолжается изучение диссипативного резонанса — нарастания колебаний под действием внешних периодических сил с образованием структур порядка. При этом выделенных резонансных частот нет, система самонастраивается на внешнюю частоту. В этом — механизм управляющего влияния внешних ЭМП низкой интенсивности на биологические системы [8]. Эффект стохастического резонанса, присущий нелинейным системам, согласуется с диссипативным резонансом, когда при оптимальном уровне шума увеличивается степень порядка в выходном сигнале. Внешний шум вызывает переключение между аттракторами различного типа, существующими в фазовом пространстве. Живые системы в процессе эволюции научились использовать постоянный внутренний шум и шум внешней среды для выделения полезной информации [1].
В учреждениях здравоохранения используются биологически активные вещества и лекарственные средства органического и неорганического происхождения. Эффективному решению проблемы целенаправленного и предсказуемого их воздействия на организм человека как открытую, саморегулирующуюся, иерархическую систему препятствует недостаточность знаний об атомной сборке молекул. Поэтому необходим фундаментальный проблемно-ориентированный поиск, позволяющий изучить закономерности формирования молеку-
лярного дизайна для получения объемных наноструктурных образований с заданными свойствами. Существующие способы компьютерного конструирования и анализа органических и неорганических веществ не позволяют учитывать наноразмерные эффекты, что обусловливает разработку и выпуск неэффективных лекарственных препаратов, которые в биологических средах живого организма не позволяют осуществлять управленческие (лечебные и профилактические) процессы.
Актуальным является создание новых свойств органических и неорганических соединений, используемых в качестве управляющего фактора при воздействии на функциональные системы организма человека. С этой целью предполагается создание теории взаимодействия наноразмерных структур с биологическими системами на разных иерархических уровнях восприятия внешних раздражений, в том числе физических полей и излучений, разработка технологий организации наноструктур для придания им прогнозируемой биологической активности. Для текущего контроля будет использована разработанная научно-образовательным центром медицинского института Тульского государственного университета в операционной среде Windows система виртуального компьютерного анализа и синтеза лекарственных веществ, включающая адаптированный Кембриджский банк данных, дополненный и проблемно-ориентированный.
Научная новизна этой системы определяется созданием на основе впервые полученных сведений об особенностях молекулярного дизайна принципиально нового класса биологически активных веществ. Новизна этих исследований в России и за рубежом сопряжена с масштабностью проблемы, имеется потенциальная возможность расширения области применения — на создание наноструктур, видоизменяющих патогенные свойства микроорганизмов, что позволит защитить человека от инфекционной угрозы независимо от типа возбудителя.
Необходима государственная поддержка в виде бюджетного финансирования для приобретения зондовой нанолаборатории Integra Bio (ориентировочная цена нанолаборатории — 6 млн руб., собственно проведение исследований — 3,5 млн руб., всего — 9,5 млн руб.). Финансирование планируется на 2 года, зависит от включения Тульского государственного университета в перечень национальных исследовательских университетов.
К основным ожидаемым научным и научно-техническим результатам относится получение новых знаний об основах направленного разноуровневого воздействия органических и неорганических
компонентов лекарственных веществ (известных и синтезируемых вновь) на специфические рецепторы клеток, интерцеллюлярного (межклеточного) матрикса. Эти знания позволят объяснить эффекты малодозового, а также лучевого и полевого воздействия.
Будут разработаны: новая технология создания веществ с заданными свойствами, методика и принципы программно-аппаратного оснащения этой технологии с получением соответствующего программного продукта. Реализация НИР позволит обеспечить новый уровень в системной диагностике и управлении процессами жизнедеятельности.
¦ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Развитие медико-биологических аспектов нанотехнологий находится в самом начале, но уже имеются обнадеживающие результаты исследований, полученные в различных регионах России.
В перспективе — изучение особенностей осуществления нанотехнологий в живых системах для понимания закономерностей поведения в них нанообъектов и разработки искусственных наносистем для обеспечения здоровья.
ИСТОЧНИКИ
1. Анищенко В. С., Нейман А. Б., Мосс Ф., Шиманский-Гайер Л. Стохас-
тический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка. // УФН.- 1999.- Т. 169, № 1.- С. 7- 38.
2. Астахов М. В. Физико-химические свойства индивидуальных нано-
частиц и их ансамблей. // Изв. вузов: Материалы электрон. техн.- 2002.- № 2.- С. 141−153.
3. Бокарев В. П. Оценка изменения физико-химических свойств ос-
новных материалов микроэлектроники при наноразмерах. // Микро- и наноэлектроника — 2001: Тез. Докл. Всеросс. научно-техн. конф.- Москва — Звенигород, 2001.- Т. 2.- С. 2−12.
4. Витязь П. А. Нанокристаллические алмазы и перспективы их ис-
пользования. // Наноструктурные материалы. Получение и свойства — 2000: Беларусь — Россия: Материалы семинара.- Минск, 2000.- С. 8−12.
5. Горнев Е. С. Пьезотехника и нанотехнологии. // Сб. трудов Между-
народной научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения Нобелевского лауреата акад. А. М. Прохорова (Москва, 25−27 октября 2006).- М., 2006.- Т. 1.- С. 178−180.
6. Ежовский Ю. К. Поверхностные наноструктуры — перспективы
синтеза и использования Соросовский образовательный журнал.- 2000.- Т. 6, № 1.- С. 56−63.
7. Жабреев В. А., Лукьянов Г. Н., Марголин В. И., Серов И. Н., Тупик
В. А. Некоторые вопросы фрактальной нанотехнологии. // Сб. трудов Международной научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения Нобелевского лауреата акад. А. М. Прохорова (Москва, 25−27 октября 2006).- М., 2006.- Т. 1.- С. 187−213.
8. Карнаухов А. В. Диссипативный резонанс и его роль в механизмах
действия электромагнитного излучения на биологические и физико-химические системы. // Биофизика.- 1997.- Т. 42.- Вып. 4.- С. 971−979.
9. Котов С. В., Хухрянский Ю. П., Кузнецова Е. А. Исследование меха-
низмов роста совершенных тонких пленок методом молярной динамики. // Тонкие пленки в оптике и электронике ISTFE-14 //Сб. тр. 14-го Межд. симп.- Харьков, 2002.- Т. 1.- С. 11- 14.
10. Серов И. Н., Марголин В. И. Фрактально-матричные топологии в нанотехнологии. // Труды XIX Всероссийского совещания «Температуроустойчивые функциональные покрытия».- СПб.: Янус, 2003.- С. 85−91.
11. Cattien V Nguyen, Kuo-Jen Chao, Stevens Ramsey M.D., et al.
Carbon nanotube tip probes: stability and lateral resolution in scanning probe microscopy and application to surface science in semiconductors // Nanotechnology.- 2001.- Vol. 12.- P. 363−367.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ЭКСПЕРТИЗЫ СРЕДСТВ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ» РОСЗДРАВНАДЗОРА ОБЪЯВЛЯЕТ О ПРОВЕДЕНИИ КОНКУРСА В АСПИРАНТУРУ:
Очная аспирантура по специальности:
14. 03. 06 «Фармакология, клиническая фармакология»
14. 04. 03 «Организация фармацевтического дела»
Заочная аспирантура по специальности:
14. 03. 06 «Фармакология, клиническая фармакология»
14. 04. 03 «Организация фармацевтического дела»
14. 04. 02 «Фармацевтическая химия, фармакогнозия»
Адрес: 127 051, г. Москва, Петровский бульвар, дом 8. Тел.: 234−61−04, доб. 3216,3221

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой