Наномедицина - современные пути к здоровью человека

Дорогие читатели нашего портала! Сегодня речь пойдет о нанотехнологиях, их основах, использовании в медицине и тех темах, которые составители заданий выносят на такое мероприятие, как дистанционная олимпиада по биологии.

Другим термином, относящимся к нанотехнологиям, является наномедицина или нанобиология. И для начала в этой статье хотелось бы рассказать то, чем будут заниматься не современные профессора и академики, а будущие ученые, те кто сейчас сидит в школьных классах, в студенческих аудиториях. Речь пойдет о принципиально новом переустройстве технологии в обществе. Это идея возникла в последние десятилетия. Стало ясно, что расточительные технологии прошлого, те технологии, которые сопряжены с потреблением большого количества энергии и материала, не могут обеспечить развитие будущего мира. Численность населения стремительно растет на земле, ресурсы истощаются. И при нынешних технологиях для изготовления какого-то прибора требуются затраты в 10 и 20 раз большие, чем будет весить итоговый результат. Несмотря на техническую революцию, которая прошла в середине прошлого века, сейчас мы имеем очень расточительные, энергетически зависимые и материальные технологии.

Совсем недавно возникла идея, что нужно строить, создавать приборы, машины и препараты путем молекулярного конструирования, наподобие детского конструктора из разных деталей. Основная идея заключается в том, чтобы они специально могли состыковаться и из них уже конструировать какие-то предметы. Вот это направление получило название нанотехнологий.

Вы знаете, что в нашей стране вслед за соединенными штатами и Европой эти технологии стали финансировать несколько лет очень интенсивно, стали проводиться дистанционные олимпиады по биологии. Для развития нанобиологии в России создана специальная программа президента, она уже подписана, и выделено в сумме около 130 миллиардов рублей под развитие нанотехнологий. Разумеется, надо знать, что это такое, или хотя бы иметь общее представление об этом направлении развития биологии и медицины.

Обычно нанотехнологии предполагают работу с частицами от 10 нанометров до ста нанометров. Какие молекулы имеет такие размеры? Это белки, дезоксирибонуклеиновая кислота, рибонуклеиновая, антитела, вирусы. Клетки человека и бактерии - это уже большие размеры. Размер бактерий составляет около микрометра. Самые маленькие клетки человека эритроциты имеют размер десять микрометров.

Все, что имеет доклеточное строение в человеческом организме, в живой материи, попадает в интервал размеров нано. Напомним, что сейчас речь идёт о размерах, а не о концентрациях. Все биологи и медики давно уже работают с нанотехнологиями. Те, кто использует белки, ДНК, РНК и антитела - это нанотехнологичные ученые.

Часто биологи и медики, люди регулярно занимающиеся молекулярной медициной, оказываются в положении того персонажа, который в весьма зрелом возрасте обнаружил, что он всю жизнь говорил прозой. Мы все давно занимаемся нанотехнологиями, не называя ее таким образом. Сейчас появилась возможность идентифицировать эту работу, и, разумеется, прежде должны быть довольны врачи и биологи.

На данный момент в Соединенных Штатах Америки существует по последним данным двенадцать институтов и пара крупных олимпиадных биологических центров, которые определяют основные направление науки и лечебной деятельности. Олимпиада по биологии популяризировала такой термин, как «наномедицина» - это применение макромолекул и наночастиц для диагностики и лечения болезней, а также для репарации поврежденной ткани. Но он не прижился в нашем обществе.

Для получения общего представления о данном разделе биологии и медицины было бы неплохо посмотреть фильм, который снят в медицинской школе Гарварда о движении частиц клетки. В нем вы увидите, что размеры рецепторов органелл, их размеры, как они движутся, как они взаимодействуют.

Давайте перейдем непосредственно к описанию этой технологии. Нанотехнологии позволяют определять биомаркеры для диагностики и контроля за процессом лечения. Они позволяют визуализировать патологические процессы, создавать нанороботов и оказывать лечебную помощь, разрабатывая системы адресной доставки лекарственных веществ. Таковы четыре направления в современной медицине. Они нуждаются в нанотехнологиях. В чём особенность эти методов: Ведь уже есть другие методы определять и визуализировать, доставлять лекарственные вещества. В чём особенность нанотехнологии?

Особенностью нанотехнологий является использование специальных наночастиц. Первым видом наночастиц являются квантовые точки. Такое название возникло в английской научной литературе. Это мелкоизмельченные полупроводники, которые при измельчении до размеров наночастиц, начинают при облучении светится разными цветами в зависимости от размера частиц, что является новым свойством вещества, найденным учеными. При возбуждении электронов светом некоторые из электронов покидают не только свои орбитали, но и покидают эту частицу, уходят из этой частицы. Поэтому частота излучения и квантовый выход частиц меняется. Это позволило идентифицировать маленькие молекулы. Если они взаимодействуют с этим наночастицы и изменяются их размеры, следовательно, меняется и цвет, испускаемый квантовыми точками. Они применяются как маркер рецепторов. разных белков злокачественных опухолей и кристаллов.

Другим видом наночастиц являются магнитные частицы, а именно ионы вещества, обладающие магнитными свойствами. Но они диффузные и их очень мало. До открытия магнитных наночастиц являлось очень большой задачей методом ядерно-магнитного резонанса выявить и визуализировать ткани. И такой метод определения не мог являться качественным способом для применения в медицине. Качество картинки, полученной при использовании резонанса, оставлял желать лучшего.  Если же выходят магнитные наночастицы, они позволяют потом с помощью современной лучевой диагностики без какого-либо фона определять и выявлять эти частицы в тканях и понимать, что с этими тканями происходит.

И третьим видом наночастиц являются так называемые «перешитые» наночастицы - это наночастицы, которые очень хороши для прикрепления к ним антител. После этого можно направить эти наночастицы только к тем мишеням, которые связывают с этими антителами.

Давайте приведем пример, как наночастицы используются на практике для определения метастаз в лимфоузлах. Шприцом в вену вводится суспензия магнитных наночастиц. Это чужеродное вещество, которое будет сразу будет захвачены и поглощены макрофагами. Они не могут переварить магнитные частицы, обычно это оксид железа, и получаются в итоге меченые вот этими шариками обычные макрофаги.

Если есть какая-то опухоль или есть воспалительный процесса, они переходят в лимфатические узлы или в эту опухоль с лимфой. Тогда в опухоли накапливаются наночастицы с макрофагами, и их легко визуализировать.

В следующем примере показан метод определения метастаз простаты методом ядерно- магнитного резонанса. В составе макрофагов наночастицы пришли в опухоль и по их локализации можно определить границы опухоли.

В процессе диагностики в зависимости от размеров квантовые точки светятся по-разному - от синего цвета до красного. Это могут быть и псевдоцвета. Техника сейчас вообще позволяет излучение любой интенсивности представлять как разной длиной волны и разным цветом, которые нам представляется более комфортным для восприятия, документации, или математического анализа. Смысл определяющего метода в данном случае заключается в том, что при введении квантовых точек в организм, к ним прикрепляется разный биологический материал. Одним из таких материалов являются белки. При прикреплении или смешивании белков с квантовыми точками происходит укрупнение исходной точки, и она под действием обнаруживающих устройств начинает светиться другим цветом, по которому можно и провести необходимые исследования. Это абсолютно специфичные реакции с очень большим разрешением. Наночастичная технология повышается разрешение в сотни миллионов раз. В данном методе также используются пластилины, на которые наносится малое количество квантовых точек. На один квадратный сантиметр обычно приходится несколько десятков тысяч точек. Потом в каждой точке вещество покрывается биологическим материалом. Если происходит определение ДНК, вирусов  или бактерии, то по гибридизации квантовых точек определяют их наличие в исходном материале.

Чтобы идти в ногу со временем, начиная с этого года, олимпиада по биологии «Отличник» обязательно включает в себя рад вопросов по применению нанотехнологий в современной жизни.