Нанотехнологии в медицината
Държавен университет в Толиати
Катедра: Нанотехнологии и нови материали
Резюме по темата
Нанотехнологии в медицината
Лектор: Rastegaeva I.I.
Подход отгоре надолу
Приложения на съвременните нанотехнологии в медицината
Нанотехнологични сензори и анализатори
Съвременни перспективи на наноустройствата в медицината
Концепцията за нанотехнологиите твърдо навлиза в живота ни и още през 1959 г. известният американски физик теоретик Ричард Файнман каза, че има "удивително сложен свят на малки форми и някой ден (например през 2000 г.) хората ще бъдат изненадани, че преди 1960 г. никой не е приемал сериозно изучаването на този свят." На първия етап развитието на нанотехнологиите се определя главно от създаването на устройства за сондова микроскопия. Тези устройства са като очите и ръцете на нанотехнолога.
Днес напредъкът в областта на нанотехнологиите е свързан с разработването на наноматериали за космическата, автомобилната и електронната промишленост.
Но постепенно медицината все повече се споменава като обещаваща област за приложение на нанотехнологиите. Това се дължи на факта, че съвременните технологии позволяват да се работи с материя в мащаб, който доскоро изглеждаше фантастичен - микрометри и дори нанометри. Именно тези размери са характерни за основните биологични структури - клетките, техните съставни части (органели) и молекули.
Днес можем да говорим за появата на ново направление - наномедицина. За първи път идеята за използване на микроскопични устройства в медицината е изразена през 1959 г. от Р. Файнман в известната си лекция „Има много място там долу“ (позовавайки се на идея на Албърт Р. Хибс). Но само в последнотоОт няколко години предложенията на Файнман се доближиха до реалността [1].
Разбира се, днес можем само да правим предположения за начините, по които ще се развива науката на бъдещето и по-специално медицината. Някои от тези предположения ще бъдат по-оправдани, други по-малко. По този начин може да се очаква повече или по-малко уверено, че съвременните методи ще бъдат доразвити. Например, микроустройствата ще стават все по-малки и по-сложни, а техните функции ще стават все по-богати.
От друга страна, можем да очакваме, че по пътя ще срещнем неочаквани обрати. Някои от подходите, които сега изглеждат обещаващи, ще се окажат безплодни. Други, които сега изглеждат фантастични, могат да се оправдаят; някои от тези "фантастични" подходи ще разгледаме тук. Най-вероятно ще възникнат някои напълно нови идеи [2].
Три подхода към наномедицината Нека разгледаме как диагностиката и лечението могат да се извършват в бъдеще на клетъчно, субклетъчно и молекулярно ниво.
Днес предложените пътища за това могат да бъдат разделени на три групи
Подход отгоре надолу
Това може да се нарече подход, състоящ се в по-нататъшното подобряване на съществуващите микроустройства, предимно в тяхната по-нататъшна миниатюризация. Идеята за подхода "отгоре надолу" (както и идеята за нанотехнологиите като цяло) е представена за първи път последователно през 1959 г. от Dr.
Използването на съвременни методи на микроелектронна технология дава възможност да се произвеждат елементи с размер по-малък от микрон. Тези методи могат да бъдат разширени отвъд чисто електронното инженерство. Примери за това са микроелектромеханичните системи (MEMS) и микрофлуидиката - контролът на флуидните потоци в микронни мащаби. МодеренТехнологията позволява производството на много устройства като микромотори, акселерометри, жироскопи, различни микросензори, микроклапани, микропомпи и зъбни колела.
В момента редица групи учени по света работят върху създаването на микроустройства, които биха могли да работят вътре в човешкото тяло. Такива устройства могат да бъдат постоянно фиксирани в тъканите, да се движат пасивно - например по стомашно-чревния тракт - или активно. В последния случай те могат да "пълзят" по повърхностите на вътрешните кухини на човешкото тяло, да плуват във вътрешни течности или дори да "пробиват" свои собствени проходи в тъканите.
Проектът, който се разработва в Университета на Юта, САЩ, е микроподводница, задвижвана от бактерии като Salmonella typhimurium. Тези бактерии могат да плуват в течност; като са прикрепени към ротора на двигателя, те ще могат да задвижват вал със закрепено към него витло. За производството на още по-миниатюрно устройство могат да се използват не цели бактерии, а само техните витлови флагели - флагели. Източникът на енергия за такъв двигател може да бъде кислород и глюкоза, свободно дифундиращи вътре от околната среда.
Друг подобен проект се разработва от MicroTEC от Дуисбург (Германия). Той разглежда външно променливо електромагнитно поле като източник на енергия.
Устройства от този вид, оборудвани с бордови системи за управление, комуникация и ориентация, базирани на нанотехнологии, наносензори и наноманипулатори, може да станат реалност в обозримо бъдеще.
„Мокри“ нанотехнологии
Този подход се основава на използването на готови механизми, които съществуват в дивата природа. Може би за първи пъттази идея е формулирана през 1967 г. от американския биохимик (и същевременно писател на научна фантастика) Айзък Азимов. Той беше първият, който предложи използването на механизми, състоящи се от молекули на нуклеинова киселина и ензими. Година по-късно Уайт предлага използването на генетично модифицирани вируси като механизми за възстановяване на клетките.
През 1964 г. физикът Робърт Етингер в книгата си „Перспективи за безсмъртие“ предлага използването на замразяване до ултраниски температури (крионика) за запазване на човешкото тяло, докато развитието на науката позволи то да бъде размразено, съживено и излекувано. Знаейки много добре какви щети би причинило такова замразяване на клетъчно ниво, Етингер предположи, че в бъдеще ще станат възможни механизми, които биха могли да коригират такива щети. През 1972 г. Етингер предполага, че биороботи, базирани на генетично модифицирани съществуващи микроорганизми, могат да се използват за възстановяване на увредени клетки. (Повече идеи за крионика ще бъдат обсъдени по-долу).
Нека разгледаме по-отблизо пътеките, описани тук:
-Биотехнология.Използването на съществуващи организми като основа за създаването на биороботи обещава редица предимства. Първоначалният организъм осигурява готови системи за енергоснабдяване, размножаване, движение, самовъзстановяване и т.н. Има добре установени методи за получаване на генетични модификации; опит в използването на микроорганизми за различни цели. Разбира се, ще минат години или дори десетилетия, преди да стане възможно създаването на наистина ефективен биоробот.
-Вирусът като робот.В момента вирусите вече се използват активно за въвеждане на нов генетичен материал в клетките. В бъдеще човек може да си представи употребатаразнообразие от роботизирани вируси, способни да разпознават определен тип клетка в определено състояние. В зависимост от конкретната ситуация, такъв вирус-робот ще може да убие тази клетка (например причинителя на заболяването) или да въведе в нея необходимите ДНК или РНК молекули - до пълната замяна на увредения генетичен материал.
-Клетка-робот.Клетките в човешкото тяло са способни целенасочено да се движат, понякога на големи разстояния, да унищожават други клетки или, обратно, да се интегрират в увредени тъкани на мястото на мъртвите. Не е много трудно да си представим клетки, изкуствено модифицирани да унищожават атеросклеротичните плаки, да регенерират увредени органи, крайници и т.н. Клетките могат да носят етикети, които позволяват да се наблюдава движението им през тялото и да отделят вещества в околната среда, които носят диагностична информация.
- Можем да споменем няколко типа клетки, които изглеждат обещаващи като основа за биоробот.
- Първо, това са различни бактериални клетки. Те могат да имат готови механизми за придвижване и дори вкарване в клетките на организма гостоприемник. Генетичният апарат на бактериите е доста лесен за модифициране. Те са способни на доста сложно "поведение". Те могат да произвеждат различни протеини и други вещества в зависимост от ситуацията. Бактериите дори са способни да координират действията си, като отделят различни сигнални вещества в околната среда. Те също така могат да предават значителни количества информация чрез обмен на кръгови ДНК молекули - плазмиди.
- Разбира се, геномите на бактериите трябва да бъдат модифицирани така, че да не представляват опасност за хората. Така бактериите могат да бъдат лишени от възможността да се размножаватсамото тяло; необходимите количества ще се набавят извън него при специални условия.
- Второ, това са човешки клетки - например фибробластите. Предимството на фибробластите е, че те не носят на повърхността си така наречените антигени на системата HLA, които основно определят отхвърлянето на чужди тъкани от имунната система на организма.
- Друг тип клетки, който изглежда много обещаващ, са лимфоцитите. В човешкото тяло има няколко вида лимфоцити, които изпълняват различни задачи в рамките на осигуряването на имунна защита. Много от тях са способни на много сложно "поведение". Възможно е да бъде възможно генетично да се модифицират собствените (и следователно неотхвърлените) лимфоцити на човек по такъв начин, че да им се придадат определени допълнителни функции.