НАНОТЕХНОЛОГИИ — КЛЮЧЕВОЙ ПРИОРИТЕТ ОБОЗРИМОГО БУДУЩЕГО В МЕДИЦИНЕ

В статье представлена обзорная информация о новом направлении в науке — нанотехнологии. Показана значимость этого направления в развитии медицины будущего. Освещены основные результаты исследования применения продуктов нанотехнологии в Украине.

 

А.Н. Белоусов

 

Мы наверняка задавались вопросом, каким образом из питательных веществ земли образуются сочные овощи, сладкие фрукты или вкусные ягоды. Почему, бросая зернышко в кучку навоза, мы в итоге получаем сладкую клубнику ? На первый взгляд это удивительно, но на самом деле все гениально просто. Дело в том, что практически все вещества в этом мире со­стоят из одних и тех же атомов. Это углерод, кислород, водород и т.д., и лишь упорядоченность атомов (то есть, их структура) определяет, какое вещество мы в итоге получим. Область науки, которая изучает данные процессы назвали нанотехнологией, а журнал «The Science» уже признал ее достижением года [10]. История нанотехнологии началась не так давно, всего лишь в 1959 году, когда нобелевский лауреат Ричард Фрейнман произнес буквально следующее: «Насколько я знаю, ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов» [11]. С момента выступления Ричарда Фреймана перед нобелевским комитетом прошло уже почти 45 лет, и с тех пор человечество уже давно перешло от теории к практике. Однако до сих пор нанотехнология считается самой загадочной, и в тоже время, самой многообещающей из всех технологий двадцатого столетия. Исчерпывающего определения понятия “нанотехнология” пока не суще­ствует. По аналогии с микротехнологиями можно сказать, что нанотехнологии оперируют величинами порядка нанометра, т.е. одной миллиардной доли метра. Это ничтожная величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от “микро” к “нано” – не количественный, а качественный, означающий скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами . Хотя разработок и открытий в этой области науки сделано относительно немного, большин­ство ученых уверяют, что революции осталось ждать недолго. Да, именно ре­волюции. Нанотехнология – настоящий прорыв в науке, да и в жизни во­обще. Устранение отрицательного влияния деятельности человека на окружающую среду, защита озонового слоя, производство любой ткани, любого вида топлива, физическое бессмертие организма – вот лишь краткий список того, что принесет в нашу жизнь эта область науки [11, 12]. Однако уровень развития науки и техники 50-х годов не позволял обсуждать всерьез возможное целенаправ­ленное влияние на отдельные атомы. Перелом наступил после изобретения в 1981 г. Г. Бинингом и Г. Рорером, учеными из Швейцарского отделения IBM, сканирующего туннельного микроскопа – прибора, дающего возможность воздействовать на вещество на атомарном уровне. При помощи туннельного микроскопа стало возможным манипулировать атомами и непосредственно собирать из них любой предмет, любое вещество [13-15]. С 1994 г. начинается применение нанотехнологических методов в промышленности. По данным Lux Research 2004 год стал поворотной точкой в развитии нанотехнологий. За последние 12 месяцев резко выросли инвестиции государств и корпораций в исследования и разработки (R&D) в области нанотехнологий. Вместе с этим заметно увеличилось количество научных разработок и публикаций в прессе [8]. Правительства, корпорации и частные предприниматели по всему миру, говорится в отчете, потратят более $8,6 млрд на R&D в области нанотехнологий в этом году. Из этой суммы $4,6 млрд вложат государственные структуры, но, по мнению исследователей, уже со следующего года компании будут тратить больше, чем государства на исследования в области нанотехнологий. Для правительств подобные траты большая редкость: правительство США потратит в этом году на "нано" почти в 2 раза больше, чем когда-либо тратило в год на знаменитый "проект генома человека" [7]. В популярных изданиях количество публикаций (как позитивных, так и негативных), посвященных нанотехнологиям, выросло со 190 в 1995 году до 7000 в 2003, а в 2004 году, по сведениям Lux Research, их число достигнет 12 000 [16]. Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией. В Японии ежегодно ведутся работы примерно по 12 нанотехнологическим проектам. Крупнейшим в 1992 г. был “Angstrom Technology Project” – самый значительный из серии проектов, направленных на разработку прибо­ров нанометрового размера (стоимость 185 млн долл., рассчитан на 10 лет). В его реализации участвуют 50-80 фирм. Проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре “Цукуба”, а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной об­ласти. Во Франции открыт клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании издаются журналы “Нанотехнология” и “Нанобиология”, а в 1998 г. состоялась пятая меж­дународная конференция по данным проблемам [17-19]. В Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе под руководством Нобелевского лауреата Ж.Алферова осуществляются передовые разработки наногетероструктур, получившие международное признание (об этом свиде­тельствует проведение в институте в июне 2001 г. десятой международной конференции “Наноструктуры: физика и технологии”). Прогнозируется, что с помощью нанотехнологий к 2015 году будет создано услуг и товаров на $1 трлн, развитие нанотехнологий создаст от 800 000 до 2 000 000 рабочих мест, половина всех лекарств к 2010 году будет сделана с помощью нанотехнологий. Всё это программа-минимум, согласно прогнозам американской Национальной научной организации (NSF). Американский Национальный институт здоровья (NIH) включил наномедицину в пятерку самых приоритетных областей развития медицины в XXI веке [20, 21]. Создание молекулярных роботов врачей, которые будут «жить» внутри человеческого организма, устранять все возникающие повреждения, или предотвращать возникновение таковых, включая генетические повреждения. Прогнозируемый срок реализации - первая половина XXI века [26]. Кстати, генные инженеры уже сейчас запрограммировали бактерии делать белки, от человеческого гормона роста до ренина, фермента, используемого в создании сыра. А фармацевтическая компания «Eli Lilly» в настоящее время продвигает на рынок «Хьюмулин», молекулы инсулина человека, произведенные бактериями [28]. Соединенные Штаты собираются потратить более 140 миллионов долларов на борьбу с раком, используя достижения в нанотехнологии, которые позволяют создавать приборы на молекулярном уровне. Ученые из Национального института рака США считают, что нанотехнология поможет лечить рак в его самых ранних стадиях и избегать побочных эффектов [22]. Нанотехнология находится пока в самом начале своего развития, однако уже сейчас ясно, что крохотные наночастицы размером в одну милли­онную часть булавочной головки предоставляют огромные возможности в различных областях медицины. Нанодизайн уже применяется для усовершенствования продукции компьютерной индустрии, и ученые считают, что он может произвести революцию в медицине. Можно было бы, например, создать механизмы, которые находили бы в организме человека злокачественные клетки и доставляли к ним лекарства, что позволило бы избежать побочных эффектов химиотерапии и радиации. Впрочем, пока лечение рака с помощью нанотехнологии - это всего лишь теория, и для ее претворения в жизнь потребуются многолетние исследования [23]. Человечество уже на пути конструирования самих белков, что в итоге приведет к возможности молекулярного инжиниринга, которая позволит нам структурировать материю атом за атомом. Но, несмотря на универсальность, белок имеет недостатки как технический материал. Подобные белковые машины перестают функционировать при высушивании, замерзают при охлаждении и свариваются при нагревании. Поэтому в будущем предпочтение отдадут протеиновым машинам, которые способны строить более прочные вещества, чем белки [24]. Создание новых химических веществ уже не станет проблемой, т.к. все соединения будут происходить без химических реакций. Такое применение нанотехнологии даст массу новых лекарств, которые врачи будут сами «настраивать» под пациента, исходя из его болезни[25]. По определению ведущего учёного в данной области Р. Фреймана наномедицина это: «Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры» [29].

В Украине первые препараты медицинской нанотехнологии синтезированы и запатентованы автором в 1998 году. Это такие препараты, как интракорпоральный нанобиокорректор "ИКНБ", магнитоуправляемый сорбент МУС-Б и «Микромаг-Б» [3-5]. Основу препаратов составляют коллоидные частицы магнетита (Fe3O4) размером от 6 до 12 нм. Наличие адсорбционного слоя обеспечивает коллоидным частицам магнетита высокую сорбционную активность. Суммарная площадь их сорбционной поверхности составляет от 800 до 1200 м2/г, а напряженность магнитного поля, которое индуцируется каждой частицей - 300-400 кА/м. Метод экстракорпоральной гемокоррекции с применением магнитоуправляемого сорбента (МУС) обладает существенным патогенетическим преимуществом над существующими методами детоксикации [6]. Некоторые показатели сорбционной емкости магнитоуправляемого сорбента в различных биологических средах представлены в таблице 1.
Для магнитоуправляемого сорбента присущ, как сорбционный эффект, так и косвенный, который обусловлен действием постоянного магнитного поля создаваемого коллоидными частицами магнетита. Важным преимуществом МУС является то, что его сорбционные свойства высоко специфические(селективные) и имеют наибольшее сродство к молекулярным компонентам плазмы крови, которые способствуют развитию синдрома эндогенной интоксикации. Такая селективность магнитоуправляемого сорбента создает предпосылки для возникновения в процессе терапии косвенных саногенетических эффектов. Характеpной особенностью метода экстракорпоральной гемокоррекции с применением магнитоуправляемого сорбента является то, что прежде всего метод альтернативен не детоксикационному эффекту, а системной неспецифической биологической модуляции.
 
Некоторые данные сорбционной активности МУС* для различного рода веществ,
находящихся в жидких средах
 
Вещество
  Н2О
Сыворотка
Цельная кровь
Фенол 1 мкг 0,05 мкг 0,05 мкг
Альбумин   отс отс
Креатинин   отс отс
Мочевина отс отс отс
Холестерин   10 мкг 10 мкг
Т3 (трийодтиронин)   отс отс
Cu 1,75 мкг 2,5 мкг 1 мкг
Са отс отс отс
К отс отс отс
Na отс отс отс
Cl отс отс отс
Mg отс отс отс
Zn 10 мкг отс 0,75 мкг
NaNO3 (нитраты) 12,5 мкг 10 мкг отс
Cr 2 мкг 0,49 мкг 0,5 мкг
Pb 1,17 мкг 0,3 мкг 0,19 мкг
Cd 0,48 мкг 0,68 мкг 1,55 мкг
Ig A 500 мкмоль 300 мкмоль 250 мкмоль/ л
Ig M 200 мкмоль 350 мкмоль 250 мкмоль/ л
Ig G отс 200 мкмоль 250 мкмоль/ л
Мединал отс отс отс
Тиопентал Na отс отс отс
 Примечание: из расчета 30 мг МУС на 1куб.см  жидкости.
 

Наличие постоянного магнитного поля вокруг коллоидных частиц магнетита позволяет магнитоуправляемому сорбенту не только селективно адсорбировать различного рода вещества по принципу магнитофереза, но и активно влиять на внутриклеточные биохимические процессы. Активизируя в 1,5-2 раза процесс диссоциации оксигемоглобина и повышая при этом отдачу крови кислорода тканям, магнитоуправляемый сорбент улучшает биоэлектрический потенциал мембран эритроцитов, восстанавливает функциональную активность клеток крови, улучшает реологию. Магнитоуправляемый сорбент универсально корригирует рН и щелочной резерв венозной крови. Улучшение обменнометаболических нарушений на клеточном уровне достоверно подтверждено результатами электронномикроскопических исследований органов ретикулоэндотелиальной системы(печени, почек и легких) в эксперименте. Восстановление метаболических сдвигов гомеостаза, физикохимических свойств тканевых структур, равновесия между антирадикальными и прорадикальными продуктами характеризуют прямое влияние магнитоуправляемого сорбента на процессы свободнорадикального окисления липидов. Данный факт предопределяет основное патогенетическое отличие предложенного метода от других видов интенсивной терапии. Процесс коррекции равновесия между антирадикальными и прорадикальными продуктами обуславливает также активность магнитоуправляемого сорбента по отношению к патогенным микроорганизмам и состоянию клеточного звена иммунитета. Селективный бактериостатический и антигрибковый эффекты, коррекция иммунологических расстройств (повышение фагоцитарной активности лейкоцитов и индекса завершенности фагоцитоза, устранения дисбаланса иммунорегуляторных клеток) дополняют перечень биологического действия магнитоуправляемого сорбента. Принцип магнитофереза позволяет магнитоуправляемому сорбенту эффективно улучшать показатели белковых и липидных фракций крови, альбуминоглобулинового коэффициента, величины СОЭ, уровень продуктов перекисного окисления липидов, количество гормонов, циркулирующих иммунных комплексов и лимфоцитотоксических аутоантител.

Предложенный метод использования МУС технически прост и надежен в обслуживании. Отсутствие побочных эффектов (гемических, гемодинамических, электролитных, гормональных, белковых, липидных, иммунологических) создают реальные предпосылки для его использования в интенсивной терапии различного рода больных с клиникой синдрома эндогенной интоксикации. Метод может применятся в тех случаях, при которых использование других методов исскуственной детоксикации противопоказано (анемия, гипопротеинемия, коагулопатия, тромбоцитопения) [2].
 
Вторым препаратом нанотехнологии является пероральная его форма - «Микромаг-Б». Препарат зарегистрирован МЗ Украины в 1999 году, как биологически-активная добавка (регистр. №5.08.07/1165 от 14.04.99г). Основа лечебного действия препарата - влияние процесса адсорбции и постоянного магнитного поля, которое окружает коллоидную частицу магнетита, на клеточные и субклеточные структуры. Точка приложения - поверхностные белки мембран клеток. Коллоидные частицы магнетита изменяют состав белковых молекул, тем самым влияют на транспорт веществ в клетку [1].
«Микромаг-Б» - уникальное средство неспецифической модуляции обменных процессов. Препарат вызывает повышение адаптационноприспособительных потенциальных механизмов и возможностей органелл клеток, ускоряет репаративные процессы на уровне мембран и макромолекул.
В 2002 году автором впервые предпринята попытка систематизировать результаты исследований влияния препаратов нанотехнологии на механизмы клеточной регуляции. Достоверно установлено, что коллоидные частицы магнетита выступают в роли модулирующего фактора метаболических процессов в лейкоцитах крови здоровых и больных людей. Они интенсивно модулируют активность ферментного звена антиоксидантной системы в эритроцитах здоровых и больных людей.
 
Таким образом, уже сейчас можно говорить о том, что наметившийся положительный прогресс в динамике изучения влияния препаратов нанотехнологии на клеточний метаболизм, позволит в скором будущем найти ключ к пониманию механизмов клеточного апоптоза, причин развития старости и танатогенеза, приоткрыть тайны долголетия.
 
В заключении хотелось бы отметить, что несмотря на оптимистические перспективы практического применения продуктов нанотехнологии во мно­гих странах мира еще не сформирован целостный системный подход к решениям проблем нанотехнологий. По данным зарубежных авторов на сего­дняшний день существуют ряд нанопроектов, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, даст результат. Пока что исследования в этой области доступны только крупным зарубежным компаниям, т.к. такие опыты нуждаются в значительном финансировании. Тем не менее, корпорации не жалеют на это денег, выделяя с каждым годом все больший бюджет на подобные исследования [16] . Бесспорно, перспективы этой области науки говорят о многом.
 

Источники

1.  Белоусов А.Н. Влияние магнетита - препарата нанотехнологии на клеточный метаболизм // Вісник проблем біології і медицини, Полтава, 2003. - №7. - С. 36 - 37.

2. Білоусов А.М. Е кстракорпоральна гемокорекція із застосуванням магнітокерованого сорбенту в інтенсивній терапії синдрому інтоксикації у хворих з патологією органів гепатопанкреатодуоденальної зони : Автореф. дис… д-ра мед. наук: 14.01.30 / ДДМА – Дніпропетровськ, 2004. – 40 с.

3. Лечебно-профилактический продукт “ Micromage-B ”: Госпатент №30538А UA A 23L 1/304/ Белоусов А.Н. (Украина) . - Заявл. 25.05.98. Опубл. 15.11.00. Бюл. № 6-11 . – 3 с.
4. Сорбент для экстракорпоральной детоксикации биологических жидкостей: Госпатент №24322А UA A61N2/00/ А.Н. Белоусов (Украина). - Заявл. 19.06.97; Опубл. 17.07.98. Бюл. №7. - 4 с.
5. Cпособ получения магнит­ной жидко­сти для транспорта и удержания лекарств в организме: Госпатент №14817А UA A61N2/00/ А.Н. Белоусов (Ук­раина). - За­явл. 21.06.96; Опубл. 18.02.97. Бюл. №2. - 3 с.
6. Способ экстракорпораль­ной детоксикации биологических жидкостей: Госпатент №24183А UA A61N2/00/ А.Н. Белоусов(Украина). - Заявл. 19.06.97; Опубл. 17.07.98. Бюл. №7. - 3 с.
7. Чумаченко Б.А., Власов Е.П., Лавров К.П. и др. Стратегический менеджмент и международный бизнес. – М.: Наука, 2000. – 112 с.
8. Bradbury R.J., "Protein Based Assembly of Nanoscale Parts", http://www.aeiveos.com/~bradbury/Papers/PBAoNP.html
9. Drexler Eric. Engines of Creation. - New York, 1986. – 210 р .
10. Drexler Eric. Unbounding the Future: Nanotechnology Revolution. - New York, 1991. – 56 р .
11. Phoenix, C., Drexler, E., "Safe exponential manufacturing", Nanotechnology 15(8):869-872 (Aug 2004). http://www.iop.org/EJ/abstract/
12. Lem St. Tajemnica chicskiego pokoju. – Kracow, 1996 – 98 р .
13. Merkle, R.C., "Self Replicating Systems and Molecular Manufacturing", http://www.zyvex.com/nanotech/selfRepJBIS.html
14. Feynman Richard. There's Plenty of Room at the Bottom. – London, 1959. – 77 p.
15. Freitas R. A., "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators with Public Policy Recommendations" (May, 2000), http://www.foresight.org/NanoRev/Ecophagy.html

 

 


© 2008 — 2019 «Лаборатория прикладных нанотехнологий»
Разработка и поддержание сайта - seozavr.com