Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
В целях повышения эффективности применяемых косметических средств используют методы физического и химического воздействия на поверхностный слой кожи. Самый простой способ (физический) – удаление омертвевших клеток при помощи скраба. В то же время наука не стоит на месте, и в косметических лабораториях всего мира ученые активно разрабатывают новые высокоэффективные способы трансдермальной (через кожу) доставки лекарственных средств к необходимым участкам лица и всего тела.
Одним из направлений таких исследований и является применение наноразмерных биологических частиц, например на основе липосом. Микроскопический сферический мембранный пузырек был искусственно получен в лабораторных условиях (диаметром 2030 нм) путем добавления водного раствора к фосфолипидному гелю (рис. 77).
Рис. 77. Внешний вид и строение идеальной липосомы для доставки лекарственного вещества в клетку: 1 – полимер для стерической защиты; 2 – «молекулярный адрес» на полимерной ножке (иммуноглобулины); 3 – белки слияния (гемагглютинин); 4 – лекарственное вещество; 5 – липидные положительно заряженные частицы для компактизации ДНК; 6 – мембранообразующие липиды (фосфатидилхолин); 7 – липиды, дестабилизирующие мембрану
Биологически активные вещества, необходимые для регенерации и оздоровления кожи и даже внутренних органов, вводятся во внутренние пространства липосом или других наночастиц (дендримеров, фуллеренов, углеродных нанотрубок), своего рода специальные наноконтейнеры (нанокомплексы). В ядре наночастиц можно разместить широкий набор косметических масел и органических (липофильных) веществ (витамины А, Е и другие антиоксидантные вещества, ультрафиолетовые фильтры и т. д.). Обладая двухмерной структурой вне кожи, сразу после наложения косметического средства на кожу нанокомплексы проникают внутрь, тут же превращаются в трехмерные структуры и образуют структурированную «решетку». Это, по заверениям производителей, приводит к разглаживанию морщин, рубцов, шрамов и повышению эластичности кожи, связыванию свободных радикалов и защите кожи. Благодаря особым биологическим механизмам нанокомплексы выводят токсины из глубинных слоев кожи.
Достоинством липосом является их свойство переноса и защиты
Рис. 78. Строение молекулы фосфолипида. Х – различные гидрофильные химические группы
Основой для создания полимерных наночастиц, которые более совместимы с биологической структурой кожи, являются полимолочная и полигликолевая кислоты, полиэтилен-гликоль (ПЭГ), поликапралактон и др., а также их различные сополимеры. Поэтому липосомы, покрытые ПЭГ («липосомы-невидимки»), менее подвержены биодеградации (разрушению), вследствие чего обладают более длительным (пролонгированным) эффектом воздействия. Защитная оболочка такого наноконтейнера напоминает клеточную мембрану, а весь пузырек похож на клеточную органеллу.
Следует отметить не только косметические свойства применяемых наночастиц, но и потенциально высокое значение, которое может иметь их медицинское применение.
Один из классиков биофизики, гелио– и космобиологии, а также космической эпидемиологии, объясняющих процессы в биосфере Земли под воздействием Солнца и Космоса, Александр Леонидович Чижевский (1897–1964) еще в 1931 году в своей работе «Земное эхо солнечных бурь» [18] писал: «Введение в организм даже мельчайших доз того или иного вещества может обусловить то или иное направление функций отдельных его органов. Очень часто мы видим огромный физиологический эффект введения в организм таких ничтожных количеств того или иного действующего агента, которые не поддаются определению ни на меру, ни на вес…».
Использование в медицине специальных наночастиц в качестве носителей биологически активных молекул лекарственных средств позволит эффективно преодолевать различные барьеры организма, которые эти вещества не способны преодолевать самостоятельно (кожный, гематоэнцефалический), что в значительной степени изменит характер и эффективность действия препарата.
Липосомы могут свободно проникать непосредственно в живые клетки и поэтому используются для введения относительно токсичных лекарственных веществ только в пораженные болезнью участки организма, где оказывают максимальное, но не объемное, а местное лечебное воздействие. Например, при введении в кровь больного липосом, содержащих лекарственное средство метотрексат, реализуется следующий терапевтический механизм воздействия. Пораженные злокачественными клетками ткани имеют повышенную температуру, поэтому, когда липосомы проходят через кровеносные сосуды этих органов, их оболочка разрушается, и содержащееся внутри липосом вещество проникает в пораженные участки.
При этом трансдермальная доставка лекарственных средств, по сравнению с введением через кровяное русло, обеспечивает уменьшение нежелательных побочных эффектов, позволяет снизить эффективную дозу препарата за счет существенного повышения его локальной концентрации.
Для препаратов, вводимых в организм перорально (через рот) или в результате инъекции, концентрация в тканях больного увеличивается во времени по экспоненциальной зависимости. Применение же наночастиц обеспечивает равномерное увеличение концентрации препарата во времени, что позволяет более точно планировать дозировку и значительно продлить период действия препарата.
При этом металлические наночастицы, по заверениям производителей, даже более эффективны, чем липосомы. Металлические наночастицы (фуллерены, углеродные нанотрубки) более стабильны (то есть обладают низкой степенью окисления-разрушения) и могут проникнуть в глубокие слои кожи. Они эффективно проникают вглубь эпидермиса и обеспечивают доставку большего количества активных ингредиентов, чем липосомы.
По оценке основателя консалтинговой компании в области нанотехнологий CMP Cientifica Тима Харпера (Tim Xarper), уже к 2012 году общий оборот рынка нанотехнологической фармацевтики составит около 3,2 трлн долларов США.
В настоящее время ведутся достаточно интенсивные исследования по разработке методов доставки лекарственных наночастиц через волосяные фолликулы. Этот путь очень перспективен и эффективен, так как в области фолликулов находится не только скопление иммунных клеток, но и обнаружены стволовые клетки. Данный факт, возможно, позволит повысить эффективность лечебного воздействия наночастиц не только при кожной иммунизации, но и при направленной дерматотерапии и лечебном воздействии на весь организм.
Кстати, возникает вопрос: могут ли нанотехнологии стать альтернативой стволовым клеткам, применение которых столкнулось с вопросами этики?
Так вот, на мой взгляд, большинство противников исследований стволовых клеток лично никогда не сталкивались с проблемами, которые эти исследования могут в перспективе решить (или хотя бы позволить приблизиться к их решению), – наследственными и врожденными дефектами развития, а также многими неизлечимыми болезнями: детским церебральным параличом (ДЦП), болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и др. Зато политические противники – премьер-министр Великобритании Гордон Браун и лидер оппозиции Дэвид Камерон – согласованно высказались за продолжение исследований в этой области, потому что сами воспитывают тяжелобольных детей, и для них это не этический вопрос, а вопрос жизни или смерти. У нанотехнологий противников не меньше – в той же самой Англии, например принц Чарльз. Но оба этих направления не являются альтернативными. Скорее, они дополняют друг друга.
В средствах массовой информации было опубликовано печальное известие – умер тяжелобольной шестилетний сын Дэвида Камерона – Айван. Стоит надеяться, что взаимно дополняющее развитие медицинских нанотехнологий и совершенствование методик применения стволовых клеток может позволить в будущем дать таким же безнадежно больным детям и вообще людям шанс не только жить, но и стать полноценными членами человеческого общества.
Директор Лаборатории нанофотоники (Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Райса в Хьюстоне Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами – наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляются специальные белки – антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.
Уникальная нанотехнология была успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.
Аналогичные исследования в данной области ведет австралийская фирма pSivida. Она изобрела новый способ точной дозированной поставки лекарства к раковой опухоли. Препарат BrachySil вводится в опухоль. Он содержит лекарство, убивающее раковые клетки. Однако самое сложное в подобных способах терапии – точная дозировка и постепенное (в течение многих дней) введение лекарства в организм. В противном случае эффект может быть обратным желаемому. BrachySil – это комплекс высокопористых кремниевых наночастиц (размер пор – 10 атомов). В его поры помещен действующий препарат, а также определенное количество изотопа фосфора-32 (период полураспада – 14 дней). Фосфор служит для регулировки разложения кремния, во время которого в опухоль и выпускается препарат. Вся технология базируется на том, что кремний в форме частиц нанометрового размера, в отличие от более крупных фрагментов, полностью перерабатывается организмом человека так же, как кремниевая кислота, содержащаяся в пище.
По заявлению ученых из университета штата Миссури (Колумбия, США), так как все человеческие болезни возникают на уровне клетки, «биологически совместимые зеленые и золотые наночастицы могут использоваться при диагностировании и даже лечении раковых и офтальмологических заболеваний».
Марк Гринстафф (Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран.
Исследователи из Гонконгского университета – профессора Ратледж Эллис-Бенке (Rutledge Ellis-Behnke) и Геральд Шнайдер (Gerald Schneider) дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.
«Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», – заявил профессор Эллис-Бенке.
Встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30 % от общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50 % и составить 15 млн человек в год.
Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 80 лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже, особенно у мужчин, продолжительность жизни которых, по некоторым данным, – всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения.
Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышей и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа (Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета (Northwestern University) в Эванстоне (Иллинойс, США). Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.
Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и препараты ей не вводили. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы сердце восстановилось практически полностью и функционировало так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и подтверждены на подопытных кроликах.
В настоящее время для развития и коммерциализации своего изобретения доктор Стапп создал компанию Nanotope.
Преимущества медицинской нанотехнологии над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в организме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.
Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления рассеченной мышиной печени. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.
Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.
В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998–2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологий создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.
Пломбировочные нанокомпозитные материалы нашли широкое применение в отечественной стоматологии для лечения и реставрации зубных дефектов. На российском рынке такие препараты представлены следующими наиболее известными компаниями (препаратами) в области производителей стоматологических материалов, в основном из США и Германии: Kerr (Herculite XRV Ultra), Heraeus Kulzer (Charisma OPAL), VOCO GmbH (Grandio Flow), Vivadent Ivoclar (Tetric N-Ceram), 3M.ESPE (Filtek Supreme XT) и др.
Особенность разработки таких нанокомпозиционных препаратов заключается в усовершенствовании состава и строения наполнителя за счет введения в его состав так называемых нанокластеров. Для этого дополнительно к достаточно крупному предварительно полимеризированному наполнителю (PPF) на основе композиционной смолы (размером около 0,7 мкм) и бариевого стекла (с размерами 0,4 мкм) вводится наполнитель на основе наночастиц диоксида кремния размером около 20–50 нм (рис. 79).
Рис. 79. Структура наногибридного композиционного материала: 1 – предварительно полимеризированный наполнитель (около 0,7 нм); 2 – наполнитель на основе бариевого стекла (0,4 мкм); 3 – наполнитель на основе диоксида кремния (20–50 нм)
Изолированные друг от друга неагломерированные частицы значительно повышают содержание наполнителя в материале (по объему – 71,4 %, по весу – 87 %). При этом увеличение содержания наполнителя и снижение его дисперсности до нанометрического размера обеспечивают:
• высокие прочностные (антиизносные) свойства (высокая долговечность);
• снижение полимеризационой усадки;
• превосходную полируемость;
• повышение эстетических свойств и светостабильности.
Кроме того, нанокомпозиционные материалы обеспечивают оптимальный баланс рабочих характеристик (свойств) материала: снижение объема полимеризационной матрицы; низкую прилипаемость материала к инструменту; легкость моделирования (формирования и пакуемости при реставрации зубов) и другие преимущества по сравнению с обычными материалами.
К сожалению, в этой области главенствующую роль занимают импортные материалы, хотя появляются и отечественные аналоги, а также собственные разработки.
Можно привести множество других примеров, подтверждающих, что в целом российская медицина имеет все потенциальные возможности для широкого внедрения нанотехнологий как зарубежных, так и отечественных производителей.
Например, российская компания ООО «РА» разработала аппарат для мембранного лечебного и/или донорского плазма-фереза и гемосорбции АМПлд-ТТ «ГЕМОФЕНИКС» и плазмо-фильтр «РОСА» на основе новейших мембранных технологий.
Плазмаферез является не только высокоэффективным, но и наиболее физиологичным, безопасным, доступным и относительно недорогим методом лечения. Разработанное оборудование предназначено для устранения последствий воздействия на организм человека отрицательных токсических факторов. Клинические исследования показали высокую эффективность применения данного оборудования в терапии многих острых, хронических и профессиональных заболеваний, в акушерстве и гинекологии, перинатологии, онкологии, хирургии, педиатрии, в лечении наркомании и алкоголизма, медицине катастроф, при массовых отравлениях.
Академик Российской академии медицинских наук (РАМН), главный акушер-гинеколог России Владимир Николаевич Серов высоко оценивает роль экстракорпоральных методов в комплексной терапии акушерских осложнений, эфферентной терапии в оказании медицинской помощи беременным, роженицам, новорожденным.
Не только ведущие специалисты из 94 лечебных учреждений страны, но и зарубежные ученые-медики подтвердили эффективность методики лечебного мембранного плазмафереза в оказании медицинской помощи. При этом отмечается, что отечественные медицинские учреждения остро нуждаются в установке такого оборудования для экстракорпоральных методов лечения.
Медицинские нанотехнологические исследования также развиваются стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей.
В средствах массовой информации рассказывается об исследовании так называемых реликтовых бактерий, относящихся к плейстоценовому периоду (возраст 30–35 тыс. лет), которые были обнаружены при бурении арктических скважин и прекрасно сохранили свою жизнеспособность.
Исследования, проведенные в научно-образовательном центре «Биокосные системы криосферы Земли» Тюменского государственного нефтегазового университета на опытных мышах, показали, что эти бактерии способны наделять организмы млекопитающих своей уникальной жизнестойкостью.
По словам доктора медицинских наук, профессора, заместителя председателя президиума Тюменского научного центра СО РАН Юрия Геннадьевича Суховея, уже прошли успешные исследования влияния препаратов, выделенных из этих реликтовых бактерий, на теплокровных животных. В результате подопытные мыши, которые должны были бы давно умереть, прекрасно ориентируются в пространстве, мышечная сила у них увеличилась в 5-10 раз, при этом они продолжают интенсивно размножаться.
В настоящее время готовится переход на клинические исследования влияния разработанных препаратов на человеческий организм. Для восстановления, заживления и регенерации тканей будут созданы особые гели и мази, для других целей – инъекции или специальные биостимуляторы.
Если к нанотехнологиям отнести эти и подобные исследования, а также достижения в генной инженерии, результаты вообще окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги, которую должны выпустить специалисты в данной области.
Как уже отмечалось ранее, к медицинским нанотехнологическим исследованиям и созданию нового лабораторного и клинического оборудования на основе нанотехнологий также необходим комплекс мероприятий по привлечению молодых специалистов и повышению квалификации (обучению) уже работающего персонала клиник и больниц.
При этом, конечно, нельзя говорить о том, что у нас в стране полностью отсутствуют высшие учебные заведения, где уже готовятся медицинские кадры в области нанотехнологий. Таких вузов более десятка, и их количество постоянно увеличивается.Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство
Не будем слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она мстит нам.
Фридрих Энгельс, экономист, философ
Следует отметить, что мир населен самыми разными (биологического и небиологического вида) объектами наноразмерного уровня (не более 100 нм хотя бы в одном измерении). В основном, все они достаточно недружественны для нашего организма. К ним относятся и вирусы, и обыкновенная сажа, присутствующая в отработавших газах дизельных двигателей, и наночастицы износа автомобильных шин, и даже обыкновенная нить паутины, представляющая собой жгут из множества переплетенных нановолокон.
Многие специальные медицинские исследования выявили, что наночастицы с размерами, позволяющими им достигать наиболее чувствительных тканей легких, вызывают воспаление. Так, Джон Джеймс (John James) из Космического центра Джонсона (Johnson Space Center) NASA в Хьюстоне и его коллеги вводили наночастицы в дыхательные пути мышей и затем наблюдали за ними в течение трех месяцев. Фуллерены не вызывали явных повреждений тканей, но углеродные нанотрубки влияли на работу легких и провоцировали смерть нескольких животных.
Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон (Hanna Karlsson), ученая из Karolinska Institutet (Швеция). По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы из автомобильных выхлопов. Исследование показало, что воздух в метро наполнен частицами железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, в результате чего в клетках организма образуются свободные радикалы. Свободные радикалы – это быстро-движущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает Карлссон, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.
Нанотехнологии несут в себе ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды (EPA), NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру (ETC Group) в результате совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры стенок и накапливаться в органах.
Поэтому при работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.
Аналогичные частицы возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.
В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.