НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ, КЛИНИЧЕСКОЙ ОНКОЛОГИИ И НЕВРОЛОГИИ

29 декабря 1959 г. Ричард Фейнман, профессор Калифорнийского технологического института выступил с исторической лекцией перед Американским физическим обществом. Лекция носила поэтическое название "Как много места там, внизу". Фейнман поставил научную задачу создания искусственных структур на атомном уровне.

Приставка нано - образована от греческого слова - карлик. Её значение - одна миллиардная доля: нанометр - одна миллиардная часть метра. На расстоянии нанометра можно вплотную расположить 10 атомов (приблизительно, конечно). Наномир - это пространство, расположенное на атомарном уровне или на уровне 10 -9 степени. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп (И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров, 2002-2007).

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как "свои" и прикрепляются к их поверхности. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. (Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp). Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований. Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

Наночастицы (фуллерены и дендримеры). Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке. Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение. Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских) применений. Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них: предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул; Наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры; Способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций "гость-хозяин". Так, применение наночастиц серебра и висмута может оказаться полезным при лечении таких заболеваний, как трофические язвы (время заживания раны сокращается в несколько раз (Е.М. Благитко, 2007), гнойном остеомиелите (А.А. Ангельский, 2007), бактериальном вагинозе (Г.В. Башур, 2006, 2007), для лечения различного вида ожоговых ран (В.С. Беспалов, 2005-2007), лор - заболеваний в детском возрасте (Н.А. Воронцова, 2007). Доктор М. Jose Yacamana из The University of Texas at Austin (2007) прямыми экспериментами показал, что наночастицы серебра размером от 1 до 10 нанометров являются эффективными ингибиторами вируса иммунодефицита человека и пригодны для лечения ВИЧ заболеваний. Способы введения наночастиц золота в биологическую ткань также активно изучаются и выявлены порзитивные аспекты их использования для повышения иммунной защиты организма (В.Е. Родимина (2007), А.В. Гегенаевой (2006,2007), Н.А. Державиной, З.М. Гасановой (2007).

Томские ученые (А.Г. Першина 2007) из Сибирского государственного медицинского университета показали влияние о влиянии оксидных ферромагнетиков наноуровня типа MgFe2O4, CoFe2O4 на стабильность фермента Tag полимеразы, что важно для решения вопросов, связанных с проблемой иммобилизации ферментов на наночастицах.

А.П. Колесников с соавт., (2007) доказали иммуноактивные свойства арговита - кластерной формы наночастиц серебра в опытах in vitro. А.Г. Полтавченко с соавт. (2007) примененил кобальтовые наночастицы в качестве маркеров иммунных систем. Возможность создания нанокомпозитов на основе наночастиц серебра и биосовместимых полимеров, например, арабиногалактана, была показана П.Г. Суховым (2007). А.А. Онищука с соавт.(2007) на примере индометацина продемонстрировали, что наночастицы лекарственных веществ, получаемые методом контролируемой сублимации, могут быть использованы для введения препаратов через дыхательные пути, что позволило снизить на несколько порядков дозу препарата для получения того же терапевтического эффекта этого противовоспалительного препарата. Возможности применения наночастиц железа, цинка, меди при заживлении ран описаны Н.Н. Глушенко с соавт., (2007). Бактерицидный эффект наночастиц висмута установил Ю.М. Юхин, Ю.И. Михайлов (2007). Особый интерес представляет большая активность наночастиц висмута к бактериям типа картофельной палочки, что важно не только для медицины, но и для смежных областей, например, для сохранения от порчи зерна при его переработке, что является важной проблемой зернового хозяйства.

Крохотные наночастицы, ведущие себя подобно вирусам, возможно, смогут сделать генную терапию более безопасным и надежным методом лечения. Размер их составляет примерно одну миллиардную часть метра. Они были получены сотрудниками Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) и предназначены для того, чтобы "незамеченными" проскальзывать через заграждения иммунной системы человеческого организма, которая любого чужака воспринимает как врага и стремится его уничтожить. Наночастицам предстоит играть роль своеобразного транспортного средства, "нагруженного" генами или белками, которые необходимо доставить в нужную точку организма человека для того, чтобы "починить" его. В настоящее время доказано, что наночастицы снижают негативное действие радиации на организм. Адам Дикер из американского университета Томаса Джеферсона и компания C Sixty полагают, что фуллерены помогут защищать ткани людей от побочных эффектов воздействия радиации и химиотерапии. Исследователи рассчитали, что параметры электронных оболочек молекулы C60 позволят этому "шару" из атомов углерода эффективно притягивать к себе и нейтрализовывать так называемые активные формы кислорода - один из главных факторов повреждения клеток при лечении пациентов химиотерапией и облучением.