Уважаемые пользователи! Все материалы на сайте являются переводами с других языков. Извиняемся за качество текстов, но надеемся, что они принесут Вам пользу. Администрация сайта. Обратная связь: webmaster@clearbody.org

Нанотехнологии в медицине: огромный потенциал, но каковы риски?

Нанотехнология, манипулирование веществом в атомном и молекулярном масштабе для создания материалов с удивительно разнообразными и новыми свойствами, является быстро расширяющейся областью исследований с огромным потенциалом во многих секторах — от здравоохранения до строительства и электроники. В медицине он обещает революционизировать доставку лекарств, генную терапию, диагностику и многие области исследований, разработок и клинического применения.

В этой статье не делается попытка охватить всю область, но предлагает, с помощью некоторых примеров, несколько сведений о hownanotechnology может изменить медицину как в исследовательской лаборатории, так и в клиническом плане, затрагивая некоторые из проблем и проблем, которые она повышается.

Что такое нанотехнология?

Префикс «нано» происходит от древнегреческого слова «карлик». В науке это означает один миллиард (от 10 до минус 9) чего-то, поэтому нанометр (нм) составляет одну миллиардную часть метра, или 0,000000001 метров. Нанометр составляет около трех-пяти атомов в ширину, или в 40 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Обычно вирус составляет 100 нм.

Способность манипулировать структурами и свойствами в наномасштабе в медицине — это как субмикроскопическая лабораторная скамейка, на которой вы можете обрабатывать компоненты клеток, вирусы или фрагменты ДНК, используя ряд крошечных инструментов, роботов и тюбиков.

Учёная рука с молекулярной моделью графитовой сферы

Манипулирование ДНК

Терапии, которые связаны с манипуляцией отдельными генами или молекулярными путями, которые влияют на их экспрессию, изучаются в настоящее время как возможность лечения заболеваний. Одной из наиболее востребованных целей в этой области является способность к искусственному лечению в соответствии с генетическим составом отдельных пациентов.

Это создает потребность в инструментах, которые помогают ученым экспериментировать и разрабатывать такие методы лечения.

Представьте себе, например, возможность растянуть участок ДНК, как нить спагетти, чтобы вы могли исследовать или работать на ней, или создавать нанороботы, которые могут «ходить» и выполнять ремонт внутри компонентов клетки. Нанотехнология приближает этот научный путь к реальности.

Например, ученым из Австралийского национального университета удалось прикрепить покрытые латексные шарики к концам модифицированной ДНК, а затем, используя «оптическую ловушку», включающую сфокусированный луч света для удержания бусинок на месте, они растянули цепь ДНК в для изучения взаимодействия специфических связывающих белков.

Наноботы и Нанораторы

В то же время химики из Нью-Йоркского университета (NYU) создали наноразмерный робот из фрагментов ДНК, который проходит на двух ногах, длиной всего 10 нм. В статье 2004 года, опубликованной в журнале «Nano Letters», они описывают, как их «нанонасектор», с поддержкой молекул псоралена, прикрепленных к концам ног, предпринимает первые детские шаги: две вперед и две назад.

Один из исследователей, Нед Симан, сказал, что он предполагает, что будет возможно создать производственную линию с молекулярной массой, где вы перемещаете молекулу вдоль области до нужного места, а нанобот немного химизирует на ней, скорее, как «пятно «Сварка» на сборочной линии акара. Лаборатория Seeman в NYU также надеется использовать ДНК-нанотехнологию для создания биочипового компьютера и выяснить, как биологические молекулы кристаллизуются, область, которая в настоящее время чревата проблемами.

Работа, которую проводит Симан и коллеги, является хорошим примером «биомиметики», где с помощью нанотехнологий они могут имитировать биологические процессы в природе, такие как поведение ДНК, для разработки новых методов и, возможно, даже улучшения.

Нанозоты на основе ДНК также создаются для лечения раковых клеток. Например, исследователи из Гарвардской медицинской школы в США сообщили недавно в Science, как они сделали «наноробот оригами» из ДНК для транспортировки молекулярной полезной нагрузки. Нанобот в форме ствола может переносить молекулы, содержащие инструкции, которые ведут к тому, что клетки ведут себя определенным образом. В своем исследовании команда успешно демонстрирует, как именно молекулы, которые вызывают самоубийство клеток в клетках лейкемии и лимфомы.

Наноботы из других материалов также находятся в разработке. Например, золото является исследователями материалов в Северо-западном университете, чтобы сделать «наностары», простые, специализированные, звездообразные наночастицы, которые могут доставлять лекарства непосредственно в ядра раковых клеток. В восходящей бумаге в журнале ACS Nano они описывают, как наностеры, заряженные наркотиками, ведут себя как крошечные автостопщики, которые после того, как они притягиваются к чрезмерно выраженному белку на поверхности раковых клеток шейки матки и яичника человека, депонируют их полезную нагрузку в ядрах этих клеток ,

Исследователи обнаружили, что их нанобот в форме звезды помог преодолеть одну из проблем использования наночастиц для приема лекарств: как правильно выпускать лекарства. Говорят, что форма помогает сосредоточить световые импульсы, используемые для высвобождения лекарств точно в точках звезды.

Нанофактории, которые делают наркотики на месте

Ученые обнаруживают, что препараты на основе белка очень полезны, потому что они могут быть запрограммированы для доставки определенных сигналов на клетки. Но проблема с обычной доставкой таких препаратов заключается в том, что организм разбивает большинство из них до того, как они достигнут своего места назначения.

Но что, если бы можно было производить такие препараты на месте, прямо на целевом сайте? Ну, в недавнем выпуске NanoLetters, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США показывают, как это возможно сделать именно это. В доказательстве принципиального исследования они демонстрируют возможность самосборки «нанофакторов», которые делают белковые соединения по требованию на целевых объектах. До сих пор они тестировали идею у мышей, создавая наночастицы, запрограммированные для получения либо зеленого флуоресцентного белка (GFP), либо люциферазы, подвергнутого воздействию УФ-излучения.

Команда MIT придумала эту идею, пытаясь найти способ атаковать метастатические опухоли, те, которые растут из раковых клеток, которые мигрировали из исходного сайта в другие части тела. Более 90% смертей от рака связаны с метастатическим раком. В настоящее время они работают над наночастицами, которые могут синтезировать потенциальные лекарственные препараты, а также другие способы их включения.

Исследователь, работающий с оптическим прибором в лаборатории нанотехнологий.

Нановолокна

Нановолоконными волокнами являются волокна с диаметром менее 1000 нм. Медицинские применения включают специальные материалы для раневых повязок и хирургического текстиля, материалы, используемые в имплантатах, тканевой инженерии и компонентах искусственных органов.

Нанофибры, изготовленные из углерода, также обещают медицинскую визуализацию и точные научные измерительные инструменты. Но есть огромные проблемы, которые нужно преодолеть, одним из главных является то, как сделать их неизменно правильными. Исторически сложилось так, что это было много времени и времени.

Но в прошлом году исследователи из Университета штата Северная Каролина показали, как они разработали новый метод получения углеродных нановолокон определенных размеров. Написав в ACS Applied Materials & Interfaces в марте 2011 года, они описывают, как им удалось выращивать углеродные нановолокна одинаковой по диаметру, используя наночастицы никеля, покрытые оболочкой из лигандов, небольшие органические молекулы с функциональными частями, которые непосредственно связаны с металлами.

Никелевые наночастицы особенно интересны тем, что при высоких температурах они способствуют росту углеродных нановолокон. Исследователи также обнаружили, что есть еще одно преимущество в использовании этих наночастиц, они могут определять, где растут нановолокна, и путем правильного замещения наночастиц они могут вырастить нановолокна в желаемом конкретном шаблоне: важной особенностью полезных наноматериалов.

Свинец — это еще одно вещество, которое находит применение в качестве нановолокна, настолько, что будущий нейрохирург Мэтью МакЭван, который изучает в Школе медицины Вашингтонского университета в Сент-Луисе, начал свою собственную компанию наномедицины, нацеленную на революцию используемой хирургической сетки в действующих театрах по всему миру.

Продукт свинца представляет собой синтетический полимер, содержащий отдельные нити нановолокон, и был разработан для восстановления повреждений головного и спинального мозга, но Макэван считает, что он также может использоваться для исправления грыж, свищей и других травм.

В настоящее время хирургические сетки, используемые для восстановления защитной мембраны, которая покрывает мозг и спинной мозг, изготовлены из толстого материала с твердым материалом, с которым трудно работать. По словам Макевана, свинцовая нановолоконная сетка более тонкая, более гибкая и более склонна к интеграции с собственными тканями организма. Каждая нить сетки из нановолокон в тысячи раз меньше диаметра одной ячейки. Идея состоит в том, чтобы использовать материал нановолокон не только для облегчения операций хирургов, но также и для пациентов с меньшими затратами, потому что он со временем естественным образом разрушается.

Исследователи из Политехнического института Нью-Йоркского университета (NYU-Poly) недавно продемонстрировали новый способ получения менанофабрикатов из белков. Написав недавно в журнале Advanced Functional Materials, исследователи говорят, что они пришли к их нахождению практически случайно: они изучали некоторые цилиндрические белки, полученные из хряща, когда они отмечали, что в высоких концентрациях некоторые из белков спонтанно собрались вместе и собрались самостоятельно intonanofibers.

Они проводили дальнейшие эксперименты, такие как добавление распознающих металл аминокислот и различных металлов, и обнаружили, что они могут контролировать образование волокон, изменять его форму и как они связаны с малыми молекулами. Например, добавление никеля трансформировало волокна в клонированные маты, которые можно было использовать для инициирования высвобождения присоединенной молекулы лекарственного средства.

Исследователи надеются, что этот новый метод значительно улучшит доставку лекарств для лечения рака, сердечных заболеваний и болезни Альцгеймера. Они также могут видеть применение в регенерации человеческой ткани, кости и хряща и даже в качестве способа разработки более мощных микропроцессоров для использования в компьютерах и бытовой электронике.

молекулярная
Схематическая иллюстрация, показывающая, как наночастицы или другие противораковые лекарственные средства могут использоваться для лечения рака. Эта иллюстрация была сделана для Справочника по нанонауке и нанотехнологиям Opensource

Что из будущего и проблем окружает наноматериалы?

В последние годы произошел взрыв в числе исследований, показывающих разнообразие медицинских применений нанотехнологий и наноматериалов. В этой статье мы увидели лишь небольшое поперечное сечение этого обширного поля. Тем не менее, по всему диапазону, thereexist представляет собой значительные проблемы, из которых наибольшим из них, как представляется, является расширение производства материалов и инструментов, а также то, как снизить затраты и сроки.

Но еще одна проблема заключается в том, как быстро обеспечить доверие общественности к тому, что эта быстро расширяющаяся технология безопасна. И пока неясно, будет ли это сделано.

Есть те, кто предлагает опасения по поводу нанотехнологий, которые могут быть чрезмерно преувеличены. Они указывают на то, что только потому, что материал является наноразмерным, это не значит, что это опасно, действительно, наночастицы были вокруг с момента рождения Земли, например, естественным путем в вулканическом пепле и морском брызге. Как побочные продукты человеческой деятельности, они присутствовали в каменном веке, в дыме и саже.

Попытки исследовать безопасность наноматериалов, Национальный институт рака в США говорит, что в окружающей среде присутствует так много многообразных частиц, что они «часто на порядок выше, чем обрабатываемые частицы». Во многих отношениях они отмечают, что «большинство разработанных наночастиц гораздо менее токсичны, чем продукты для домашней уборки, инсектициды, используемые для домашних животных, и внебиржевые средства от перхоти», и это, например, при их использовании в качестве носителей химиотерапии при лечении рака , они гораздо менее токсичны, чем наркотики, которые они несут.

Возможно, что в пищевой отрасли мы наблюдаем некоторые из самых больших расширений наноматериалов на коммерческом уровне. Хотя количество продуктов, содержащих наноматериалы, по-прежнему невелико, оно, похоже, изменится в течение следующих нескольких лет по мере развития технологии. Наноматериалы уже используются для снижения уровня жира и сахара без изменения вкуса или для улучшения упаковки, чтобы держать пищу более свежей дольше или говорить потребителям, если еда испорчена. Они также используются для увеличения биодоступности питательных веществ (например, в пищевых добавках).

Но есть также заинтересованные стороны, которые подчеркивают, что в то время как темпы исследований ускоряются, а рынок для наноматериалов представляет собой недостаточно, делается попытка обнаружить их токсикологические последствия.

Это было мнение комитета по науке и технике Палаты лордов британского парламента, который в недавнем докладе о нанотехнологиях и пищевых продуктах вызвал ряд опасений по поводу наноматериалов и здоровья человека, в частности, риск, связанный с заложенными наноматериалами.

Например, одна область, относящаяся к комитету, — это размер и исключительная мобильность наночастиц: они достаточно малы, если они попадают внутрь, чтобы проникать через клеточные мембраны подкладки кишечника с возможностью доступа к мозгу и другим частям тела , и даже внутри ядер клеток.

Другим является растворимость и стойкость наноматериалов. Что происходит, например, с нерастворимыми наночастицами? Если они не могут быть разбиты и переварены или деградированы, существует ли опасность их накопления и повреждения органов? Считается, что наноматериалы, содержащие неорганические оксиды и металлы металлов, наиболее подвержены риску в этой области.

Кроме того, из-за их высокого отношения площади поверхности к массе наночастицы являются высокореактивными и могут, например, запускать еще неизвестные химические реакции или связывание с токсинами, позволяют им вводить клетки, которые в противном случае они не имели бы доступа.

Например, с их большой площадью поверхности, реакционной способностью и электрическим зарядом наноматериалы создают условия для того, что обозначено как «агрегация частиц» из-за физических сил и «агломерации частиц» из-за химических сил, так что отдельные наночастицы объединяются, образуя более крупные. Это может привести не только к значительно более крупным частицам, например, к гитантам внутри клеток, но также может привести к дезагрегации скоплений наночастиц, что может радикально изменить их физико-химические свойства и химическую реактивность.

«Такие обратимые явления усиливают сложность понимания поведения и токсикологии наноматериалов», — говорит комитет, общий вывод которого заключается в том, что ни правительство, ни исследовательские советы не уделяют достаточно внимания исследованиям безопасности нанотехнологий, особенно «учитывая тот факт, что продукты, содержащие наноматериалы могут быть разработаны ».

Они рекомендуют гораздо больше исследований, чтобы «обеспечить, чтобы нормативные меры могли эффективно оценивать безопасность продуктов до их разрешения на рынок».

Таким образом, представляется, что, будь то фактический или предполагаемый, потенциальный риск, который нанотехнология представляет для здоровья человека, должен быть исследован и, как видно, будет исследован. Большинство наноматериалов, как предлагает NCI, вероятно, окажется безвредным.

Но когда технология быстро развивается, знания и коммуникация в отношении ее безопасности должны идти в ногу с тем, чтобы ее можно было использовать, особенно если она также должна обеспечивать общественное доверие. Нам нужно только посмотреть, что произошло, и в какой-то степени все еще происходит, с генетически модифицированной пищей, чтобы понять, как это может пойти плохо.

Автор: Catharine Paddock PhD

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: