Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

РГУ Нефти и Газа имени И. М. Губкина

Факультет инженерной механики

Кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности

Реферат

по дисциплине «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли»

на тему: «Нанотехнологии в регенеративной медицине (тканевой инженерии)»

Выполнила: Горбачева Д.О.,

ст. гр. ТММ-10-12

Проверил: Ходкевич Д.Д.

Москва

2011 г.

Содержание

• 1. Что такое тканевая инженерия?
• 2. Капилляры для тканевой инженерии
• 3. Нанотехнологии в медицине сегодня
• 3.1 Нанопрепараты в онкологии
• 3.2 Нанопрепараты в неврологии
• 3.3 Нанопрепараты в иммунологии
• 3.4 Наноматериалы
• 3.5 Наночастицы (фуллерены и дендримеры).
• 3.6 Наноинструменты и наноманипуляторы


1. Что такое тканевая инженерия?

Тканевая инженерия, как дисциплина, начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для её основания послужили теоретические и практические разработки по созданию «искусственных» органов и тканей, и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма.

В настоящее время тканевая инженерия является одной из наиболее молодых отраслей в медицине, базирующейся на принципах молекулярной биологии и генной инженерии. Используемый в ней междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биокомпозиционных материалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом.

Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградирующих материалов, которые используются в сочетании либо с донорскими клетками, либо с биоактивными веществами. Например, при лечении раневого процесса - это могут быть коллагеновые покрытия с аллофибробластами, а в сосудистой хирургии - искусственные сосуды с антикоагулянтами. Кроме того, одним из серьезных требований к такого рода материалам-носителям является и то, что они должны обеспечивать надежную поддерживающую, то есть опорную и структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.

Следовательно, одной из основных задач тканевой инженерии в области лечения костных патологий является создание искусственных биокомпозитов, состоящих из ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факторы роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез.

При этом такие биоматериалы должны обладать рядом необходимых свойств кости:

- выполнять и поддерживать объем дефекта;

- обладать остеоидуктивностью, то есть активно побуждать остеобласты и, возможно, другие мезенхимальные клетки к формированию кости;

- иметь хорошие показатели биоинтеграции и биосовместимости, то есть быть деградируемыми и не вызывать у рецепиента воспалительных и иммунных реакций. Последнее качество обычно достигается в биоматериале только за счет снижения его антигенных характеристик.

Совокупность всех этих свойств позволяет таким биоматериалам параллельно с опорной, механической функцией, обеспечивать и биоинтеграцию - врастание клеток и сосудов в структуры имплантата с последующим формированием костной ткани. http://www.stomport.ru/articlepro_show_id_66

2. Капилляры для тканевой инженерии

Ученые Университета Райса и Медицинского колледжа Бэйлора разрушили одно из основных препятствий на пути к выращиванию в лабораторных условиях тканей для трансплантации. Они нашли способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры, необходимые для поддержания жизни тканей.

«Невозможность васкуляризации - образования сосудистой сети - в выращенных в лабораторных условиях тканях является главной проблемой сегодняшней регенеративной медицины», - говорит ведущий соавтор статьи, профессор биоинженерии и заведующий кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест. «Если нет кровоснабжения, невозможно получить структуру ткани толще нескольких сотен микрон».

В качестве базового материала группа исследователей во главе с Вест и молекулярным физиологом Мэри Дикинсон выбрала полиэтиленгликоль - нетоксичный пластик, широко используемый в медицинских устройствах и пищевой промышленности. Основываясь на 10-летнем опыте работы лаборатории, ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма - сеть белков и полисахаридов, составляющую значительную часть большинства тканей.

Вест, Дикинсон и их коллеги соединили модифицированный полиэтиленгликоль с двумя видами клеток, оба из которых необходимы для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. Пометив оба типа клеток различными флуоресцентными маркерами, ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе мягкого пластичного геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных сосудов, ученые имплантировали гидрогель в роговицу глаза мышей, где отсутствует естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило существование нормального кровотока во вновь образовавшихся капиллярах.

Другим ключевым достижением является разработка новой технологии, названной «двухфотонной литографией» - сверхчувствительного метода использования света для создания сложных трехмерных структур в мягких PEG-гидрогелях. Вест считает, что эта технология позволит инженерам осуществлять тонкий контроль над тем, где растут и куда перемещаются клетки. В дальнейших экспериментах, также в сотрудничестве с лабораторией Дикинсон, Вест и ее группа планируют использовать свой метод для выращивания в гелевых матрицах сосудистой сети с заранее определенной, а не случайно сформированной структурой. http://www.vechnayamolodost.ru/pages/stvolovyekletki/kadti3d.html

3. Нанотехнологии в медицине сегодня

Зачем медицине нанотехнологии? «Поскольку основной объект воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую - макромолекулы, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона». Для медицины наноразмеры - это все, что меньше 1 мкм, получается, что это понятие в медицине несколько менее строгое, чем в физике или химии. Важно, чтобы нанообъект проходил через поры капилляров размеров 100-200 нм.

При переходе к этим размерам объект приобретает качественно новые свойства. Именно этим и отличаются лекарственные нанопрепараты. Под этим словом понимают лекарства, молекулы которых упакованы в наноконтейнеры, например, липосомы. В таком «упакованном» виде они поступают в организм, достигают органов и клеток-мишеней, высвобождают лекарство и распадаются на безопасные части, которые организм покидают.

В липосомном виде увеличивается растворимость многих лекарственных веществ, что крайне важно для их действия. Уменьшается токсичность, поскольку действующее вещество защищено липосомной оболочкой. Поэтому лекарство действует только тогда, когда достигает клетки-мишени, никак не раньше, и по пути не деградирует, а доходит в активной форме. Все это позволяет снизить эффективную дозу лекарства, что особенно существенно, например, для онкологических больных, получающих химиотерапию.

В основе прицельной доставки нанопрепаратов к мишеням лежат два основных механизма. Во-первых, они обладают свойством пассивного нацеливания. В районе воспаления в капиллярах расширяются поры, и липосомы проходят как раз через эти поры, то есть, попадают именно туда, куда нужно. Но можно организовать еще и активный транспорт, присоединяя к наночастице "молекулярный адрес" к рецепторам на мембранах клеток-мишеней. Все эти свойства проверены на нанопрепаратах, которые разработаны на кафедре биотехнологии МИТХТ и либо уже применяются, либо проходят испытания.

3.1 Нанопрепараты в онкологии

В Харькове производят липосомный доксорубицин ("Липодокс") - препарат для химиотерапии рака. Показано, что его липосомная форма действует в несколько раз эффективнее, чем просто раствор.

В препарате бетулиновой кислоты, которая действует против меланомы, липосомная форма существенно повышает растворимость, а еще лучше растворяется вещество в форме нанокристаллов.

3.2 Нанопрепараты в неврологии

Разработана и липосомная форма противопаркинсонической субстанции ДОФА. В крови ДОФА быстро деградирует, так что только 20% введенного лекарства достигает гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Липосомы, помимо всего прочего, облегчают прохождение вещества через ГЭБ. При применении липосомной формы ДОФА эффективную дозу можно уменьшить в 10 раз, а продолжительность действия лекарства в два-три раза увеличивается. Липосомы позволяют использовать для лечения дофамин. Это именно то, чего не хватает клеткам мозга при болезни Паркинсона, но без липосом он не оказывает никакого эффекта.

На мышах показано, что при введении липомосной формы дофамина концентрация его в мозжечке почти достигает уровня здоровых животных.

Еще один нанопрепарат - липосомный баларпан, который восстанавливает роговицу при кератинопатии. На кроликах проверено, что при использовании липосомной формы прочность рубца на зажившей роговице в пять раз больше.

3.3 Нанопрепараты в иммунологии

Уже существует липосомный препарат из тритерпеноидов бересты. Экстракт березовой коры обладает большим набором биологической активности: антиоксидантной, иммуномодулирующей, антимутагенной и пр. Из этого экстракта изготовили наночастицы, которые взаимодействуют с иммунными клетками.

Разработаны нанопрепараты, два из которых производятся промышленно: Липин (противогипоксический препарат), Лиолив (гепатопротекторный препарат).

Клинические испытания проходят два противоопухолевых препарата: Цисплатин и Фторурацил.

Начинаются клинические испытания трех препаратов: Антилипошок (антигеморрагический), Баларпан (ранозаживляющий), Хлорофилипт (противовоспалительный).

Биологические испытания проходят: Аминофосфатид (против гемолитической болезни новорожденных), Бетусом (антимеланомный), Фотосом (противоопухолевый), Рифамицин и Изоцианид (противотуберкулезные).

Наночастицы также могут использоваться, чтобы стимулировать врожденные механизмы регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками.

Одним из направлений быстрого внедрения достижений медицинских нанотехнологий является интеграция их с новыми клеточными технологиями. Эти технологии заняли важное место в клинической медицине. http://www.onkology.ru/page,3,nano.html

3.4 Наноматериалы

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близко 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. 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.

нанотехнология регенеративная медицина фуллерен

3.5 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.

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), гнойный остеомиелит, бактериальный вагиноз, для лечения различного вида ожоговых ран.

Эксперименты показали, 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 позитивные аспекты их использования для повышения иммунной защиты организма.

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.

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.

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (около 1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный
Р. Фрейтасом респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов).

3.6 Наноинструменты и наноманипуляторы

Использование нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является «лаборатория на чипе». Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы, может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ. Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.

Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов «нанопинцета». В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета. В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы. Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов.

В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу. Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма.

В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять «нанохирургические операции» - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон.

В настоящее время в рамках регенеративной медицины разрабатываются методы лечения широкого спектра болезней. Наиболее заметные результаты были получены на следующих направлениях:

- Диабет: установлено, что в жировой ткани человека имеются клетки, которые, будучи пересажены в печень, не только там успешно размножаются, но и синтезируют инсулин точно так же, как в нормальном случае это делают соответствующие клетки поджелудочной железы. Успешные опыты на мышах показывают перспективность лечения диабета с помощью методов на основе такого подхода.

- Сердечно-сосудистые болезни: опыты успешного применения стволовых клеток из здорового сердца свиньи для лечения повреждений ее сердечной мышцы после того, как она испытала сердечный приступ демонстрируют возможность использования стволовых клеток, взятых из здоровой части сердца больного, для лечения поврежденной его части;

- Нервные болезни: инъекции эмбриональных стволовых клеток в спинной мозг мышей и крыс делают то, что до сих было невозможно: парализованные из-за повреждения спинного мозга грызуны вновь обретают подвижность;

- Глазные болезни: трансплантация стволовых клеток с успехом применяется для восстановления зрения у пациентов с врожденными или полученными в результате болезней дефектами роговицы глаза.

- Облысение: методы регенеративной медицины активно разрабатываются для борьбы с широко распространенной проблемой наследственного облысения. Уже проходят клинические испытания технологии восстановления волос, использующие диапазон идей от клонирования здоровых волосяных фолликулов пациента с последующим внедрением клонов в облысевшие области до стимуляции роста новых волосяных фолликулов в областях облысения. http://www.gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w57k-nanomed1/

И.В.Артюхов, В.Н.Кеменов, С.Б.Нестеров.

Размещено на Allbest.ru