Нанотехнологии в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему: Нанотехнологии в медицине

Выполнила:

Храмченко Т.А.

Проверил:

Лубяний Л.С.

Содержание

Введение

1. Подход «Сверху вниз»

2. «Мокрая» нанотехнология

3. Молекулярная нанотехнология

4. Респироциты

5. Клоттоциты

6. Нанороботы

7. Приложения современных нанотехнологий в медицине

8. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы

9. Наноманипуляторы

10. Современные перспективы наноустройств в медицине

11. Наночипы

12. Фосфолипидные наносистемы

Заключение

Список литературы

Введение

Понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". На первом этапе развитие нанотехнологии определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.

Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.

Но постепенно все чаще упоминаются как перспективная область применения нанотехнологии медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г., Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места" (со ссылкой на идею Альберта Р. Хиббса).

Но только в последние несколько лет предложения Фейнмана приблизились к реальности.

Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснованы, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и дальнейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться все более миниатюрными и совершенными, а их функции - все более богатыми.

1. Подход «Сверху вниз»

Так можно назвать подход, заключающийся в дальнейшем усовершенствовании существующих микроустройств, в первую очередь - в их дальнейшей миниатюризации. Идею подхода "сверху вниз" (как и идею нанотехнологии в целом) впервые последовательно изложил в 1959 г.

Использование методов современной микроэлектронной технологии позволяет изготовлять элементы размером менее микрона. Эти методы могут быть распространены за пределы чисто электронной техники. Примерами являются микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems - MEMS) и микрофлюидика - управление потоками жидкости на микронных масштабах. Современная технология позволяет изготовлять множество устройств таких, как микромоторы, акселерометры, гироскопы, разнообразные микродатчики, микроклапаны, микронасосы и шестеренчатые передачи. В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма.

Такие устройства могут быть стационарно закрепленными в тканях, перемещаться пассивно - например, вдоль желудочно-кишечного тракта - или активно. В последнем случае они могут "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, плавать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях.

2. «Мокрая» нанотехнология

Этот подход основан на использовании готовых механизмов, существующих в живой природе. Пожалуй, впервые эта идея была сформулирована в 1967 г. американским биохимиком (и, по совместительству, писателем-фантастом) Айзеком Азимовым. Он первым предложил использовать механизмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот. Годом позже Вайт предложил использовать генетически модифицированные вирусы в качестве механизмов для ремонта клеток.

1964 г. физик Роберт Эттинджер в своей книге "Перспективы бессмертия" предложил использовать замораживание до сверхнизких температур (крионику) для сохранения человеческого организма до тех пор, пока развитие науки не позволит его разморозить, оживить и вылечить.

Прекрасно понимая, какие повреждения повлечет такое замораживание на клеточном уровне, Эттинджер предположил, что в будущем станут возможны механизмы, способные такие повреждения исправлять. В 1972 г. Эттинджер предположил, что для восстановления поврежденных клеток можно будет использовать биороботов на основе генетически измененных существующих микроорганизмов:

1) Биотехнология. Использование существующих организмов в качестве основы для создания биороботов обещает целый ряд преимуществ. Исходный организм обеспечивает готовые системы энергоснабжения, размножения, перемещения, саморемонта и т. д. Существуют отработанные методы получения генетических модификаций, опыт использования микроорганизмов с различными целями. Разумеется, пройдут годы или даже десятилетия прежде, чем станет возможно создать действительно эффективного биоробота;

2) Вирус как робот. В настоящее время вирусы уже активно используются для внесения в клетки нового генетического материала. В перспективе можно представить себе использование разнообразных роботов-вирусов, способных распознавать клетку определенного типа, находящуюся в определенном состоянии. В зависимости от конкретной ситуации такой робот-вирус сможет убить эту клетку (например, возбудителя заболевания) или ввести в нее необходимые молекулы ДНК или РНК - вплоть до полной замены поврежденного генетического материала;

3) Клетка-робот. Клетки в организме человека способны целенаправленно перемещаться, иногда на большие расстояния, уничтожать другие клетки или, наоборот, встраиваться в поврежденные ткани на место погибших. Не так уж трудно представить себе клетки, искусственно модифицированные так, чтобы они разрушали атеросклеротические бляшки, регенерировали поврежденные органы, конечности и т. д. Клетки могут нести метки, позволяющие следить за их перемещением по организму, выделять в окружающую среду вещества, несущие диагностическую информацию;

4) Методы молекулярной биологии. В организме человека существует огромное количество разнообразных ферментов (другое их название - энзимы). Это белки или соединения белков, обладающие разнообразной и высокоизбирательной активностью. Некоторые из них выполняют чрезвычайно сложные и ответственные функции. В первую очередь это относится к тем ферментам, которые совместно с нуклеиновыми кислотами обеспечивают работу генетического механизма. Для примера рассмотрим фермент ДНК-репаразу. Молекула ее перемещается вдоль двойной спирали ДНК и исправляет ошибки в последовательности составляющих эту спираль нуклеотидов. Такие ошибки неизбежно возникают под действием температуры, различных химических веществ, радиации и т. д.

Молекула ДНК-репаразы находит молекулу ДНК, перемещается вдоль нее, распознает нарушения в последовательности нуклеотидов, принимает решение о том, какую из 2-х нитей ДНК считать правильной, "вылавливает" из окружающей среды нужный нуклеотид, удаляет неправильный и вставляет на его место правильный. Практически, она ведет себя как робот, решающий довольно сложную и многовариантную задачу ситуационного поведения.

3. Молекулярная нанотехнология

Хотя термин "Молекулярная нанотехнология" можно отнести к любой технологии, основанной на конструировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперед свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены - шары и нанотрубки из 5 - и 6-угольных колец атомов углерода. Разумеется там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.

4. Респироциты

Респироцит представляет полую сферу, внутри которой находится сжатый кислород.

Расчеты показывают, что сфера диаметром около 1 мк. с запасом по прочности способна выдержать давление кислорода более 1000 атм.

Для сравнения, равновесное давление кислорода в гемоглобине крови составляет всего 0.5 атм., из которых доступно для выделения в ткани лишь 0.13 атм.

В простейшем случае суспензия респироцитов может быть инъецирована в кровеносную систему организма при нарушении нормального снабжения тканей кислородом. Расчеты показывают, что полная потребность организма в кислороде может быть обеспечена при вливании всего 0.5 мл взвеси респироцитов в минуту.

5. Клоттоциты

Клоттоциты представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. По конструкции они напоминают респироцит, но внутри у него в свернутом состоянии находится волокнистая масса. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают свое содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается. Расчеты показывают, что при ране длиной 1 см. и глубиной 3 мм. кровопотеря составит около 6 мм³, что составляет всего 1/10 одной кровяной капли.

6. Нанороботы

Более сложные устройства могут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, "охота" за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток. Рассмотрим более подробно некоторые проблемы, которые могут встать при конструировании реальных нанороботов и наметим подходы к их решению:

- Энергетика нанороботов. Наноустройства могут использовать для своей работы химическую энергию, запасенную в растворенных в крови глюкозе и кислороде. Также возможна передача энергии от внешнего источника в виде электромагнитного или акустического излучения. Внутри устройства энергия может накапливаться в химической либо в механической форме;

- Управление наноустройством. В качестве систем управления для нанороботов могут быть использованы устройства наноэлектроники такие, как транзисторы на основе отдельных молекул или нанотрубок, возможность изготовления которых сейчас уже успешно продемонстрирована. Но еще большей степени миниатюризации можно достичь, используя чисто механические компоненты;

- Связь между нанороботами. В живой природе внутри организма используются в основном химические переносчики информации - цитокины, гормоны, нейропептиды, феромоны. Наноустройства, однако, смогут использовать и более быстрые каналы передачи информации, например, ультразвук, электромагнитное излучение.

7. Приложения современных нанотехнологий в медицине

Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

- Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;

- Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);

- Микро - и нанокапсулы;

- Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

- Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

- Наноинструменты и наноманипуляторы;

- Микро - и наноустройства различной степени автономности.

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами.

Микро - и нанокапсулы Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~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). Более подробно возможная конструкция респироцита была рассмотрена выше.

8. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы

Использование микро - и 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.

9. Наноманипуляторы

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. Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от микроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

10. Современные перспективы наноустройств в медицине

Исследователи из медицинского центра Джона Хопкинса разработали самостоятельно собирающиеся контейнеры кубической формы, по размерам не превышающие пылинку. Такие контейнеры могут служить для доставки лекарств в организме человека. Они являются относительно недорогими, и могут производиться в массовом порядке в процессе, объединяющем технологию изготовления чипов с простой химией. Кроме того, благодаря своей металлической структуре, положение контейнеров внутри тела может отслеживаться с помощью магнитного резонанса. Методика создания таких контейнеров, а также результаты успешных лабораторных испытаний были опубликованы в декабрьском выпуске журнала Biomedical Microdevices. В экспериментах контейнеры удерживали и отпускали микрокапли веществ и живые клетки, то есть то, что широко используется в медицинском лечении. Созданные контейнеры покрыты ультратонким слоем золота, так что они вряд ли смогут вызвать токсический эффект в теле человека. Пока не проводилось тестов по их введению в живые организмы, но ученые уже провели лабораторные исследования, показавшие, как микроконтейнеры могут работать в медицине. Ученые использовали микропипетки для введения внутрь кубов суспензии, содержащей микрокапли лекарств. Было показано, что высвобождение содержимого может выполняться через колебания куба. Кроме того, исследователи помещали внутрь и человеческие клетки, которые продолжали там жить.

11. Наночипы

Наночипы к атомно-силовому микроскопу используются для диагностики инфекционных и соматических заболеваний.

Метод атомно-силовой микроскопии основан на мониторинге сил Ван-дер-Ваальса между измерительным элементом-иглой микроскопа (размер чувствительного элемента имеет порядок 1-10 нм) и сканированной поверхностью макромолекулы.

Анализ взаимодействия позволяет получить изображение макромолекулы, определить ее размеры и выявить комплексы молекул зондов с маркерами заболеваний - например, белок-партнер, антиген-антитело. В России производятся серийные одноканальные атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие проводить исследования структуры материалов.

Биологические макромолекулы, в том числе и макромолекулярные маркеры заболеваний, активизируются в узких диапазонах температур, давлений и влажности.

Поэтому для создания наночипов к одноканальному АСМ с иммобилизованными в определенном порядке биомолекулами (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами), которые могут селективно захватывать маркеры заболеваний из биологической жидкости на уровне единичных молекул, что очень важно для ранней диагностики, например, онкологических, инфекционных и других заболеваний, необходимо адаптировать серийный атомный силовой микроскоп.

Наночип к CD-ROM - это лаборатория на CD-диске, которая представляет собой компакт-диск с нанесенными на него чувствительными зонами биомолекул (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами) и анализирующее устройство - CD-ROM к персональному компьютеру.

Стандарт записи на компакт-диск предусматривает наличие информации, которая позволяет считывателю исправлять значительное количество ошибок, возникающих из-за загрязнения поверхности диска. Существуют способы получить служебную информацию с помощью специальных команд управления считывателя. Это дает возможность оценить состояние поверхности оптического диска в любой его точке.

12. Фосфолипидные наносистемы

Фосфолипидные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата.

Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины - в эндокринологии, пульмонологии, кардиологии, онкологии и т. д.

При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам - переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и малыми размерами.

Заключение

Перспективы развития нанотехнологий велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самостоятельного воспроизводства нанороботов толстый слой "серой слизи" может покрыть всю Землю - являются пока лишь теорией, не подтвержденной особо никакими данными. нанотехнология медицина биологический

Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью нанотехнологий можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Поэтому я считаю что медицина на нано уровне будет намного эффективней чем прежняя, но применять её в качестве создания супер людей, я категорически против.

Эволюция должна идти естественным путем, а ребенок обделенный этим правом будет напоминать сам работа. Мы должны использовать её с умом там где она по настоящему необходима. Она не в коем случае не должна становится чем то вроде пластической хирургий, которую используют люди у которых и так здоровый организм.

Список литературы

1. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И.В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.

2. Жан-Мари Лен. "Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы". Новосибирск, "Наука", 1998.

3. И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" - М.: МИЭМ, 2002.

4. И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" - М.: МИЭМ, 2002.

Размещено на Allbest.ru