Нанотехнологии в медицине

Втр, 03/25/2014 - 19:50

Модель медицинского наноробота общего применения.



Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом.

Большая работа для нанороботов

Упорядоченные одним образом, атомы составляют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым. Уголь и алмазы, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое от драгоценного, больное от здорового.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или «детальки», нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов или, как их еще называют, наноботов. Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами и высокой точностью.

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.

Проект, разрабатываемый в Университете штата Юта, США, представляет собой микросубмарину с двигателем, использующим работу бактерий, таких, как Salmonella typhimurium. Эти бактерии способны плавать в жидкости; будучи прикрепленными к ротору двигателя, они смогут приводить в движение вал с закрепленным на нем гребным винтом. Для изготовления еще более миниатюрного устройства могут быть использованы не целые бактерии, а только их гребные жгутики — флагеллы. Источником энергии для такого двигателя могли бы служить кислород и глюкоза, свободно диффундирующие внутрь из окружающей среды.

Другой подобный проект разрабатывается фирмой MicroTEC из Дуйсбурга (Германия). В нем в качестве источника энергии рассматривается внешнее переменное электромагнитное поле.
Устройства такого рода, оснащенные бортовыми системами управления, связи и ориентации, основанными на нанотехнологии, наносенсорами и наноманипуляторами, могут стать реальностью уже в обозримом будущем.

Подход «мокрой» нанотехнологии 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 и энзимов. 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.

Роботы, биороботы, биотехнологии

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.
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.

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.

Можно упомянуть несколько типов клеток, которые представляются перспективными в качестве основы для биоробота.

Во-первых, это различные бактериальные клетки. Они могут обладать готовыми механизмами перемещения и даже внедрения в клетки организма-хозяина. Генетический аппарат бактерий довольно просто модифицировать. Они способны к довольно сложному «поведению». Они могут вырабатывать самые разные белки и другие вещества в зависимости от ситуации. Бактерии способны даже к согласованию своих действий путем выделения в окружающую среду различных сигнальных веществ. Они могут передавать и значительные объемы информации, обмениваясь кольцевыми молекулами ДНК — плазмидами.

Разумеется, геномы бактерий должны быть модифицированы таким образом, чтобы они не представляли опасности для человека. Так, бактерии могут быть лишены возможности размножаться в самом организме; нужные количества будут получаться вне его в специальных условиях.

Во-вторых, это человеческие клетки — такие, как фибробласты. Достоинство фибробластов в том, что они не несут на своей поверхности так называемых антигенов системы HLA, которые в основном и определяют отторжение иммунной системой организма чужеродных тканей.
Еще один тип клеток, который кажется очень перспективным, это лимфоциты. В организме человека существует несколько типов лимфоцитов, выполняющих различные задачи в рамках обеспечения иммунной защиты. Многие из них способны на весьма сложное «поведение». Не исключено, что окажется возможно генетически модифицировать собственные (и потому не отторгаемые) лимфоциты человека так, чтобы придать им те или иные дополнительные функции.

Скажем старости «нет»

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять «молекулярную хирургию» с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая возникновение таковых.
Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей — первая половина XXI века. Также существуют нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии как кардинальное решение проблемы старения являются более чем перспективными.

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие трансформации, в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!

Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера — автора подобных идей. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже во всю применяются.

Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения «вечной молодости» наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией — это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений. Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но, в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитие исследований в этой области они предложили установить правительственный контроль над исследованиями. Такой надзор может предотвратить случайную катастрофу, например, когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.

Исследователи считают, что к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку. А по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.

Заключение

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.
С другой стороны, можно ожидать, что на этом пути нас встретят неожиданные повороты. Некоторые из подходов, которые кажутся сейчас перспективными, окажутся бесплодными. Другие, которые кажутся сейчас фантастикой, могут оправдать себя. Как все произойдет на самом деле — покажет лишь время…

Другие материалы рубрики


  • Новый пандемический штамм вируса А возникает каждые 20-70 лет (штаммы гриппа отличаются набором гемагглютинина и нейраминидазы), за 2-3 года в рамках штамма возникает эпидемический серотип — вариант вируса с другим строением поверхностных белков. Именно он приводит к крупным эпидемиям. Считается, что источником нового пандемического штамма гриппов А являются животные — водоплавающие птицы и свиньи. Причем новые штаммы возникают в сельских районах Китая. Исключением является «Сиднейский» вирус — это австралийский штамм А/Сидней/5/97 (H3N2), вызвавший эпидемию в Восточной Европе в 2000 г.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Пожалуй, сегодня нет более распространенной хронической болезни, чем гипертония (повышенное артериальное давление). Даже медленное и как бы незаметное ее течение в конце концов приводит к фатальным последствиям — инфарктам, инсультам, сердечной недостаточности, поражению почек. Еще в позапрошлом веке ученые выяснили, что в почках вырабатывается белок — ренин, вызывающий повышение давления крови в сосудах. Но лишь спустя 110 лет совместными усилиями биохимиков и фармакологов удалось найти эффективное средство, способное противостоять опасному действию давно известного вещества.
    В начале 1990-х годов в России стало расти число сердечно-сосудистых больных. И до сих пор в нашей стране уровень смертности среди трудоспособного населения превышает европейские показатели. Особенно неустойчивыми к социальным катаклизмам оказались мужчины. По данным Всемирной организации здравоохранения, продолжительность жизни мужчин составляет в нашей стране всего лишь 59 лет. Женщины оказались выносливее — они живут в среднем 72 года. Каждый второй гражданин нашей страны умирает от сердечно-сосудистых заболеваний и их последствий — инфарктов, инсультов, сердечной недостаточности и пр.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Нобелевскую премию по медицине в 2011 году разделили на две половины. Одну получили Брюс Бютлер, профессор генетики и иммунологии Исследовательского института Скриппса (Ла-Хойя, США), и Жюль Хоффман, бывший руководитель лаборатории в Страсбургском университете, директор Института молекулярной биологии клетки, президент Французской академии наук в 2007–2008 годах (ныне в отставке), — за исследование механизмов активации врожденного иммунитета. Вторую половину присудили Ральфу Стайнману, выходцу из Канады, занимавшему пост профессора иммунологии в Рокфеллеровском университете (Нью-Йорк), — за открытие роли дендритных клеток в адаптивном иммунитете.
    Сразу вслед за именами лауреатов 3 октября 2011 года в новостных лентах появились сообщения о смерти Ральфа Стайнмана. Он скончался 30 сентября, а Нобелевский комитет не получил этой информации вовремя. Согласно уставу, самая престижная научная премия не может быть присуждена человеку, которого нет в живых, однако Нобелевский комитет объявил, что Стайнман остается лауреатом: на момент принятия решения не было известно о его кончине, таким образом, сделанный выбор соответствует духу премии, если не букве. И в конце концов, альтернативное решение общественность едва ли приняла бы с симпатией.



  • Опустошительные пандемии и эпидемии чумы оставили разрушительный след в истории человечества. На протяжении последних двух столетий медики работали над созданием профилактической и лечебной вакцины от смертельно опасной инфекции. Иногда испытания новых препаратов стоили подвижникам жизни. Во второй половине ХХ века появились новые эффективные вакцины и антибактериальные препараты, которые дали людям надежду на полное избавление от «черной смерти». Но на самом деле почва для возникновения новых эпидемий чумы по-прежнему существует.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Времена, когда врач ставил диагноз по пульсу больного, остались в далеком прошлом. Современная медицина требует, чтобы врачи не только владели сугубо медицинскими знаниями, но и умели работать со сложнейшим лечебным и диагностическим оборудованием. Ведь своими успехами медицина в значительной степени обязана достижениям физики, электроники, информатики. Пример тому — новые диагностические методы, разработанные под руководством директора Института радиотехники и электроники Российской академии наук Юрия Васильевича Гуляева и его ученика, заместителя директора того же института Сергея Аполлоновича Никитова.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Читая статьи современных гистологов и молекулярных биологов, мы обнаружим в них диковинный термин «рабочие рельсового разрушения» — и не сразу поймем, что речь идет об обычных путейцах-ремонтниках. Оказывается, есть некие «рабочие», скопление которых и активное функционирование всегда приурочено к повреждениям некоей колеи... Но — обо всем по порядку.



  • В последние годы при изучении генома человека сделано несколько эпохальных открытий, касающихся связи молекулярных механизмов старения и злокачественного перерождения. Они свидетельствуют о том, что естественное старение «защищает» нас от рака.
    Будучи в Гонконге, я забрел на Голливудроуд в один из многочисленных в том районе антикварных магазинчиков — в витрине мое внимание привлекла удивительно тонкой резьбы ваза из слоновой кости. Табличка рядом с вазой, рассчитанная явно на туристов, гласила, что изображенная на ней луноликая красавица, богиня Запада Си-ванму, безраздельно правила в райском саду бессмертных у подножия горы Кунлунь. Греческие боги поддерживали свое бессмертие амброзией и нектаром, а Си-ванму дарила вечную молодость с помощью волшебного снадобья из персиков, росших в саду.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Этот поэтический образ родился в Древней Греции, когда народная молва сохраняла за богами человеческие качества, умножая их всемогуществом.
    Любвеобильный Зевс постоянно изменял своей жене — богине Гере, вступая в интимные связи с прекрасными, но земными женщинами. Естественно, это заканчивалось рождением детей, которых, однако, громовержец не оставлял своими заботами. Младенец Геракл тоже находился под его божественным покровительством: желая дать сыну бессмертие, Зевс решил напоить его молоком Геры.
    Очевидно, уже в античном мире сложились представления о том, что с женским молоком ребенок получает не только питание, но и многое из того, что определит его жизненный путь. Но вернемся к мифу. Опыт по использованию богинь в качестве кормилиц не удался. Узнав чужого младенца, да еще и плод супружеской измены, Гера возмущенно оттолкнула дитя. По другой версии, шустрый Геракл все-таки куснул сосок, причинив богине сильную боль. Так или иначе, но струя Вторая Мировая война
    Современные конфликты
    молока из божественной груди пересекла небесный свод, и отдельные капельки, превратившись в звезды, образовали Млечный Путь. А те капли, которые попали на Землю, расцвели в виде прекрасных белых лилий.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Стволовые клетки таят в себе невиданные возможности: от регенерации поврежденных органов и тканей до лечения заболеваний, не поддающихся лекарственной терапии. Но реально ли применение этих клеток в медицине? Сумеют ли врачи приступить к лечению больных с их помощью сразу же после отмены соответствующих ограничений? По-видимому, нет. Даже сама идентификация стволовых клеток — это проблема. Прежде чем проводить те или иные эксперименты, необходимо убедиться, что эти клетки действительно являются тем «стволом», из которого, как ветви, вырастают все другие типы клеток, а также, что они способны к самовоспроизведению.
    Наиболее универсальны эмбриональные стволовые (ES — embrionic stem) клетки, впервые выделенные из мышиных эмбрионов 20 лет назад. Они были взяты на самой ранней стадии развития плода из той его части, которая в норме дает начало трем разным слоям (зародышевым листкам) более позднего эмбриона и, в конце концов, — всем органам и тканям. Это свойство ES-клеток предопределило их название — плюрипотентные.
    Большинство ES-клеточных линий человека, находящихся сегодня в распоряжении ученых, получены от необычных эмбрионов — они были созданы в результате искусственного оплодотворения in vitro. Однако при этом не все они идентичны.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Травмоопасность детей хорошо известна всем родителям. Бывает: стоит отвернуться – и уже ребенок упал, ушибся, возможен перелом, срочно нужен врач. Детская травматология Киева на левом берегу находится на улице Алишера Навои. Далековато ехать по пробкам. К тому же если произошла травме головы, оттуда все равно направят на Подвысоцкого. Живя на Троещине, не обязательно ездить далеко. Частные клиники на Троещине в своем штате имеют врачей всех специальностей, в том числе и травматологов.