Пропуск в мир молекул
"Нанотехнологии" - это слово все чаще звучит сегодня среди ученых разных специальностей. Так называется научное направление, которое занимается изучением свойств частиц размером менее 500 нм (нанометр равен 10-9 м). Эти структуры обладают способностью к самовоспроизводству и встречаются как в живой, так и в неживой материи. У врачей наибольший интерес вызывают нанобиотехнологии, то есть нанотехнологии, применяемые в биологии и медицине.
Наночастицы представляют собой мелкие самособирающиеся объекты. Это происходит в ограниченных объемах, где материалы начинают резко изменять свои свойства. Атомы и электроны живут, как соседи в коммунальной квартире, которым очень тесно, поэтому даже инертные материалы, например углерод, становятся агрессивными. Что касается медицинского применения нанобиотехнологий, то здесь есть три аспекта - диагностический, использование наночастиц в качестве переносчиков лекарств, а также в качестве самих лекарств и ядов.
Чем же нанодиагностические методы отличаются от всех других?
- Оборудование, которое используется в этой области (атомные силовые микроскопы), позволяет непосредственно видеть отдельные молекулы и их комплексы в отличие от обычной техники, которая измеряет концентрацию исследуемого вещества, - говорит директор Института биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича РАМН академик РАМН Александр Арчаков. - Но это возможно только тогда, когда такого вещества много. А с помощью атомной силовой микроскопии можно обнаружить отдельные молекулы и попасть в мир, который недоступен для существующих сегодня методов. Например, лабораторными методами можно диагностировать опухоль, когда она уже находится на поздней стадии. Между тем существующий арсенал лекарств может гарантированно справиться лишь с начальными стадиями опухоли, поэтому для успешного лечения чрезвычайно важно обнаружить ее на 1-2-й стадиях. Во всем мире программы нанодиагностики направлены прежде всего на онкологию в надежде поймать самое начало опухолевого процесса.
Важное значение приобретает использование нанотехнологий и в диагностике инфекционных заболеваний. Например, показатели инфицированности вирусом гепатита C чрезвычайно велики: им поражены около 3 млн человек в России, 4 млн человек в США. Инфицирование вирусом гепатита стремительно растет в последние годы. Острая инфекция в 80% случаев переходит в хроническую, которая может привести к циррозу или гепатоцеллюлярной карциноме. Современные традиционные методы лабораторной диагностики как в России, так и за рубежом базируются на методах иммуноферментного анализа (ИФА) и полимеразной цепной реакции (ПЦР). Однако данные методы имеют ряд серьезных недостатков. Это и низкая концентрационная чувствительность, и большая длительность проведения анализа, и высокая цена, и нестабильность качества диагностических наборов, (контаминация в случае ПЦР), и необходимость специальной подготовки персонала.
- Сегодня в России и за рубежом начинает развиваться новый индивидуальный подход диагностики состояния организма человека на основе протеомных исследований, - говорит заведующий лабораторией нанобиотехнологии ИБМХ доктор биологических наук Юрий Иванов. - Кроме того, весьма важным является исследование индивидуального мониторинга химиотерапевтических препаратов. Он позволяет учитывать индивидуальные особенности конкретного пациента, что резко увеличивает эффективность диагностики и лечения и уменьшает затраты на их проведение. В то же время внедрение в протеомику нанотехнологий, например оптико-биосенсорных и атомно-силовых подходов, позволит качественно повысить быстродействие (до 10 минут в случае оптических биосенсоров, 20-30 минут в случае атомно-силового микроскопа). Но наиболее важно то, что чувствительность протеомного анализа и диагностик на его основе доходит до уровня единичных молекул (на базе атомно-силового микроскопа).
Перспективным направлением является создание биосенсорных электрохимических систем на основе наноструктурированных электродов для проведения количественных измерений лекарственных препаратов и (или) их метаболитов в биологических средах. Создание электрохимических биосенсоров - это актуальное направление исследований современной биохимии и биоэлектроники. Однако практические результаты исследований биосенсоров пока не получили выхода в производство и клиники. Электрохимические системы на основе ферментов (различных изоформ цитохромов Р450) могут быть использованы для диагностики и мониторинга метаболизма лекарственных препаратов, а также в качестве модельных детоксицирующих систем. Внедрение нанотехнологий и применение наноструктурированных подложек и электродов позволят существенно повысить чувствительность диагностики.
Исследования в области диагностического применения нанотехнологий сегодня проводятся во всем мире. Так, недавно сотрудники одной из американских биотехнологических компаний совместно с коллегами из американских университетов Айовы и Де-Мойна объявили о разработке нового устройства, способного регистрировать вирусы. Устройство под названием ViriChip представляет собой силиконовый чип, покрытый слоем антител. В качестве измерительного блока использует атомно-силовой микроскоп. По словам ученых, ViriChip может спасти жизни сотен пациентов, ожидающих операции по пересадке сердца, так как врачи получат возможность быстро определять, заражены ткани сердца донора или нет. Ученые испытывали прибор на штаммах вирусов Коксаки. Для получения результата необходим был лишь 1 мкл донорского материала, который помещают на поверхность чипа. Если в пробе содержится вирус, он присоединяется к специфичному антителу, создавая более крупную структуру. Микроскоп в этом случае получает возможность "увидеть" вирус. По словам ученых, при этом не требуется никаких других дополнительных мер - введения специальных меток или усиления сигнала. Микроскоп также способен отличить вирус от присутствующих в тканях микропылинок.
Метод уже широко используется в научных лабораториях и, как надеются ученые, найдет применение в клиниках. Теоретически можно разместить на поверхности чипа тысячи различных антител, что позволит с точностью определять тип найденного в тканях вируса.
Использование наносистем в качестве переносчиков лекарственных средств позволяет сделать доступными для лекарств те пространства, куда ранее они не могли проникнуть. Благодаря этой технологии резко изменяются свойства препаратов. За рубежом одним из способов создания лекарств нового поколения является снабжение их системами доставки с целью улучшения их фармакологических свойств и биодоступности. Сконструированные системы доставки должны обеспечить пролонгированное поступление препарата в определенные органы и клетки-мишени. Разработанные системы доставки лекарств охватили практически все области медицины (эндокринология, пульмонология, кардиология, онкология и т.д.). Ежегодные продажи в США лекарств, снабженных системами доставки, превышают 10 млрд долл., что составляет более 20% всего объема. При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам, в эффективность действия которых помимо биологических свойств существенный вклад вносят размеры. Лекарства в форме фосфолипидных наночастиц обладают высокой биодоступностью и эффективностью.
- Во всем мире есть 10-15 сертифицированных наносистем, используемых в качестве переносчиков лекарств, - продолжает академик Арчаков. - Одна из них - для внутривенного введения фосфоглива - создана в нашем институте, мы работаем с частицами размером от 20 нм до 50 нм. Сейчас пытаемся сделать новую систему для транспорта цитостатиков с помощью наночастиц. Это важно потому, что цитостатики являются агрессивными соединениями с серьезными побочными эффектами. Поэтому самое важное - направить их точно в опухоль. Шансы есть, так как строение стенок кровеносных сосудов опухоли отличается от нормальных: эндотелий в них не так плотен, клетки не так прочно соединены друг с другом, есть щели. Наночастицы могут заполнять эти щели, не проникая в другие органы. А после того как они проникают в места, где образуется опухоль, при высокой концентрации можно надеяться на избирательное действие.
И наконец, третье направление нанобиотехнологий - наночастицы как лекарства. Правда, в отличие от двух первых, это дело далекого будущего. Есть публикации о том, что углеродные наночастицы действуют как антибиотики, то есть блокируют рост микроорганизмов. Не исключено, что они будут весьма агрессивными. Наночастицы могут не только лечить, но и убивать. В США появился интересный материал, который обошел всю медицинскую прессу. Когда в аквариум добавляли наночастицы, рыбы моментально погибали от отека мозга, поскольку гематоэнцефалический барьер становился проницаемым для воды и вода из жаберных дужек поступала в мозг.
В России создана программа по нанотехнологиям с соответствующим финансированием, и там есть раздел нанобиотехнологии. Но возникает вопрос, насколько доступными будут новые технологии для практического здравоохранения? Как считает академик Арчаков, стоимость их будет, возможно, гораздо меньше, чем современных методик, где очень высока стоимость расходных материалов, а приборная часть обходится гораздо дешевле. А при использовании нанотехнологий ситуация будет прямо противоположной. Они поддаются полной автоматизации, при проведении анализов не нужно квалифицированных кадров, с ними вполне справится оператор. Но результаты анализов должны смотреть, конечно, врачи, которые должны обладать качественно новой подготовкой.
- Эта область наука, в которой Россия пока держится, - заключает А.Арчаков. - Хотя трудно, конечно, соревноваться с гигантскими американскими корпорациями, которые вкладывают в развитие нанобиотехнологий десятки миллиардов долларов. А у нас пока развитие этого направления финансируется из бюджета. Впрочем, это касается и других высоких технологий. Нужна соответствующая государственная политика, необходимо создавать условия для того, чтобы деньги, потраченные на науку, вернулись. А пока в России нет ни рынка, ни востребованности новых направлений в науке. Но тем не менее в будущее я смотрю с оптимизмом. Оно за нанотехнологиями.
Сергей ПОЛУЯНОВ.