2014-04-04

Ліки, яких не видно в мікроскоп

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Наночастинки

Хто в наші дні не чув про нанотехнології? Пошук у Google за ключовим поєднанням цих чотирьох букв англійською мовою дає більше 81 мільйона посилань. «Нановсе» в моді не тільки у широкої публіки, але й у організацій, які спонсорують науку. На нанопроекти виділяються мегабюджети у всьому світі.

Зі шкільного курсу фізики ми знаємо, що префікс «нано» позначає одну мільярдну частку одиниці виміру. Зокрема, 1 нм = 1/1000000000 м. Від цього все й пішло. Найширше визначення нанотехнології - це галузь технології, яка має справу з об'єктами менше ста нанометрів. Інше визначення - створення наночастинок та пристроїв, які мають розміри від 1 до 100 нм.

Просто наночастинки різних матеріалів виробляються і застосовуються давно. Найбільш інтригуюча сьогодні область застосування нанотехнологій - роботи та вимірювальні інструменти нанорозмірів, якраз вони і знаходяться на вістрі наукових досліджень.

Чому саме 100 нм - межа для об'єктів нанотехнології? 100 нм - це розмір, однозначно недоступний оптичному мікроскопу. До середини ХХ століття неможливо було не тільки маніпулювати, а й просто побачити що-небудь менше від цього розміру. Нанооб'єкти особливо важливі в біології. Якщо звичні хімікам молекули зазвичай «не дотягують» до нанометра, то біологічні молекули (білки, ДНК, РНК) і утворені з них структури як раз потрапляють у нанодіапазон. Наприклад, нанорозміри мають майже всі віруси, рибосоми - «машини» синтезу білків, реплікативні комплекси, що займаються «копіюванням» ДНК; мембрани клітин мають товщину нанометрового порядку. Не дивно, що розуміння фундаментальних процесів у живих організмах і втручання в ці процеси вимагають нанотехнологій і наноінструментів.

Домогтися, щоб молекула лікарського препарату потрапляла в організмі туди, куди треба - одна з центральних завдань всієї фармакології. Переважна більшість нових біологічно активних молекул, які створюють при розробці ліків, згодом виявляються непридатними для практичного застосування через погану розчинність, нездатність проникати до своєї «мішені» або через важкі побічні ефекти, які вони роблять на «нецільові» тканини і органи.

В ідеалі молекула ліків повинна потрапляти тільки до своєї мішені (клітин певного типу, визначеної біомолекули) і більше нікуди. Саме по собі це не відбувається: молекули ліків «розтікаються» організмом, потрапляючи в різні тканини. Специфічність доставки молекул-ліків можна забезпечити, використовуючи молекули-адаптори, які «прикріплюються» тільки до клітин заданого типу (точніше, до молекул-рецепторів на поверхні клітин). Проблема в тому, що якщо до кожної молекули ліків приєднати молекулу-адаптор, то вийде зовсім інша молекула, яка навряд чи збереже свою фармакологічну активність.

Ось тут і допомагають наноконструкції. Молекули ліків можна помістити всередину наносів - мембранних бульбашок нанорозмірів. А для доставки нанобульбашок з ліками за адресою - до потрібних клітин, в їх оболонки вбудовують молекули-адаптори. 

Подібну стратегію застосували співробітники медичного факультету Вашингтонського університету в Сент-Луїсі (Washington University School of Medicine in St. Louis). Токсин фумагілін використовують для запобігання росту пухлин, так як він вбиває клітини стінок кровоносних судин. Як і всі протиракові ліки, фумагулін токсичний і для «непричетних» до розвитку пухлини клітин організму. Щоб прицільно доставити цей токсин до клітин судин, що знаходяться у пухлині, фахівці університету його «прикріпили» до наночастинок. Адресну доставку наночастинок забезпечує білок, який специфічно зв'язується з клітинами-мішенями. Це дозволило знизити дозування в тисячу разів, природно, зменшуючи побічні ефекти.

«Багато хіміотерапевтичних препаратів мають небажані побічні наслідки, а нам вдалося показати, що запропонована нами нанотехнологія може збільшити ефективність ліків і знизити їх негативний вплив на організм», - коментує провідний дослідник Патрік Вінтер (Patrick M. Winter) в статті, опублікованій на сайті Biology News Net.

«Адресну доставку» за допомогою наночасток можна забезпечувати не тільки хімічно активним молекулам, але і речовинам, що забезпечують певні фізичні впливи. Наприклад, американська компанія Nanospectra Biosciences проводить клінічні випробування нового методу лікування пухлин, основаного на застосуванні патентованих особливих наночастинок «AuroShell», розроблених в Райсівському університеті в Х'юстоні (Rice University).

Введені в організм наночастинки концентруються в пухлинній тканині. Потім область, де знаходиться пухлина, опромінюють інфрачервоним світлом певної області спектру. Злоякісна тканина, навантажена наночастинками, поглинає промені і нагрівається набагато більше, ніж нормальні тканини, що не містять наночастинок. У результаті пухлинні клітини гинуть, а нормальна тканина залишається малопошкодженою.

Наночастки мають блискучі перспективи застосування і в діагностиці. Квантові точки (quantum dots, qdots) - особливим чином сконструйовані з напівпровідникових матеріалів наночастинки, що володіють унікальними флюоресцентними властивостями, недоступними для традиційних, хімічних флюоресцентних барвників. Квантові точки, специфічно «націлені» на певний діагностично важливий об'єкт (ті ж ракові клітини, наприклад), мають привабливі перспективи для візуалізації в організмі таких об'єктів. При освітленні зразка тканини (або хворого місця на тілі) лазером певної довжини хвилі, об'єкт, що цікавить лікаря яскраво світиться (якщо є). Поки що цей метод досліджують тільки на тваринах.

Разом з принципово новими можливостями, які дають нанотехнології, вони несуть і нові небезпеки. Матеріали, з яких складаються найпоширеніші наночастинки (вуглець і діоксид титану) нерозчинні у воді і хімічно інертні, а тому з точки зору класичної токсикології не можуть бути шкідливими. Так і є, якщо ці речовини не подрібнені до нанорозмірів.

Виявилося, що деякі наночастинки володіють принципово новою, «не-хімічною» токсичністю. Вплив на живі клітини обумовлений саме нанорозмірами. Одними з перших нанооб'єктів, у яких виявилися незвичайні фізичні і хімічні властивості, були так звані нанотрубки вуглецю. У них же відкрили і токсичність, причому при інгаляційному введенні, що актуально для тих, хто має з ними справу на робочому місці.

Вчені з Космічного центру Джонсона (NASA Johnson Space Center) у США проаналізували наукові публікації з цього питання. Наночастинки вуглецю виявилися більш токсичними, ніж кварцовий пил - «класичний» аерозольний фактор ризику. А ще наночастинки вуглецю утворюються спонтанно - при спалюванні різного палива і присутні в атмосфері будь-якого індустріального міста. Дослідники припускають, що наночастинки вуглецю відповідальні за значну частку серцево-судинних захворювань, які пов'язані із забрудненням атмосфери міст.

Набагато більш актуальна для більшості жителів Землі токсичність наночастинок з іншого матеріалу - діоксиду титану. Його виробляють мільйонами тонн і в подрібненому вигляді додають в зубні пасти, креми та іншу косметику для відбілювання. До недавнього часу хімічно інертний діоксид титану вважався абсолютно нешкідливим. Але нещодавно проведені дослідження показали, що це не так. Зокрема, вчені з Чжецзянського технологічного університету в Ханчжоу (Zhejiang University of Technology) спостерігали у мишей, яким внутрішньом'язово вводили суспензію наночастинок діоксиду титану, характерні ознаки інтоксикації: пасивна поведінка, втрата апетиту, летаргія. Наночастинки проникали і накопичувалися в різних органах: в селезінці, печінці, нирках, легенях. Спостерігався тромбоз легеневих капілярів, а також, при високих дозах, некроз клітин печінки.

Звичайно, для похмурих висновків підстав немає: кількість наночастинок титану, одержуваних людьми, сильно недотягує до сотень міліграмів на кілограм маси тіла, не кажучи вже про те, що вони аж ніяк не у формі ін'єкцій. Але є привід замислитися про безпеку «інертного» матеріалу, з яким має справу кожний, хто чистить зуби.

Не варто дивуватися, що деякі речовини, нешкідливі в нормальному стані, виявилися шкідливими для здоров'я у вигляді наночастинок. Подібне траплялося не раз, коли людина відкривала і починала застосовувати нові фізичні або хімічні фактори: радіоактивні ізотопи, рентгенівські промені, тисячі нових хімікатів, які виявилися мутагенами... Але виявлені негативні ефекти рідко змушують відмовлятися від нового досягнення.

Солідні наукові журнали обговорюють практичні деталі реалізації концепцій, які до недавнього часу зустрічалися тільки у фантастичній літературі. Спроектований одноразовий наноробот Chromallocyte повинен переміщатися в струмені крові, знаходити хвору клітину, видаляти з неї всі хромосоми і ставити на їхнє місце «принесений з собою» заздалегідь сконструйований «правильний» набір хромосом.

Інша концепція, представлена співробітниками компанії Zyvex Corp, механічний фагоцит, який повинен патрулювати кров'яне русло, знаходити, «впізнавати в обличчя» і з'їдати одного за іншим патогенні мікроби. Такий нанокіллер (обов'язково серійний!) відповідно до прогнозів повинен працювати в десятки разів швидше, ніж живі клітини імунної системи, і курс лікування триватиме години - замість тижнів, які потрібні при традиційній терапії антибіотиками.

Звичайно, принципова технічна можливість таких наночудес ще не означає, що вони будуть реалізовані. Але преспективи майбутньої нанореволюції в медицині вже зараз зачаровують і дають можливість сподіватися на більш досконалі методи мільйонам хворих людей.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus