«'ч ж Ж у. ч № Ж v ^ jjif 'slfe * |j j | ф v j^ vj АЛМАГАМБЕТОВ К.Х. МЕДИЦИНСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ $$ ш® ф ф Ф ф Ф ШФ ш • ' ~§р ^Р 5$ s& Астана - 2009 щ УДК 60 БКК 52.81 ...»

3) Существенную помощь могут оказать биочипы и при пере­ садке органов, при определении совместимости H L A - антигенов, белков главного комплекса гистосовместимости. Чтобы избежать отторж ения, необходимо, чтобы белки - маркеры на импланти­ рованной ткани как можно меньше отличались от белков-маркеров пациента. П оэтому идеальны м донором тканей являю тся однояй ц евы е б л и зн ец ы, у которы х белковы е м аркеры совпадаю т.

Однако далеко не у всех людей имеются однояйцевые близнецы.

ан ализа наи более п одходящ его д онора, пересадка органов от которого вызвала бы минимальный иммунный ответ.

4) Налаживается производство Д Н К -чипа, предназначенного для подбора совместимой донорской крови. В настоящее время для определения групп крови используют серологический метод, но в 3% случаев этот метод не позволяет выявить несовместимость донора и реципиента по группам крови, приводящую к развитию опасных для здоровья реципиента посттрансфузионных реакций.

В ы сокая ч у в ств и тел ьн о сть Д Н К -чи пового анализа п озволяет недопускать подобных ошибок; Д Н К-чиповый анализ серийный и полностью автоматизирован.

5) В биологических исследованиях биочипы позволяю т про­ водить одновременный скрининг десятков тысяч генов при оценке биологически активные белки, гормоны и др.

4.1. Наночастицы Предполагая перспективы развития нанотехнологий можно привести сравнительные аналогии из истории. Роль микроорганиз­ мов в круговороте веществ в природе, в медицине и биотехноло­ гии была понята спустя почти столетие после открытия микромира Левенгуком, благодаря трудам JI. П астера, Р. Коха и других выдающихся исследователей (заметьте, спустя столетие). Иная ситуация в нанотехнологии. В 1959 году физик Р. Фейнман писал о том, что существует «поразительный сложный мир малых форм, мир атомов и молекул Когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». Впервые термин «нанотехнология» употребил Н. Танагути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером в несколько нанометров. В 1980-х годах о нанокон­ струкциях и их будущем писал Э. Дрекслер в книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines o f Creation: The Coming Era o f Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его книгах занимали м атематические расчёты, с помощью которы х можно было п р оан али зировать работу устройства размерами в несколько нанометров, возможность применения нанороботов для внутриклеточны х м анипуляций, используя отдельные молекулы пептидов, нуклеиновых кислот и другие биомолекулы в качестве строительного материала. Уже в 1990-х годах были созданы первые наноматериалы и наноконструкции, нашедшие реальное применение в промышленности, биологии и медицине. В 2000-2007 годах разработаны : дорож ная карта развития нанотехнологий (СШ А), дорожная карта Европейской комиссии к Седьмой рамочной программы ЕС по научно-иссле­ довательскому и технологическому развитию, создана крупней­ шая российская корпорация со стратегической программой раз­ вития нанотехнологий. Более чем в 60 странах ведутся иссле­ дования и разработки в области нанотехнологий, в том числе и в К азахстан е. К началу 2006 года, по оцен ке ж урн ала N ature Materials было создано порядка 130 лекарств и средств доставки лекарств на основе нанотехнологий.

Таким образом, спустя всего лишь 30-40 лет после устремления взора учены х на нан о м и р, н ан о тех н о л о ги и начали активн о внедряться во все сферы человеческой деятельности, особенно в биологии и медицине. Вместе с тем некоторые ученые сравнивают нынешнее состояние нанотехнологии с состоянием компьютерной техн ол оги и 20-25 л етн ей д авн о сти, когда в ходу ещ е были арифмометры, логарифмические линейки и т.д.

Нанотехнология — это исследование и создание сверхмалых структур и устройств, состоящих из отдельных молекул с целью разр аб о тк и тех н о л о ги й их при м ен ения в сам ы х различны х областях человеческой деятельности. Она возникла благодаря соз­ данию микроскопических приборов, обеспечивающих возмож­ ность визуализации отдельных молекул, манипулирования ими и измерения возникающих между ними электромагнитных взаимо­ действий, используя природные и синтетические наночастицы.

Нанобиотехнология основана на использовании внутрикле­ точных структур и биологических молекул (нуклеиновые кислоты, пептиды и другие низкомолекулярные соединения) в качестве наноструктур и наноматериалов в биологических исследованиях и технологиях; она объединяет в себе достижения нанотехнологии и молекулярной биологии.

Наномедицина —это применение наноконструкций и нанотех­ нологий в диагностике, лечении и профилактике заболеваний человека (рис.23).

К наиболее перспективным технологиям в области биологии относятся:

- технология «сравнительного взаимодействия» - определение образа взаимодействия различных клеток организма;

- ядерное перепрограммирование - возможность клонировать любые клетки, используя доступные источники биологического материала;

- наномедицина.

Рис.23. Применение нанотехнологий в медицине и биологии «Нано» (греч. - миллиардная доля) в применении к описывае­ мым объектам п о д р а зу м ев а ет, что их размеры находятся в пределах 1-1000 нм (10'9 м), что соответствует уровням биоло­ гической организации от атомарного д о субклеточного. Один нанометр - это ряд всего из десяти атомов водорода. Например, толщина человеческого волоса составляет примерно 50 О О нано­ метров, пептиды имеют размер 1 нм, белки - от 10 до 100 нм.

ДНК в длину достигает 1,5 м, однако в «упакованном состоянии ее поперечник составляет лишь 100 нм. Примерно такие же размеры имеют антитела, вирусы, органеллы. Прокариотные и эукариотные клетки относятся к микромиру (табл.5, рис.24).

4.1. Наночастицы Т аблица 5. Сравнительная характеристика макромолекул и наночастиц 1Атомы (0,1-0,5 п т ) Рентгеновское Ультрафиолетовое (0,1-10 п т ) Рис.24. Наночастицы на поверхности эритроцита Наночастицы по структуре можно подразделить на несколько классов:

Биологические наночастицы - это ферменты (белки с каталити­ ческой активностью), молекулы ДНК и РНК, рибосомы, клеточные вези к ул ы, вирусы и пр. О тли ч и тел ьн о й о со бен н о стью таких объектов является их способность к агрегации и самоорганизации (например, принцип комплементарности, специфичности взаимо­ действия при организации полипептидной либо полинуклеотидной цепей).

Полимерные наночастицы - это природные или биоинертные кислоты, полилактиды, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ).

Полимерные наночастицы по морфологии различаются на нано­ сферы (сплошные полимерные частицы, на поверхности которых распределяется переносимое, активное вещество) и нанокапсулы (состоят из полим ерной оболочки, охваты ваю щ ей полость с содержащимся переносимым активным веществом).

Дендримеры. Д ендрим еры являю тся уни кальны м классом полимеров с сильно разветвлённой структурой. При этом их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе. Типичными «м оном ерам и», используемы ми в синтезе дендримеров, являются полиамидоамин (ПАМ АМ ) и аминокис­ лота лизин. А ктивн ы е, п ерен оси м ы е м олекулы связы ваю тся с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверх­ ностью, либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями.

стабильность дендримеров делают их весьма перспективными для использования в качестве переносчиков.

Неорганические наночастицы —к этому классу обычно относят наноструктуры, полученные на основе оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). Нередко такая н ан очасти ц а им еет к р ем н и ево е ядро и внеш ню ю о б олоч ку, сф орм ированную атом ам и м еталла. И спользовани е м еталлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свой ств. Т ак, их акти в н о сть (п р о я в л я ется вы свобож ден ием лекарственного вещества) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а такж е изменением магнитного поля. Показано, что металлические наночастицы могут эффективно проникать вглубь эпидермиса.

Углеродные наночастицы - нанотрубки и фуллерены (рис.25);

они явл яю тся одним и из сам ы х « у зн ав аем ы х » н а н о ст р у к ­ тур. Сегодня в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа при пониженном давлении в присутствии катали­ затора. Нанотрубки обладают повышенным сродством к липидным структурам, способны о б р азо вы вать стаб и льн ы е ком плексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами.

Таблица 6. Применение наноматериалов и нанотехнологий в медицине Нанотехнологии и наноматериалы системы терапевт. диагнос-ка Липосомы, липидные поверхности Неорганические наночастицы (золото,серебро,фосфат кальция) (дендримеры, фуллерены и др.) Нанопоры Нанотехнол. методы измерения Примечание. Научное значение: (+++) - большое, (++) - существенное, (+) умеренное, (-) - незначительное. (Nanomedizin: Innovations potentiate in Hessen fuer Vedizintechnik, Wiesbaden, 2006).

4.2. Наночастицы в медицинской диагностике Наночастицы могут использоваться как контрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показы­ вающ ее их располож ение в организме. Н апример, к фуллерену С60 м огут бы ть при креплены ин ди каторны е атомы радиоакНАНОМЕДИЦИНА т и в н о г о и з о т о п а и рецепторны е группы, позволяющие нано ч а с т и ц е сп ец и ф и ч еск и прикрепиться к поверхности опухолевой М агн и тн ы е наночастицы, содержащие кристаллическое ядро и з о к с и д а ж ел еза, при введении в организм поглощаются макро­ ф а г а м и, к о т о р ы е в результате становятся «меченными». Эти м а к р о ф а г и ск ап ли ваю тся в воспалительном очаге, в области л о к а л и з а ц и и о п у х о л и и др. Используя магнитно-резонансный т о м о гр а ф, м ож но легко обнаружить области повышенной концен­ тр ац и и магнитных наночастиц, и таким образом определить очаги п а т о л о ги и на самой ранней стадии их возникновения.

М олекулярная визуализация или получение визуальной инфор­ м а ц и и о м олекулярны х структурах. Технология позволяет при п о м о ш и высокоточных аналитических методов (атомно-силовои и сканирую щ ей зондовщ микроскопии, масс-спектрометрии и др.) идентифицировать отдельные функционально значимые молекулы в биоматериале, регистрировать единичные иммунные комплексы (р и с.26).

Рис. 26. Сканирующий зондовый микроскоп, позволяющий при помоши фокусированных ионных пучков в условиях сверхвысокого вакуума анализировать структурированную поверхность наночастиц: позволяющий как наноманннулятор, как нанопинцст перемещать отдельные молекулы 4.2. Наночастицы в медицинской диагностике исследовать наноструктуры. В 1981 году, лауреаты Н обелевской сканирую щ ий туннельны й м икроскоп - прибор,осущ ествляю щ ий В эти ж е годы прош лого столетия ам ериканские ф изики Р.Кэрл, изм ерен и я п р ед м ето в д и ам етр о м в один н ан ом етр при пом ощ и атом н о-силовой м икроскопии.

М етод атом но-силовой м икроскопии основан на м ониторинге м олекулы. А н ал и з в заи м о д ей стви я по зво л яет получить и зо б р а­ ком плексы ф ерм ент-субстрат, антиген-антитело и др.

н ап равлени ях:

молекул;

- прим енение инновационны х нанотехнологических способов изм ерения.

4.3. Адресная доставка лекарственных средств патологическом у очагу, в больной орган используются:

- неорганические наночастицы (наприм ер, золоты е, силикат­ ные, магнитны е);