Нанотехнологии в медицине
Смартфоны и планшеты в наших руках —
это и есть продукция нанотехнологий:
они содержат наноматериалы.
Самое маленькое электронное устройство
в телефоне — транзистор — имеет размер меньше 100 нанометров. Транзисторы
в новых телефонах имеют размеры около
50 нанометров. Это обуславливает огромную скорость работы электронных устройств,
а уменьшение размеров чипов увеличивает продуктивность. Нанотехнологии уже везде,
например в солнечных батареях или
в косметике. Зимой, когда на улице слякоть, мы используем защитные спреи для обуви. Как правило, они содержат наночастицы, которые обладают гидрофобными свойствами: они отталкивают воду
и не дают ей проникать внутрь.
Но главный потребитель наноматериалов
и наноустройств — это медицина.

По материалам лекции «Наномедицина: путь в будущее», прочитанной для проекта «Нау» кандидатом физико-математических наук, руководителем лаборатории физических методов биосенсорики и нанотераностики физического факультета МГУ
Любовь Андреевна Осминкина
Изображение сгенерировано
моделью ruDALL-E от Сбера
по запросу «Нанотехнологии»

Откуда берутся наночастицы?

Что такое наночастицы? Это нечто очень и очень маленькое. Попробуем понять, какой размер имеют наночастицы. Представьте, что в вашей руке апельсин. Диаметр его — где-то 10 сантиметров. А наночастицы по сравнению с этим апельсином то же самое, что и апельсин по сравнению с земным шаром. Сложно даже представить, как их можно было бы разглядеть. Но даже этими мелкими объектами можно манипулировать таким образом, чтобы оказывать воздействие на крупные объекты, то есть применять эти маленькие наночастицы
для терапии, для лечения заболеваний человека.

Методы синтеза наночастиц могут быть физико-химические и биологические. Физико-химический метод можно также разделить на два. Чтобы синтезировать наночастицы, идут «сверху вниз» — берут объемный материал и уменьшают его
до наномасштабов. Этого можно добиться литографией, механическим или ультразвуковым измельчением


или химическим травлением веществ.
В другом случае идут «снизу вверх»: берут молекулы, которые соединяют вместе
и получают наноматериал. Этого добиваются испарением, распылением, золь-гель методом. Биологический метод получения наночастиц предполагает использовать бактерии и микроорганизмы, которые в ходе своей жизни воспроизводят наночастицы. Как правило, это наночастицы серебра или наночастицы магнетитов, магнитных материалов.

Природа также создает наноматериалы,
их довольно много. Например, атомы.
Их размер — доли нанометра. Диаметр молекулы ДНК, например, около двух нанометров. Вирусы в среднем имеют размер от 10 до 20 нанометров.
Недавно открыли редкий огромный
вирус, по размерам схожий с бактерией,
это порядка 2 микрон. Гены по размеру схожи с транзисторами, это порядка 100 нанометров, а бактерии имеют размер
2 микрометра в длине.
Изображение сгенерировано
моделью ruDALL-E от Сбера
по запросу «Нанотехнологии»

// Гены по размеру
схожи с транзисторами,
это порядка
100 нанометров
// Вирусы имеют размер
от 20 до 200 нанометров

// Диаметр молекулы
ДНК составляет около
2 нанометров
Наномедицина

Наномедицина направлена на лечение заболеваний, которые тяжело поддаются привычному лечению. Например, если возникают раковые новообразования,
то стандартные методы терапии —
это химиотерапия, использование противоопухолевых лекарств, которые вводятся в кровь

внутривенно и циркулируют в организме. Когда эти малые молекулы лекарства циркулируют внутри, только часть из них аккумулируется там, где возникла опухоль. Cуществуют негативные и побочные эффекты, связанные с таким лечением: маленькие молекулы действительно частично способны проникать в любые органы и ткани и также активно фильтруются естественными фильтрами — печенью и почками. Получается, что воздействие оказывается не только на раковые, но и на здоровые клетки. Наномедицина призвана повысить эффективность стандартных методов лечения и привнести новые. Наномедицина — это контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, при котором используются наноустройства и наноструктуры.

Как наночастица находит нужный орган или раковые клетки и почему она действует именно там? Есть несколько способов аккумуляции частиц в нужном месте организма в нужное время. Например, природный способ — это эффект повышенной проницаемости и удержания.


Когда клетки превращаются в раковые,
в организме происходит неконтролируемый рост и размножение этих клеток.

Вокруг них образуется огромная сеть капилляров (тонких сосудов крови), которые несут им кислород и питательные вещества. В капиллярах кровеносных сосудов из-за
их быстрого роста появляются поры (фактически дырки в мембране), их размер порядка 100–200 нанометров. Эти маленькие «ворота» дают возможность частичкам, идущим по капиллярам, проникать сквозь стенки кровеносных сосудов и доносить лекарство до раковых клеток.

Доставка нанолекарств в нужное
место организма может быть пассивной
и активной. Наночастица, в которую загрузили лекарство, превращается
в наноконтейнер, доставляющий его
в нужное место. Наноконтейнеры вводят внутривенно, чтобы они могли циркулировать в кровотоке, и большинство циркулирующих наноконтейнеров, несущих лекарство, аккумулируется в нужной области, где находятся раковые клетки.
Это пассивная доставка лекарств. Если эти наноконтейнеры векторизовать, то есть доставлять наночастицы активно, то эффективность терапии повышается еще
в несколько раз. Для этого нужно «прицепить» на поверхность наночастиц векторы, которые будут распознавать отдельные клетки и направлять частицы именно к ним.
Наночастицы могут помочь уменьшить дозу лекарств, снизить токсичность, сделать результат более стабильным и предсказуемым. Все вместе повысит эффективность лечения.
Изображение сгенерировано моделью ruDALL-E от Сбера
по запросу «Новая медицина»


// Наномедицина
это контроль над биологическими
системами человека на молекулярном уровне
// Вирусы имеют размер
от 20 до 200 нанометров

// Диаметр молекулы
ДНК составляет около
2 нанометров
Важно, чтобы используемые наночастицы не оказывали негативных воздействий на здоровые органы тканей. Этим предметом занимается отдельная ветвь науки — нанотоксикология. Она изучает токсичность наночастиц и их пролонгированное токсическое воздействие на организм. Например, нанотоксикология пытается понять, что произойдет завтра, если мы сегодня используем наночастицы серебра в масках. Какое воздействие они окажут в долгосрочной перспективе?
Какие наноматериалы
использует медицина?

Ученые работают над методами векторизации, функционализации поверхности наночастиц различными молекулами, белками или полимерами. Некоторые наночастицы уже используются в медицинских целях и синтезируются
в лабораториях. В первую очередь это наночастицы серебра. Ученые используют их антибактериальные свойства. Полезные свойства ионов серебра хорошо известны. Если потереть наждачной бумагой серебряную ложку и опустить ее в графин
с водой, то серебро при взаимодействии
с жидкостью начнет окисляться и будет продуцировать ионы. Они обладают большой окислительной активностью
и воздействуют на стенки бактерий, таким образом фактически пробивают эти стенки и разрушают бактерии. Наночастицы серебра обладают очень мощным антибактериальным эффектом, который много где используется, в том числе
в медицинских масках.

Еще один широко изученный материал,
из которого делаются наночастицы, —
это золото. В настоящее время ученые научились синтезировать наночастицы золота различных размеров и форм —
от сферических частиц до нанотрубок, цилиндров и колец. На частицы различных форм организм откликается по- разному.
В основном наночастицы золота используются для фототермической терапии, для доставки лекарств и для диагностики различных заболеваний.
Что представляет собой фототермическая терапия? Если взять, например, наночастицу золота, ввести ее в раковую клетку и облучить светом, например лазером, то здоровые клетки не будут нагреваться, а клетки, в которые введены наночастицы золота, будут нагреваться,
и очень сильно.

Эти наночастицы фактически являются аккумулятором тепла и могут нагреваться до очень высоких температур, вплоть
до 50 °С. При таких температурах запускается механизм гибели клеток.
Таким образом, терапевтическое воздействие локализовано в той зоне,
где есть наночастицы.



Широко используются наночастицы оксида железа. Самый распространенный из материалов — это частицы магнетита Fе3О4. Они хороши тем, что такими частицами можно управлять с помощью магнитного поля. Если поднести магнит к суспензии,
в которой находятся частицы, то они притянутся, аккумулируются рядом
с магнитом. Если ввести их в кровоток и приложить магнит в том месте, где мы хотим локализовать эти частицы, то они скопятся именно там. Таким образом можно доставить частицы с лекарством в нужное место. Сейчас магнитные частицы широко используются для увеличения контраста при магнитно-резонансной томографии. Маленькое образование плохо видно на ранних стадиях, поэтому при диагностике используются магнитные наночастицы.
Они могут увеличить контраст и помочь диагностировать заболевание.

Нанолипосомы — это сферические частицы, стенки которых устроены подобно мембране клетки. Это био- совместимый материал, который не вызывает никаких токсических действий на органы, ткани и клетки. Если напитать их лекарством и ввести в кровоток, наночастицы будут аккумулироваться
в нужной области, например там, где есть раковые клетки. Они выпустят лекарство
и растворятся, биодеградируют. А лекарство окажет свое терапевтическое воздействие.

Однако самый интересный и очень перспективный материал, который можно использовать для создания наночастиц в терапевтических целях, — это кремний.
По распространенности это второй после кислорода элемент на нашей планете.
В наноформе кремний обладает всеми преимуществами полупроводниковых материалов и в то же время имеет уникальное свойство биодеградируемости: при попадании наночастиц кремния
в живой организм они растворяются
до кремниевой кислоты, которая
не оказывает токсического действия.
// Наночастицы серебра обладают очень мощным антибактериальным эффектом
// Еще один широко изученный материал,
из которого делаются наночастицы, — это золото
Новые методы диагностики и лечения
В 2013 году на мировом рынке появился российский стартап Oncobox — это диагностический тест, который позволяет подобрать наиболее эффективную терапию рака. Основатель — московский ученый Андрей Гаража. Тест работает следующим образом: программа проводит генетический анализ образца опухоли, оценивает эффективность иммунотерапии и формирует персональный рейтинг препаратов, блокирующих рост раковых клеток. В результате пациент и лечащий врач получают отчет с интерпретацией полученных результатов. Тест за счет своевременной диагностики и подбора противоопухолевых препаратов способствует снижению смертности от рака.
Авторы проекта – лауреаты премий Правительства Москвы молодым ученым
и Мэра Москвы «Новатор Москвы»


// Гаража Андрей Владимирович

// Буздин Антон Александрович

// Сорокин Максим Игоревич

// Ткачев Виктор Сергеевич
В результате использования теста Oncobox:
1

Проводятся генетические исследования сложных случаев рака
2

Наиболее эффективная терапия подбирается автоматически
3

Пациент получает персональный рейтинг, состоящий
из более чем
160 противо­опухолевых препаратов
4

Более 2000 человек прошли тестирование, эффективность лечения увеличилась
в 2 раза