В шаге от бессмертия: как благодаря наномедицине будут предотвращать болезни

Ближайшее десятилетие станет революционным временем в медицине благодаря нанотехнологиям. Крошечные устройства, проникающие в наше тело, смогут не только обнаруживать и лечить болезни, но и предотвращать их появление.

Приставка «нано» используется в Международной системе единиц для описания объектов размером менее 100 нанометров, причем один нанометр равен одной миллиардной части метра. К примеру, молекула воды равна 0,1 нм, раковая клетка – 10 000 нм, а наноробот на основе ДНК – 25 нм. Таким образом, наночастица меньше, чем клетки и бактерии человека, но больше, чем отдельные молекулы. А поскольку эти крошечные частички оснащены специальными технологиями, то они могут легко проникать внутрь человеческой клетки для выявления и решения проблемы. Кроме того, размер дает наночастицам еще одно преимущество: они достаточно велики, чтобы задерживаться в крови дольше, чем обычные молекулы лекарств, но не настолько большие, чтобы закупоривать кровеносные сосуды.  

Что могут наномашины

На сегодняшний день в лечебных и диагностических целях применяется больше десяти типов наномашин. Еще сотни находятся в стадии разработки и проходят клинические испытания. Так, ученые широко используют метод прикрепления биологически активных молекул к наружной части наночастиц. Это гарантирует то, что частицы прикрепятся к конкретным тканям в организме, например, только к клеткам опухоли. А наночастицы более сложных форм (самая распространенная форма наночастиц – сферическая) успешно используются учеными для создания крошечных моторов или светоизлучающих элементов, которые работают благодаря химическим реакциям, происходящим в них. Некоторые наномашины способны даже продырявить мембрану клетки (так, как это делают вирусы) и ввести вовнутрь свою ДНК для повреждения клетки-хозяина (клетка-хозяин – организм, содержащий внутри вирус, паразита или симбиотического партнера, обычно обеспечивая его питанием и убежищем). На основе этих свойств – доставки полезного содержимого, распознания конкретных молекул и проникновения внутрь клетки – ученые разрабатывают минироботы, которые смогут самостоятельно перемещаться к месту опухоли и воздействовать непосредственно на нее. 

Области исследования

Представьте себе, что необходимое лекарство попадает в ваш организм благодаря свету фонарика, направленного на руку, а не через иглу шприца. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего доказали, что это совершенно реально. Они создали из полимера наночастицы в форме шариков, которые распадаются при попадании на них ультрафиолетового света. Эта простая система позволяет вводить в организм необходимый медикамент каждый раз, когда на определенный участок кожи попадают УФ-лучи. Исследователи считают, что данное изобретение станет прорывом в лечении диабета: больные смогут регулировать уровень инсулина в крови, не прибегая к инъекциям, а лишь направляя поток света на определенный участок кожи. 

Та же группа ученых заявила о положительных результатах в лечении рака легких и печени у мышей благодаря введению в их организм наночастиц, генерирующих инъекции. Наночастицы, словно контейнеры, наполненные необходимым веществом, доставляют в раковые клетки более высокие дозы лекарства, чем растворяемые в крови медикаменты, и воздействуют непосредственно на пораженные клетки, не оказывая токсического воздействия на весь организм.

Еще одно приоритетное направление исследований наномедицины – наноинструменты для проведения операций. Костас Костарелос, доктор философии кафедры наномедицины в университетском колледже Лондона, занимается разработкой хирургических инструментов, которые позволят хирургам проводить операции на максимальном уровне точности. «Наношприцы, наноскальпели и наноиглы дадут возможность проводить операции на отдельных клеточных структурах. Например, наконечник скальпеля сам будет определять нужный клеточный компонент и обеспечит невероятный уровень точности манипуляций», – объясняет ученый.

Третье направление разработок наномедицины – информирование об изменениях в организме. Например, наночастицы с металлическим внутренним ядром и защитной оболочкой, известные как квантовые точки, модифицируются таким образом, чтобы излучать флуоресцентный свет при появлении определенного заболевания, которое затем устанавливается путем сканирования. «Когда мы говорим, что нанороботы сделаны из металла, надо понимать, что мы не имеем в виду металл в том значении, в каком его используют люди. Мы имитируем и используем те молекулы, которые вырабатывает наш собственный организм», – поясняет Хендрик Дитц, доктор философии, руководитель лаборатории биомолекулярных нанотехнологий в Мюнхене. 

Жесткие и мягкие

В зависимости от вещества, используемого при создании, все нанотехнологии делятся на «жесткие» и «мягкие». «Жесткие» нанороботы изготавливаются на основе графена – типа углерода, который можно преобразовывать в пластины толщиной всего в один атом. Из этих пластин формируются крошечные фигуры разных форм: полые трубки и сферы со встроенными механизмами, имеющими специфические свойства. Но ученые отдают предпочтение «мягким» нанотехнологиям, в которых участвуют только биологические материалы, такие как белки, жиры и ДНК. Эти сложные молекулы, вырабатываемые в клетках организма, выполняют различные функции и рассматриваются как «натуральные нанокомпоненты». Хендрик Дитц говорит, что в основе «мягких» нанотехнологий лежит принцип, который использует сам организм для создания мельчайших частиц, их транспортировки и борьбы с патологическими микроорганизмами. 

Идеальным материалом для «мягких» нанотехнологий оказалась ДНК. Вместо того чтобы пытаться искусственно создать частицы, ученые используют отрезок ДНК с определенной генетической последовательностью. То, как различные элементы взаимодействуют друг с другом, приводит к формированию предсказуемых двумерных и трехмерных структур. Чем длиннее ДНК, тем сложнее формы, которые могут быть смоделированы.

Технология, направленная на конструирование молекул ДНК, называется ДНК-оригами. За этим термином скрывается метод запрограммированного конструирования молекул ДНК, способных к самосборке в заранее рассчитанных и смоделированных условиях. Такие конструкции могут быть как плоскими, так и объемными, довольно простыми и чрезвычайно замысловатыми, например, в виде своеобразного  контейнера, который открывается, закрывается и самоликвидируется по команде.

ДНК-оригами

Ученые из университета штата Аризона и Китайской академии наук провели эксперимент по использованию нанороботов на основе ДНК для уничтожения раковых клеток путем отсоединения их кровоснабжения. Наночастицы были сделаны из плоских прямоугольных ДНК-пластин размером от 60 до 90 нм. К их поверхности был прикреплен тромбин – фермент, свертывающий кровь. По замыслу ученых, попав на поверхность опухоли, тромбин должен был сгустить кровь в питающих опухоль сосудах, тем самым убив раковые ткани. Для того чтобы такие нанороботы точно нашли цель, к поверхности других наночастиц были прикреплены ДНК-аптамеры – вещества, которые при контакте с раковыми опухолями связываются с нуклеолином (белком, находящимся только на поверхности опухолей, а не на здоровых клетках). Таким образом, частицы с ДНК-аптамерами стали сигнальными маячками для нанороботов с тромбином на поверхности и позволили им прикрепиться точно к пораженным клеткам, не затрагивая здоровые ткани. По заявлению ученых, эксперимент прошел успешно.   

Разработки ДНК-оригами поражают! Чтобы продемонстрировать возможность создавать ДНК-оригами любой конфигурации, ученые «построили» микроскопические ДНК в форме букв латинского алфавита. «С точки зрения точности и способности к самосборке, никакой другой материал не может конкурировать с ДНК, – говорит Хендрик Дитц. – ДНК-молекулы сами складываются в точную форму, ориентируясь только на запрограммированную нами последовательность пар оснований».

Вирусы

Обычно вирусы рассматриваются как организмы, вредящие здоровью. Но ученые увидели в них перспективу для создания биологических наномашин, которые могут проникать глубоко в клетку-хозяина и вводить генетически полезные вещества. Биологи все чаще используют неживые вирусы, чтобы внести в клетки человека новые гены или заменить составляющие, которые вызывают генетические заболевания. 

Для того чтобы иммунная система не воспринимала такие вирусы как чужеродный организм и не начинала их уничтожать, специалисты изменили их внешнюю оболочку и, как и в случае с наночастицами, созданными в лабораториях, модифицировали внешнюю поверхность для решения конкретной проблемы.

Что дальше?

Иногда кажется, что безграничный потенциал наномедицины скоро приведет человечество к бессмертию. Известный американский изобретатель и футуролог Рэймонд Курцвейл заявил, что в середине следующего столетия в кровотоке каждого человека будут присутствовать нанороботы на основе ДНК, которые смогут сканировать каждую клетку, не допуская повреждения ни одной из них. Таким образом, развитие болезней станет просто невозможным. 

Очень оптимистичны и ученые. Они считают, что уже в краткосрочной перспективе интеграция биологических нанотехнологий и традиционной инженерии приведет к революции в медицине. «Чем больше транзисторов мы устанавливаем в счетных приборах, тем более точные вычисления получаем. То же самое касается наномашин. Сочетание сверхтонких, самоорганизующихся наноструктур ДНК и существующих технологий может помочь нам достичь нового уровня эффективности в медицине».

На данный момент главная цель состоит в том, чтобы доказать, что нанотехнологии не только эффективны, но и безопасны. Поскольку наночастицы остаются в организме дольше, чем традиционные препараты, существует больший риск того, что они могут привести к нежелательным последствиям. Важно полностью разобраться, насколько нанороботы (особенно созданные по «жестким» технологиям) токсичны при накоплении в организме. И если многочисленные эксперименты покажут, что нанотехнологии безвредны, то медицина войдет в новую эру: более умных, точных и безопасных методов лечения и профилактики болезней.