За крок від безсмертя: як завдяки наномедицині запобігатимуть хворобам

Найближче десятиліття стане революційним часом у медицині завдяки нанотехнологіям. Крихітні пристрої, які проникають в наше тіло, зможуть не тільки виявляти і лікувати хвороби, але і запобігати їх появі.

Префікс «нано» використовується в Міжнародній системі одиниць для опису об'єктів розміром менше 100 нанометрів, причому один нанометр дорівнює одній мільярдній частині метра. Наприклад, молекула води дорівнює 0,1 нм, ракова клітина – 10 000 нм, а наноробот на основі ДНК – 25 нм. Таким чином, наночастинка менше, ніж клітини і бактерії людини, але більше, ніж окремі молекули. А оскільки ці крихітні частинки оснащені спеціальними технологіями, вони можуть легко проникати всередину людської клітини для виявлення і вирішення проблеми. Крім того, розмір дає наночастинкам ще одну перевагу: вони досить великі, щоб затримуватися в крові довше, ніж звичайні молекули ліків, але не настільки великі, щоб закупорювати кровоносні судини.

Що можуть наномашини

На сьогоднішній день з лікувальною і діагностичною метою застосовується більше десяти типів наномашин. Ще сотні перебувають у стадії розробки і проходять клінічні випробування. Так, вчені широко використовують метод прикріплення біологічно активних молекул до зовнішньої частини наночастинок. Це гарантує те, що частинки прикріпляться до конкретних тканин в організмі, наприклад, тільки до клітин пухлини. А наночастинки більш складних форм (найпоширеніша форма наночастинок – сферична) успішно використовуються вченими для створення крихітних моторів або світловипромінюючих елементів, які працюють завдяки хімічним реакціям, що відбуваються в них. Деякі наномашини здатні навіть продірявити мембрану клітини (так, як це роблять віруси) і ввести всередину свою ДНК для пошкодження клітини-господаря (клітина-господар – організм, що містить усередині вірус, паразита або симбіотичного партнера, зазвичай забезпечуючи його живленням і притулком). На основі цих властивостей – доставки корисного вмісту, розпізнання конкретних молекул і проникнення всередину клітини – вчені розробляють мініроботів, які зможуть самостійно переміщатися до місця пухлини і впливати безпосередньо на неї.

Галузі дослідження

Уявіть собі, що необхідні ліки потрапляють до вашого організму завдяки світлу ліхтарика, спрямованого на руку, а не через голку шприца. Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго довели, що це абсолютно реально. Вони створили з полімеру наночастинки у формі кульок, які розпадаються при потраплянні на них ультрафіолетового світла. Ця проста система дозволяє вводити в організм необхідний медикамент щоразу, коли на певну ділянку шкіри потрапляють УФ-промені. Дослідники вважають, що даний винахід стане проривом в лікуванні діабету: хворі зможуть регулювати рівень інсуліну в крові, не вдаючись до ін'єкцій, а лише направляючи потік світла на певну ділянку шкіри.

Та ж група вчених заявила про позитивні результати в лікуванні раку легень і печінки у мишей завдяки введенню до їх організму наночастинок, що генерують ін'єкції. Наночастинки, немов контейнери, наповнені необхідною речовиною, доставляють у ракові клітини більш високі дози ліків, ніж медикаменти, що розчиняються в крові, та впливають безпосередньо на уражені клітини, не чинячи токсичного впливу на весь організм.

Ще один пріоритетний напрямок досліджень наномедицини – наноінструменти для проведення операцій. Костас Костарелос, доктор філософії кафедри наномедицини в університетському коледжі Лондона, займається розробкою хірургічних інструментів, які дозволять хірургам проводити операції на максимальному рівні точності. «Наношпріци, наноскальпелі та наноголки дадуть змогу проводити операції на окремих клітинних структурах. Наприклад, наконечник скальпеля сам буде визначати потрібний клітинний компонент і забезпечить неймовірний рівень точності маніпуляцій», – пояснює вчений.

Третій напрямок розробок наномедицини – інформування про зміни в організмі. Наприклад, наночастинки з металевим внутрішнім ядром і захисною оболонкою, відомі як квантові точки, модифікуються таким чином, щоб випромінювати флуоресцентне світло при появі певного захворювання, яке потім встановлюється шляхом сканування. «Коли ми говоримо, що нанороботи зроблені з металу, треба розуміти, що ми не маємо на увазі метал в тому значенні, в якому його використовують люди. Ми імітуємо і використовуємо ті молекули, які виробляє наш власний організм», – пояснює Хендрік Дітц, доктор філософії, керівник лабораторії біомолекулярних нанотехнологій в Мюнхені.

Жорсткі та м'які

В залежності від речовини, що використовується при створенні, всі нанотехнології діляться на «жорсткі» та «м'які». «Жорсткі» нанороботи виготовляються на основі графену – типу вуглецю, який можна перетворювати на пластини товщиною всього в один атом. З цих пластин формуються крихітні фігури різних форм: порожнисті трубки і сфери із вбудованими механізмами, що мають специфічні властивості. Але вчені віддають перевагу «м'яким» нанотехнологіям, в яких беруть участь тільки біологічні матеріали, такі як білки, жири і ДНК. Ці складні молекули, що виробляються в клітинах організму, виконують різні функції і розглядаються як «натуральні нанокомпоненти». Хендрік Дітц каже, що в основі «м'яких» нанотехнологій лежить принцип, який використовує сам організм для створення найдрібніших частинок, їх транспортування і боротьби з патологічними мікроорганізмами.

Ідеальним матеріалом для «м'яких» нанотехнологій виявилася ДНК. Замість того щоб намагатися штучно створити частки, вчені використовують відрізок ДНК з певною генетичною послідовністю. Те, як різні елементи взаємодіють один з одним, призводить до формування передбачуваних двовимірних і тривимірних структур. Чим довше ДНК, тим складніші форми, які можуть бути змодельовані.

Технологія, спрямована на конструювання молекул ДНК, називається ДНК-орігамі. За цим терміном ховається метод запрограмованого конструювання молекул ДНК, здатних до самоскладання в заздалегідь розрахованих і змодельованих умовах. Такі конструкції можуть бути як плоскими, так і об'ємними, досить простими і надзвичайно мудрими, наприклад, у вигляді своєрідного контейнера, який відкривається, закривається і самоліквідується за командою.

ДНК-орігамі

Вчені з університету штату Арізона і Китайської академії наук провели експеримент з використання нанороботів на основі ДНК для знищення ракових клітин шляхом від'єднання їх кровопостачання. Наночастинки були зроблені з плоских прямокутних ДНК-пластин розміром від 60 до 90 нм. До їх поверхні був прикріплений тромбін – фермент, що згортає кров. За задумом вчених, потрапивши на поверхню пухлини, тромбін повинен був згустити кров у судинах, які живлять пухлину, тим самим убивши ракові тканини. Аби такі нанороботи точно знайшли ціль, до поверхні інших наночастинок були прикріплені ДНК-аптамери – речовини, які при контакті з раковими пухлинами зв'язуються з нуклеоліном (білком, що знаходиться тільки на поверхні пухлин, а не на здорових клітинах). Таким чином, частинки з ДНК-аптамерами стали сигнальними маячками для нанороботів з тромбіном на поверхні та дозволили їм прикріпитися точно до уражених клітин, не зачіпаючи здорові тканини. За заявою вчених, експеримент пройшов успішно.

Розробки ДНК-орігамі вражають! Аби продемонструвати можливість створювати ДНК-орігамі будь-якої конфігурації, вчені «побудували» мікроскопічні ДНК у формі букв латинського алфавіту. «З точки зору точності та здатності до самоскладання, жоден інший матеріал не може конкурувати з ДНК, – каже Хендрік Дітц. – ДНК-молекули самі складаються в точну форму, орієнтуючись тільки на запрограмовану нами послідовність пар основ».

Віруси

Зазвичай віруси розглядають як організми, що шкодять здоров'ю. Але вчені побачили в них перспективу для створення біологічних наномашин, які можуть проникати глибоко в клітину-господаря і вводити генетично корисні речовини. Біологи все частіше використовують неживі віруси, щоб внести в клітини людини нові гени або замінити складові, які викликають генетичні захворювання.

Аби імунна система не сприймала такі віруси як чужорідний організм і не починала їх знищувати, фахівці змінили їхню зовнішню оболонку та, як і у випадку з наночастинками, створеними в лабораторіях, модифікували зовнішню поверхню для вирішення конкретної проблеми.

Що далі?

Іноді здається, що безмежний потенціал наномедицини скоро приведе людство до безсмертя. Відомий американський винахідник і футуролог Реймонд Курцвейл заявив, що в середині наступного століття у кровотоці кожної людини будуть присутні нанороботи на основі ДНК, які зможуть сканувати кожну клітину, не допускаючи пошкодження жодної з них. Таким чином, розвиток хвороб стане просто неможливим.

Дуже оптимістичні й вчені. Вони вважають, що вже в короткостроковій перспективі інтеграція біологічних нанотехнологій і традиційної інженерії призведе до революції в медицині. «Чим більше транзисторів ми встановлюємо в рахункових приладах, тим точніші обчислення отримуємо. Те ж саме стосується наномашин. Поєднання надтонких наноструктур ДНК, що самоорганізуються, та існуючих технологій може допомогти нам досягти нового рівня ефективності в медицині».

На даний момент головна мета полягає в тому, аби довести, що нанотехнології не тільки ефективні, але і безпечні. Оскільки наночастинки залишаються в організмі довше, ніж традиційні препарати, існує більший ризик того, що вони можуть призвести до небажаних наслідків. Важливо повністю розібратися, наскільки нанороботи (особливо створені за «жорсткими» технологіями) токсичні при накопиченні в організмі. І якщо численні експерименти покажуть, що нанотехнології нешкідливі, то медицина увійде в нову еру: розумніших, точних і безпечних методів лікування і профілактики хвороб.