Нанобиотехнология

Современные перспективы наноустройств в медицине

Самособирающиеся контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

Исследователи из медицинского центра Джона Хопкинса разработали самособирающиеся контейнеры кубической формы, по размерам не превышающие пылинку. Такие контейнеры могут служить для доставки лекарств в организме человека. Они являются относительно недорогими, и могут производиться в массовом порядке в процессе, объединяющем технологию изготовления чипов с простой химией. Кроме того, благодаря своей металлической структуре, положение контейнеров внутри тела может отслеживаться с помощью магнитного резонанса.

 

Методика  создания таких контейнеров, а также  результаты успешных лабораторных испытаний  были опубликованы в декабрьском  выпуске журнала Biomedical Microdevices. В экспериментах контейнеры удерживали и отпускали микрокапли веществ и живые клетки, то есть то, что широко используется в медицинском лечении.

Новый процесс  создания трехмерных контейнеров для  захвата отдельных клеток и доставки медикаментов это принципиальное новое  устройство, которое приведет к поколению 'умных таблеток'.

Микроконтейнеры, разработанные в лаборатории, в будущем будут содержать и электронные компоненты. Это позволит им действовать в качестве биосенсоров в теле человека или же высвобождать лекарства в ответ на поступивший извне радиосигнал.

Чтобы создать  контейнеры, лучше всего начать с  методик, применяемых в микроэлектронике: осаждение тонких пленок, фотолитография и электроосаждение

Затем исследователи  поместили на края квадратов 'крючки' из металлического припоя для того, чтобы скрепить их. При быстром  нагревании припой плавился, и его  поверхностное натяжение стягивало  соседние квадраты вместе, тем самым, образуя куб. После охлаждения припой застывал, и форма куба сохранялась. Чтобы быть уверенными в том, что  наша заготовка действительно свернулась в куб, мы должны располагать 'крючки' очень точно. Но зато такая самоорганизующаяся методика позволяет создавать большое  количество контейнеров одновременно и достаточно дешево'.

Созданные контейнеры покрыты ультратонким слоем золота, так что они вряд ли смогут вызвать  токсический эффект в теле человека. Пока не проводилось тестов по их введению в живые организмы, но ученые уже  провели лабораторные исследования, показавшие, как микроконтейнеры могут работать в медицине.

Ученые использовали микропипетки для введения внутрь кубов  суспензии, содержащей микрокапли лекарств. Было показано, что высвобождение содержимого может выполняться через колебания куба. Кроме того, исследователи помещали внутрь и человеческие клетки, которые продолжали там жить.

Для определения  местоположения контейнеров с использованием магнитного резонанса были проведены  исследования под руководством Баржо Гими (Barjor Gimi). В эксперименте контейнеры двигались по S-образному каналу. Было установлено, что врачи могут использовать неинвазивную методику для того, чтобы определять, где находятся контейнеры с лекарством. Наконец, некоторые контейнеры, содержащие никель, могут направляться под действием магнитного поля в заданную область человеческого тела [3].

Наночипы

Наночипы к атомно-силовому микроскопу используются для диагностики инфекционных и соматических заболеваний. Метод атомно-силовой микроскопии основан на мониторинге сил Ван-дер-Ваальса между измерительным элементом-иглой микроскопа (размер чувствительного элемента имеет порядок 1-10 нм) и сканированной поверхностью макромолекулы. Анализ взаимодействия позволяет получить изображение макромолекулы, определить ее размеры и выявить комплексы молекул зондов с маркерами заболеваний - например, белок-партнер, антиген-антитело. В России производятся серийные одноканальные атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие проводить исследования структуры материалов. Биологические макромолекулы, в том числе и макромолекулярные маркеры заболеваний, активизируются в узких диапазонах температур, давлений и влажности. Поэтому для создания наночипов к одноканальному АСМ с иммобилизованными в определенном порядке биомолекулами (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами), которые могут селективно захватывать маркеры заболеваний из биологической жидкости на уровне единичных молекул, что очень важно для ранней диагностики, например, онкологических, инфекционных и других заболеваний, необходимо адаптировать серийный атомный силовой микроскоп.

CD также могут  быть применены в качестве  биочипов для диагностики инфекционных и соматических заболеваний.

Наночип к CD-ROM - это лаборатория на CD-диске, которая представляет собой компакт-диск с нанесенными на него чувствительными зонами биомолекул (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами) и анализирующее устройство - CD-ROM к персональному компьютеру. Стандарт записи на компакт-диск предусматривает наличие информации, которая позволяет считывателю исправлять значительное количество ошибок, возникающих из-за загрязнения поверхности диска. Существуют способы получить служебную информацию с помощью специальных команд управления считывателя. Это дает возможность оценить состояние поверхности оптического диска в любой его точке.

Метод основан  на анализе ошибок считывания первичной  информации с компакт-диска (CD). При  нанесении на биочип образца, содержащего биомолекулы-партнеры к иммобилизованному биослою, формируются молекулярные комплексы, которые увеличивают количество погрешностей из-за изменения оптических свойств поверхности диска. Они возникают вследствие образования комплексов между иммобилизованными биослоями и биомолекулами биологической жидкости, в том числе с биомолекулами плазмы крови на поверхности компакт-диска.

Разрабатываемое диагностическое устройство может  быть применено в простых клинико-диагностических  лабораториях, не оснащенных специальным  оборудованием, а некоторые тесты  можно адаптировать для проведения домашнего анализа.

 

Такое устройство, способное обнаруживать буквально  отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления  генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ [4].

Фосфолипидные наносистемы

Фосфолипидные наносистемы применяются для введения лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины - в эндокринологии, пульмонологии, кардиологии, онкологии и т.д. При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам - переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и малыми размерами.

Директор  НИИ биомедицинской химии им.В.Н. Ореховича академик РАМН А.И. Арчаков считает, что разработка технологии и создание лекарственных препаратов на основе фосфолипидных наночастиц позволит организовать выпуск отечественных препаратов нового поколения, снабженных средствами неселективного транспорта (доксорубицин, метотрексат, рибавирин и др.), или направленного рецепторно-опосредованного транспорта (РЖД-блеомицин), действие которого основано на селективном сродстве к рецепторам метастазирующих клеток. Разработана и сертифицирована фосфолипидная наносистема с диаметром наночастиц от 25 до 50 нм (фосфоглив для внутривенных инъекций).

Таким образом, по мнению ученых, создание нанодиагностикумов, а также наночастиц, служащих контейнерами для доставки лекарств, стало перспективным направлением развития нанобиотехнологий [5].

 

 

Заключение

Перспективы развития нанотехнологий с помощью нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой "серой слизи" может покрыть всю Землю, - являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными.

Перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление [1]. Поэтому я считаю что медицина на нано уровне будет намного эффективней чем прежняя, но применять её в качестве создания супер людей, я категорически против. Эволюция должна идти естественным путем, а ребенок обделенный этим правом будет напоминать сам работа. Мы должны использовать её с умом там где она по настоящему необходима. Она не в коем случае не должна становится чем то вроде пластической хирургий, которую используют люди у которых и так здоровый организм.

 

 

Список литературы

1.  Ю.Д.  Семчиков. "Дендримеры - новый класс полимеров".

2.  Соросовский "Магия микрочипов". "В мире науки", ноябрь, 2002, стр.6-15.

3.  Сканирующая  зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И.В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.

4.  Жан-Мари  Лен. "Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы". Новосибирск, "Наука", 1998 г.

5.  C.Б.  Нестеров. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые информационные технологии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004, 421 с., с.21-22.

6.  И.В.  Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" - М.: МИЭМ, 2002, с.244-247

7.  И.В.  Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с.248-253

8.  http://www.gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w58k-nanomed2/

9.  http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/samosobirayuschiesya-konteyneryi-d

10.  http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanotehnologii-v-meditsine-nanochipyi.html

11.  http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanotehnologii-v-meditsine-fosfolipidnyie - nanosistemyi.html

Содержание

Введение

1.    Определение биотехнологии

2.    Этапы развития биотехнологии

3.    История развития биотехнологии  (даты, события)

4.    Новые технологии в биофармацевтики

Заключение

Список литературы

 

Введение

Биотехнология — одна из важнейших современных  научных дисциплин, необходимых  фармацевту, работающему как в  лабораториях и цехах предприятий, выпускающих лекарственные средства, так и в аптеках и контрольных  учреждениях. В каждом случае помимо знания общих основ этой науки (и  сферы производства) обязательно  также глубокое знакомство с теми ее разделами, которые будут наиболее близки профилю работы специалиста. Знакомство с биотехнологией необходимо всем выпускникам медицинских вузов  независимо от их специализации: биотехнологические методы все более интенсивно проникают  в практику диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний, современные же концепции биотехнологии способствуют формированию мировоззрения человека, адекватного стремительному течению научно-технического прогресса в современном мире.

В общем смысле технология, как правило, связана  с производством, целью которого является удовлетворение потребностей человеческого общества. Иногда высказывается  мнение, что биотехнология — это  осуществление природного процесса в искусственных, созданных человеком  условиях. Однако в последнее десятилетие  на основе биотехнологических методов  в биореакторах (техногенных нишах) воспроизводятся не только природные, но и не протекающие в природе процессы с использованием ферментов (биокатализаторов — бесклеточных ферментных комплексов), одноклеточных и многоклеточных организмов.

 

1. Определение  биотехнологии

Общепризнано, что содержанием биотехнологии  является использование достижений фундаментальных биологических  наук в практических целях. Четверть века назад Европейская федерация  по биотехнологии выдвинула следующий  тезис: «Биотехнология — применение биологических систем и процессов  в промышленности и сфере услуг», не подчеркнув научное содержание биотехнологии; кроме того, слишком широким представляется понятие «сфера услуг». На одном  из конгрессов 10 лет спустя было дано более подробное определение: «Биотехнология — это наука об основах реализации процессов получения с помощью  биокатализаторов разных продуктов  и об использовании таких процессов  при защите окружающей среды», все  же неоправданно сужающее ее возможности.

В некоторых  учебных пособиях биотехнология  трактуется как «направление научно-технического прогресса, использующее биологические  процессы и агенты для целенаправленного  воздействия на природу, а также  в интересах промышленного получения  полезных для человека продуктов, в  частности лекарственных средств».

Из этого  и предыдущих определений следует, что биотехнология — и наука, и сфера производства. Она включает разделы энзимологии, промышленной микробиологии, прикладной биохимии, медицинской  микробиологии и биохимии, а также  разделы, связанные с конструированием заводского оборудования и созданием  специализированных поточных линий.

В современных  условиях нередко наблюдается тесное переплетение биотехнологии и биоорганической  химии. Так, при получении многих лекарственных веществ используются перемежающиеся этапы био- и органического синтеза с последующей трансформацией целевых продуктов, осуществляемой биологическим или химическим методом. При обсуждении перспектив биотехнологии и ее стратегических целей все чаще подчеркивается ее связь с молекулярной биологией и молекулярной генетикой. Широкое распространение получило понятие молекулярной биотехнологии как научной дисциплины, уже в основном сформировавшейся на стыке технологии рекомбинантной ДНК (генетическая или генная инженерия) и традиционных биологических дисциплин, в первую очередь микробиологии, что объясняется техническими причинами более легкого оперирования микробными клетками. Ведется конструирование новых продуцентов биологически активных веществ с помощью технологии рекомбинантной ДНК. В настоящее время бурно развивается и такая область молекулярной генетики как геномика, основная цель которой - полное познание генома, т.е. совокупности всех генов любой клетки, включая клетки человека. Путем секвенирования — установления полной последовательности нуклеотидов в каждом без исключения гене создается своеобразное «досье», отражающее не только видовые, но и индивидуальные особенности организма.