Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Метод был изобретен в 1987 г, и в то время ученым прихо дилось каждые несколько минут вручную переставлять пробир ки из одной водяной бани в другую и после каждого цикла до бавлять в них новую порцию фермента. Сегодня ту же работу выполняют миниатюрные автоматизированные лаборатории. Как видим, менее чем за 20 лет метод ПЦР усовершенствовал ся примерно так же, как компьютеры – за полвека.

Компания CombiMatrix предложила чип размерами с поч товую марку для определения биологической опасности. Уст ройство, содержащее такой чип, может определить присутствие нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в соста ве бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix вы пустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), который можно использовать в полевых условиях. При бор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Каждая микроскопическая ячейка чипа за меняет установку для проведения ПЦР. Прибор анализирует ДНК и соотносит с одним из запрограммированных типов па тогенной ДНК. Ячейки, в которых присутствует ДНК одного из определяемых чипом патогенных микроорганизмов, флюорес цируют, а их свечение улавливается датчиком. Процесс обра ботки четырех различных образцов занимает 30 минут. Как го ворят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет со бой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной).

CombiMatrix также выпустила устройство на основе чипа, в котором проводится иммуноферментный анализ. В его ячейках светятся антитела к ядам, не содержащим ДНК. Такое устрой ство может опознавать 5 токсинов типа рицина.

Для производства лабораторий на чипе используются поч ти те же технологии, что и для производства микросхем, вклю чая литографию и травление. Однако лаборатория на чипе, в отличие от планарной микросхемы, должна быть трехмерной. Причина заключается в том, что если электричество может протекать по плоскому проводу, то жидкость не течет по сплюс нутому шлангу. Таким образом, при производстве лабораторий на чипе используются совмещенные методы планарной и МЕМS/NEMS технологий.

318

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Итак, лаборатория на чипе представляет собой МЭМС уст ройство для биохимических ана лизов. Принимая во внимание стремительный прогресс в облас ти МЭМС систем, можно прог нозировать, что в дальнейшем размеры и стоимость устройств будут уменьшаться (а функцио нальность, соответственно, рас

ти), и через несколько лет такая лаборатория станет для нас та ким же привычным средством диагностики самочувствия, как сегодня термометр.

Нанотехнологии против вирусов и бактерий

Бактерицидные свойства наночастиц серебра подробно описаны в главе, посвященной химическим аспектам нанотех нологий. Поэтому здесь мы лишь кратко перечислим некото рые возможности их применения в медицинских целях:

Препараты на основе наночастиц для эффективного за лечивания ран;

Обеззараживающие угольные фильтры с наночастицами;

Бактерицидные краски для профилактики заболеваний, передающихся воздушно капельным путем;

Самодезинфицирующаяся одежда и белье;

Обеззараживающие аэрозоли и др.

Кроме того, как оказалось, серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бакте риями. Недавно ученые из Питсбургского университета созда ли нанокатализатор, который производит углеродные нанот рубки одинакового размера и заставляет их собираться в струк туру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различ ных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях E. coli отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис197. Фотоизображение "ковра" из нанотрубок*

Рис 198. Нанотрубка протыкает бактериальную мембрану*

При взгляде на рисунок на ум приходит интересная анало гия: когда человек только начал осваивать мир, он использовал копье для охоты и борьбы с опасными тварями. Сегодня, про никнув в мир клеток и бактерий, человек также “идет с копьем на бактерию”, используя в качестве оружия острую и тонкую нанотрубку.

* Перепечатано с http://newsbureau.upmc.com/

320

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Если говорить о потенциальных применениях этого откры тия, то, возможно, «наноковер» может быть использован в ка честве биологического детектора либо бактерицидной поверх ности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.

Адресная доставка лекарств в пораженные клетки

Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его мо лекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность моле кул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходи мы, называется биологической усвояемостью.

Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые послед ствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противора ковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки.

Феномен раковых клеток, с точки зрения биотехнолога, заслуживает отдельного рассмотрения. Онкологические забо левания являются одной из главных причин смертности. Самое поразительное, что смерть человека вызывают его же собствен ные клетки, превратившиеся каким то образом в бессмертные. В общих чертах этот процесс выглядит следующим образом.

По замыслу природы, все клетки организма должны регу лярно обновляться, то есть какое то время жить, делиться, функционировать, а затем умирать, освобождая пространство для своих молодых собратьев. Во взрослом организме деление клеток строго контролируется и происходит в разных тканях по разному, а некоторым клеткам (например, нейронам) деле ние вообще запрещено. Иначе нельзя, ведь если бы каждая клетка делилась, как ей вздумается, организм быстро превра тился бы в бесформенный сгусток клеток.

В природе роль биологических часов, регулирующих дли тельность жизни клетки, выполняют так называемые теломеры

– особые участки ДНК на концах хромосом. Каждое деление

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

клетки сопровождается укорачиванием ее теломеров, и, когда последние укорачиваются до предельных размеров, клетки «понимают», что пришла пора умирать, и запускают механизм клеточного самоубийства – апоптоза. Раковые же клети не подвержены процессу старения, поскольку всякий раз «умуд ряются» восстанавливать длину своих теломеров при помощи особого фермента теломеразы, и поэтому способны размно жаться бесконечно.

Врезультате действия патогенных физических и химичес ких факторов в раковую может превратиться любая клетка ор ганизма. До поры до времени такая клетка ничем не отличается от других и строго подчиняется “правилам общежития”, при нятым в многоклеточном сообществе. Но в какой то момент она перестает подчиняться законам природы и начинает беско нтрольно делиться, требуя все больше территориальных, мате риальных и энергетических ресурсов организма в ущерб дру гим, более “законопослушным” клеткам (причем такое поведе ние передается и всему потомству раковой клетки).

Вместе скопления быстро размножающихся раковых кле ток образуется опухоль, которая, если ее вовремя не ликвидиро вать, может дать метастазы – множественные очаги болезни, возникающие по всему телу в результате распространения ра ковых клеток кровотоком. В процессе метастазирования, как правило, уже поздно что либо делать – человек обречен на мед ленную мучительную смерть.

Коварство клетки предательницы состоит в том, что для «сил безопасности» нашего организма, иммунной системы, эта клетка – своя, такая же, как и все остальные клетки. Вот почему организм, способный с помощью иммунитета успешно бороть ся с вторжением извне всевозможных бактерий и вирусов, часто оказывается беспомощным перед лицом “внутреннего врага”. Правда, в организме есть еще и “тайная полиция”, способная на ранних стадиях справиться с раковой клеткой. Это особые клет ки, T лимфоциты (их еще называют Т*киллерами). Однако ра ковая клетка умеет «обманывать» их, выделяя в окружающую среду особый токсин, нарушающий нормальную для Т килле ров кислотность (pH) и тем самым не подпуская их к себе.

Существует гипотеза, что раковые клетки периодически появляются в каждом организме, но если организм обладает

322