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

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

достаточно сильным иммунитетом, то ему ничего не стоит их вовремя распознать и уничтожить. Но возрастающее с каждым годом число онкологических заболеваний убедительно свиде тельствует, что человеку, ослабленному стрессами, отравленно му загрязненной средой обитания и вредными привычками, просто не хватает сил эффективно бороться с этими “хитрыми” врагами. То же пресловутое курение (и пассивное в том числе) повышает риск заболевания раком легких на 60%.

Недостаток знаний о причинах появления опухолей огра ничивает и возможности их лечения. Сегодня врачи еще не ле чат раковые клетки («не перевоспитывают» их), а просто стара ются убить, чтобы продлить жизнь всего организма. Для этого у онкологов есть набор проверенных методов: операция, химио терапия, лучевая терапия или их сочетание.

Операция направлена на то, чтобы удалить саму опухоль. Для этого часто приходится вырезать больные ткани полностью, что очень травматично для организма. Такой метод лечения на ран них стадиях часто оказывается эффективным, однако часть опу холевых клеток может остаться в организме, и оперативное лече ние дополняют лучевым или химиотерапевтическим.

Лучевая терапия основана на том, что опухолевые клетки более чувствительны к различным видам облучения, чем здоро вые ткани. Поэтому их убивают, облучая больной орган, напри мер, рентгеновскими лучами. Но в этом случае часто гибнут и здоровые клетки, а из за патогенного действия ионизирующего излучения на организм часто развивается лучевая болезнь.

Химиотерапевтическое лечение также основано на повы шенной чувствительности опухолевых клеток к различным хи мических препаратам. Химиотерапия достаточно эффективна, но она сильно повреждает все клетки организма, в т. ч. кост ный мозг – главный кроветворный орган и «склад запчастей» – стволовых клеток. Поэтому увеличивать дозу можно лишь до определенных пределов.

Итак, проблема всех современных методов лечения рака заключается в том, что лекарственные препараты действуют как на больные, так и на здоровые клетки, то есть не избира тельно. Сказывается также и проблема биоусвояемости препа ратов, которые приходится вводить в больной организм в боль ших количествах, чтобы победить болезнь не умением, а чис

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

лом. Вот почему от подобных «бомбардировок» возникает мно го побочных эффектов.

Поэтому сегодня учеными всего мира ведутся активные ра боты по адресной доставке лекарств, которые будут точно попа дать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое “транспортное средство” для точной доставки ле карств в клетку, так как многие болезни (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повлиять на кото рые можно только доставив лекарство в клетку.

Поиск молекулярного транспорта начался в восьмидесятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инженерией. В частности, группе российских ученых под руко водством Александра Соболева удалось разработать специаль ную макромолекулу транспортер, способную доставить лекар ство в дефектную клетку.

Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клет ках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое доставляется макромолекулой транспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250 1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препара та, чтобы вызвать нужный эффект.

Конструкция транспортера состоит из четырех функцио нальных модулей: лиганда, эндосомолитического модуля, сиг нала внутриядерной локализации и собственно носителя лека рства. На первом этапе работает лиганд – модуль, обеспечиваю щий обнаружение больной клетки (например, раковой), ее “молекулярное узнавание”. Он же отвечает и за поглощение всей конструкции клеткой. Второй модуль – эндосомолитичес* кий – разрывает эндосому, “пузырь”, образующийся вокруг транспортера при его втягивании внутрь клетки. Далее в игру вступает третий модуль, который позволяет транспортеру про никнуть через поры ядерной мембраны. И наконец, четвертый модуль, несущий лекарство, позволяет ему приступить к вы полнению основной задачи – уничтожению ядра.

Откуда взяли модули макромолекулы транспортера? Один из используемых лигандов был взят из человеческого гормона, обладающего высоким сродством к рецепторам соответствую щей клетки мишени, эндосомолитический модуль – из дифте рийного токсина, модуль внутриядерной доставки – из белка

324

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

обезьяньего вируса, носитель лекарства – из части гемоглоби ноподобного белка кишечной палочки. Далее с помощью ген но инженерных методов была создана единая работоспособная конструкция.

“Меняя программу модулей, мы можем получить макромо лекулы транспортеры для лечения любого типа рака. К приме ру, если для лечения какого то заболевания нужно доставить лекарство не в ядро, а в другую органеллу клетки, то будет заме нена программа модуля внутриклеточной локализации. Или меняется программа носителя в зависимости от лекарственно го средства, которое необходимо доставить”, – объясняет Александр Соболев.

Помимо чисто генно инженерных методов, ведутся разра ботки и в области применения различных наносистем для об наружения и уничтожения раковых клеток. В качестве примера можно привести идею создания антираковых наносистем не посредственно в опухолевой ткани.

Было установлено, что если в клеточную ткань ввести раст воры некоторых веществ, то наночастицы этих веществ заро дятся, вырастут и соберутся в агрегаты на клеточных структурах ткани. Наночастицы почти не влияют на функционирование клеток, но делают их чувствительными к действию внешнего акустического поля (ультразвук). Если после образования на ночастиц на них подействовать акустическими волнами, то они нагреются до 43°С за время, за которое клетки без наночастиц почти не изменят температуры.

Это позволило предположить, что если найти вещества, на ночастицы которых могут формироваться в раковых клетках со значительно большей вероятностью, чем в здоровой ткани, то раковые клетки можно будет селективно нагреть и убить. И та кие вещества были найдены. Были получены интересные ре зультаты действия одного из них (терофтала) на развитие рако вой опухоли у мышей. Стало очевидным, что сами по себе на ночастицы терофтала не влияют на развитие опухоли, а акусти ческое поле лишь слабо замедляет ее рост. Но если поле нало жить после образования наночастиц терофтала, причем всего на 10 минут, объем опухоли в течение недели уменьшается на 80%!

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Использование квантовых точек в качестве люминес цирующих маркеров

Медиков и биологов чрезвычайно интересует, как переме щаются в организме различные вещества (в частности, лекар ства). Отслеживание такого перемещения позволяет им опреде лить, как распределяются и усваиваются в организме новые препараты, то есть какова их биологическая усвояемость.

До недавнего времени для подобных исследований приме нялись различные красители, называемые маркерами, подме шиваемые к исследуемому веществу. Подкрашенные клетки бы ли хорошо видны в оптический микроскоп на фоне бесцветных клеток организма, что позволяло делать довольно точные выво ды об их локализации. Но органические красители, во первых, могут быть токсичными, а во вторых, для их обнаружения тре буется облучение светом лишь определенной частоты, посколь ку различные красители отражали различные частоты спектра. Следовательно, для одновременного исследования нескольких препаратов требовалось столько же источников света.

Данную проблему удалось решить с помощью нанотехноло гий, а точнее – квантовых точек, которые мы рассматривали в одной из предыдущих глав. Напоминаем, что квантовые точки

– это полупроводниковые кристаллы нанометрового размера, имеющие уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе. Учеными бы ли получены уникальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и обладают осо бым биоинертным покрытием, которое, с одной стороны, защи щает сами квантовые точки от «нападения» ферментов и других биологических молекул, а с другой – не дает возможности ток сичным веществам попасть в организм, что очень важно для ди агностики заболеваний. Кроме того, разные группы таких нано меток можно освещать одним общим источником.

Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. В частности, их можно присоединять к биомолекулам типа антител, пептидов, белков или ДНК. А эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроектированы так, чтобы обнару живать другие молекулы (например, типичные для поверхнос ти раковых клеток).

326

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

В одном из опытов квантовые точки селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с по верхностью клеток раковой опухоли. Квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по орга низму. Нанокристаллы попадали в опухоль и накапливались там (и практически нигде больше), в результате чего опухоль оказалась хорошо различимой визуально.

Применение квантовых точек может существенно расши рить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, сое диняющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфичес ким сочетанием признаков заболевания.

Рис 199. Растворы квантовых точек выглядят как подкрашенная вода*

Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точ ную адресную доставку новых поколений лекарств.

Наносистемы и биотехнологии: подражая природе

В последнее время на стыке этих двух технологий появи лось новое направление – биомиметика (био жизнь, миметикаподобие). Живые организмы производят нанотехнологичес кие операции на протяжении 4.5 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Почему бы нанотехнологам не воспользоваться природными примера ми для построения собственных наномашин?

* Перепечатано с http://ehf.uni oldenburg.de