ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Когда-нибудь флотилии нанопрепаратов и устройств, использующих биосовместимые двигатели и топливо, смогут самостоятельно добираться в любое место в организме человека.
Прежде чем это станет возможным, необходимо добиться того, чтобы нанопрепараты и устройства в своем перемещении в организме не мешали его работе и не разрушали ткани?
Сейчас биоинженеры разрабатывают способ целевой доставки наночастиц с помощью магнитных полей и ультразвука.
Альтернативный способ адресной доставки препаратов основан на изготовлении нанороботов из сегментов ДНК. Некоторые из уже созданных устройств работают как контейнеры, которые открываются и выгружают содержимое только при определенных условиях.

Согласно прогнозам экспертов в области наномедицины, в долгосрочной перспективе появятся крошечные терапевтические средства, которые смогут самостоятельно двигаться к заданной — и никакой другой — цели, в какой бы части тела та ни находилась. Прибыв на место, такие самонаводящиеся устройства смогут решать самые разные задачи — от высвобождения лекарственных веществ до корректировки в реальном времени хода лечения. Выполнив свою миссию, они подвергнутся биодеградации, исчезнув без следа. Эти так называемые нанороботы будут изготавливать из биосовместимых материалов, магнетиков и даже из цепочек ДНК. Критерием при отборе материала будут служить наличие у них определенных свойств на атомном уровне и способность беспрепятственно перемещаться внутри тела, не вызывая иммунной реакции и не повреждая ткани.

На реализацию этой идеи потребуется десятилетие, а возможно и два, но исследователи уже обдумывают решение некоторых технических проблем. Самая главная из них— как убедиться, что наноустройства доберутся до цели.

Энергия волн

 

Большинство применяемых сегодня лекарственных веществ распространяются в организме с током крови, куда они попадают непосредственно путем инъекции либо — при пероральном приеме — всасываются из желудочно-кишечного тракта. И в том и в другом случаях они попадают как в место назначения, так и туда, где могут нанести вред. В отличие от этого нанопрепараты будут направляться только к опухоли или другим целевым тканям и именно там высвобождать активные вещества.

«В ближайшей перспективе дистанционное управление нанопре-паратами будут скорее всего осуществлять магнитные поля и ультразвуковые волны», — говорит Джозеф Ван (Joseph Wang), заведующий кафедрой наноинженерии, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего. В первом случае лекарственные вещества начиняют наночастицами оксида железа или никеля и помещают лабораторное животное в поле нескольких постоянных магнитов. Меняя их расположение, управляют перемещением наночастиц, заставляя их двигаться к цели. Во втором случае лекарственные препараты помещают в нанопузырьки и направляют на них ультразвуковые волны. Под действием энергии волны пузырек лопается с силой, достаточной для проникновения его содержимого глубоко в опухолевую или другую ткань.

В прошлом году сотрудники Килского и Ноттингемского университетов в Англии, работающие над проблемой лечения переломов, прибегли к некоему ухищрению: они присоединили к стволовой клетке наночастицы оксида железа, а затем ввели одни клетки в бедро эмбриона цыпленка, а другие — в искусственный каркас кости, изготовленный из коллагенового гидрогеля. Как только стволовые клетки достигли места перелома, исследователи включили осциллирующее магнитное поле, с тем чтобы быстро деформировать наночастицы, которые передали это деформирующее воздействие стволовым клеткам. В результате последние стали быстро превращаться в клетки костной ткани. Рост новой ткани происходил в обоих случаях, но место сращивания было шероховатым. «Мы надеемся, что, добавляя различные факторы роста к начиненным оксидом железа стволовым клеткам, мы сделаем процесс заживления более мягким», — говорит Джеймс Хенсток (James Henstock), приглашенный постдокторант из Килского медицинского научно-технического института.

Автономные нанопрепараты

 

Основное препятствие на пути практического применения магнитного и акустического методов заключается в том, что управлять всеми процессами приходится извне, что не совсем удобно, а кроме того магнитные поля и ультразвуковые волны должны проникать глубоко в тело, что вряд ли возможно. Проблему может решить разработка автономных микродвигателей.

Такие микродвигатели могли бы работать за счет энергии, высвобождаемой в ходе химических реакций, протекающих в самом организме, если бы не опасность интоксикации. Так, при окислении глюкозы, присутствующей в крови, образуется перекись водорода, которая могла бы использоваться в качестве топлива. Но именно этот конкретный метод непригоден для работы в течение долгого времени. Перекись водорода разъедает живую ткань, а глюкоза в том количестве, в каком она присутствует в организме, не может поставлять столько перекиси водорода, сколько нужно для работы микродвигателей. Более перспективным представляется использование в качестве источников энергии физиологических жидкостей, например желудочного сока или воды.

Однако прецизионное управление автономными устройствами может оказаться затруднительным. Тот факт, что наночастицы способны перемещаться куда угодно, вовсе не означает, что они будут двигаться к заданной цели. Автономность пока представляется лишь очень отдаленной перспективой, но связанные с ней разработки помогли бы удостовериться, что нанопрепараты активируются только тогда, когда оказываются в надлежащем окружении.

Для того чтобы решить данную задачу, биоинженеры приступили к созданию наноустройств из синтетических форм ДНК. Располагая фрагменты этих молекул так, чтобы под действием электростатики они складывались в определенные структуры, можно было бы создавать конструкции, предназначенные для достижения тех или иных целей. «Например, некоторые сегменты ДНК могут складываться в "контейнеры", которые будут открываться и высвобождать содержимое только в том случае, когда контейнер свяжется с белком, играющим важную роль в ходе патологического процесса, или окажется в кислой среде внутри опухоли», — говорит Ямуна Кришнан (Yamuna Krishnan), профессор химии из Чикагского университета.
Кришнан и ее коллеги уже рисуют в своем воображении современные модульные конструкции из ДНК, программируемые для решения различных задач, например для сборки других нанороботов. Однако синтетическая ДНК— дорогой материал, он стоит примерно в 100 раз больше, чем традиционные материалы, используемые для доставки лекарств. «Это не стимулирует фармацевтические компании к вложению денег в столь затратное предприятие», — говорит Кришнан.

Все, о чем здесь шла речь, может оказаться гораздо более сложным, чем создание флота умных подводных лодок, таких как субмарина «Протей» из вышедшего на экраны в 1966 г. кинофильма «Фантастическое путешествие». Тем не менее работы по созданию нанороботов — переносчиков лекарственных веществ будут продолжаться. 

 

Перевод: Н.Н. Шафрановская, С.Э. Шафрановский

 

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Motion Control at the Nanoscale. Joseph Wang and Kalayil Manian Manesh in Small, Vol. 6, No. 3, pages 338-345; February 5, 2010.
Designer Nucleic Acids to Probe and Program the Cell. Yamuna Krishnan and Mark Bathe in Trends in Cell Biology, Vol. 22, No. 12, pages 624-633; December 2012.
Remotely Activated Mechanotransduction via Magnetic Nanoparticles Promotes Mineralization Synergistically with Bone Morphogenetic Protein 2: Applications for Injectable Cell Therapy. James R. Henstock et al. in Stem Cells Translational Medicine, Vol. 3. No. 11, pages 1363-1374: November 2014.