Медикам область нано знакома давно. Многие изучаемые ими биологические объекты меньше микрометра. Например, пептиды имеют размер 1 нм, белки — от 10 до 100 нм. ДНК человеческой клетки в длину достигает 1,5м, однако в «упакованном» состоянии ее поперечник составляет лишь 100 нм. Примерно такие размеры имеют антитела, вирусы, органеллы, а клетки и бактерии принадлежат уже микромиру (врезка на стр. 73 вверху). Для наглядности можно привести такое сравнение: если клетку увеличить до размеров озера, то белки, антитела, вирусы будут как мелкая рыба, плавающая в нем.

 

 

 

 

 

 

Сегодня уже научились готовить «суспензию» из квантовых точек определенного размера, имеющих, например, зеленый или какой-нибудь другой удобный для проведения исследований цвет. Кроме того, химики могут «пришивать» к квантовым точкам такие молекулы, которые способны специфически связываться с нужными молекулами или частями небольших органических тел, находящихся внутри живого организма. При таком связывании размер и цвет точки изменяются. К квантовой точке можно «пришить» какое-нибудь антитело, которое затем свяжет белок, или вещество, могущее химически связываться с определенным фрагментом ДНК — геном. Биохимики научились прикреплять к наночастицам характерные молекулы-зонды, которые связываются с определенным куском ДНК, белком, сосудистой стенкой либо просто «болтаются» в крови или лимфе.

Все это используется, чтобы решить одну из основных проблем в диагностической медицине — проблему фона: обычно очень трудно отличить сигнал, идущий из исследуемого места в организме, от разнообразных шумов, генерируемых окружающими тканями. Здесь особая роль отведена использованию квантовых точек. Как оказалось, при обнаружении раковых клеток на самой ранней стадии заболевания сначала синтезируется молекула, которая связывается только со специфическим белком, вырабатываемым в патологической клетке. Затем эта молекула пришивается к квантовой точке, имеющей, например, красный цвет. Наблюдая за появлением этого цвета в организме, можно определить, где находится злокачественная опухоль с точностью до отдельных клеток. Во время экспериментов с мышами исследователи вводили в их хвост красные квантовые точки, связывающиеся с раковыми клетками щитовидной железы. В области этого органа происходило накопление точек, и регистрировался характерный красный цвет.

Суспензию из зеленых квантовых точек можно вводить и в сосуды. После того как они достаточно быстро и равномерно распределятся, через кожу будет видна разветвленная сеть кровотока в виде характерного изумрудного «кораллового деревца». И если в каком-то месте поврежден маленький сосуд или капилляр, это будет заметно по небольшим разрывам в зеленой сетке сосудов. Такой сигнал совершенно отчетлив, и его ни с чем нельзя спутать, т.к. в тканях человеческого организма зеленого цвета нет.

 

 

В настоящее время это делается с помощью микрочипов. На каждом квадратном миллиметре такого устройства нанесено примерно 100 квантовых точек, к каждой из которых пришит свой зонд, способный специфически связываться с определенным фрагментом ДНК и таким образом тестировать ее.

Общий принцип тестирования следующий. Допустим, нужно выяснить, нет ли у человека предрасположенности к болезни Альцгеймера или к сердечной недостаточности. Для этого у него берется анализ крови и определяется, присутствует ли там ген, мутации которого вызывают данный недуг. Затем в лабораторных условиях синтезируется небольшой фрагмент ДНК размером, например, в сто нуклеотидов. При этом только в данном гене из всех 30 тыс. имеющихся существует такая последовательность. Фрагмент пришивается к квантовой точке и помещается в определенную ячейку на чипе, другой специфичный фрагмент пришивается к другой квантовой точке и вводится в следующую ячейку и т.д.

После того как на чип наносится капелька крови, происходит связывание пришитых к квантовым точкам зондов с определенными фрагментами ДНК. Далее с помощью компьютера, оснащенного микроскопом, «просматриваются» последовательно все ячейки. Если в каждой квантовой точке изменился цвет, значит, произошло связывание со всеми генами, которые тестирует данный микрочип, и у человека с ними все в порядке. Если же в какой-то ячейке цвет не изменился, значит, связывание там не произошло, и, следовательно, в соответствующем гене имеется «поломка», т.е. нарушение в последовательности нуклеотидов. После чего выясняется, в каком именно месте гена расположена поломка. Если она в том кусочке, который отвечает за болезнь Альцгеймера, то, значит, имеется предрасположенность к этому недугу.

 

 

 

 

Сейчас уже созданы микрочипы, в которых количество ячеек измеряется десятками тысяч, и в каждой — индикатор на определенный фрагмент человеческой ДНК. Они могут принадлежать одному гену или разным — в зависимости от поставленной задачи. Сегодня с помощью квантовых точек можно диагностировать не только наследственные заболевания, но также различные инфекции и т.д. Существует «специализация» чипов. Например, один сделан для всех сердечно-сосудистых заболеваний, второй — для эндокринных, третий — для онкологических. Чип с капелькой исследуемой крови кладут под микроскоп, специальная программа считывает все точки, информация обрабатывается на компьютере, и диагноз по данной болезни готов.

К сожалению, данная технология не позволяет провести полную генетическую диагностику человека. Наследственная информация, содержащаяся в ДНК, столь велика, что для этого потребуются миллионы специализированных микрочипов. Но если освоить технологию изготовления наночипов с размером ячейки около 100 нанометров или даже еще меньше, то можно будет увеличить его информативность в миллионы раз. Наночиповая технология позволит при использовании всего одного квадратного сантиметра произвести диагностику человека по всем генам и мутациям. Достаточно одной капли крови — и можно узнать все о генетическом здоровье человека. Ожидается, что уже в ближайшие годы будет сконструирован наночип, на который можно нанести весь геном человека.

 

 

 

 

 

Как показали исследования, только определенное количество генов участвует в работе клетки в зависимости от ее специализации. Если в каком-нибудь гене нарушена последовательность нуклеотидов, то синтезируемый на ее основе белок не может полноценно выполнять свои функции, что приводит к нарушению обмена веществ со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В последнее время научились вводить в клетку человека полноценный ген взамен поврежденного, что создает возможность синтезировать «нужный» белок. Основная проблема — точная адресная доставка гена внутрь данной клетки. Для ее решения используется естественная способность клетки — так называемый эндоцитоз, т.е. захватывание наружной мембраной различных небольших частиц и органических молекул с последующим их перевариванием. Это свойство используют вирусы: они проникают внутрь клетки и заставляют ее работать на себя.

Вирус состоит из ДНК или РНК, окруженных белковой оболочкой, и самостоятельно размножаться не может. Такой паразит обладает определенной программой: попадая в живую клетку, он нарушает ее работу, заставляя копировать самого себя в тысячах и миллионах экземплярах. Размноженные таким способом вирусы покидают разрушенную клетку, чтобы найти себе новую жертву.

А что если использовать «стратегию» вирусов для внедрения в клетку нужного гена? Оказалось, такое возможно.
При лечении заболевания сначала выясняется, не вызвано ли оно генетическими ошибками. И если да, то определяется, какой именно ген работает со сбоями. Затем синтезируется требуемый фрагмент ДНК, который всегда представляет собой полианион, так как в нем положительно заряженные нуклеотидные основания соединены друг с другом и спрятаны внутри скрученной молекулы, а отрицательно заряженные фосфатные группы обращены наружу. Для нейтрализации внешнего электрического заряда к гену добавляется соответствующий поликатион. Под действием межатомных сил вся эта сложная структура сворачивается в наношарик. Сверху такой шарик покрывается другим полианионом. Это делается для того, чтобы клетка при соприкосновении с ним проглотила его, что она обычно делает с вирусом. Внутри клетки оболочка шарика разрушается под действием пищеварительных ферментов. Освободившийся ген проникает в ядро, где и начинает работать — включает внутриклеточные механизмы синтеза белка на своей матрице. Внедренный таким способом ген успевает проработать около двух недель, затем клетка все же распознает чужака и уничтожает его. Оказалось, что у больных тромбофлебитом и диабетом в ногах происходит разрушение мелких кровеносных сосудов, снабжение клеток кислородом нарушается, они отмирают, образуя так называемые трофические язвы. Традиционные методы лечения, как правило, не помогают, т.к. вводимые для восстановления сосудов белки могут «работать» внутри организма не более получаса и за это время ничего не успевают сделать. Боли при трофических язвах столь сильные, что приходится ампутировать ноги. Некоторым из таких пациентов, находящихся на последней, наиболее тяжелой стадии заболевания, периодически вводят путем инъекции гены, отвечающие за синтез недостающих белков. Уже через два месяца тончайшая сеть кровеносных сосудов заметно восстанавливается, и трофические язвы уменьшаются.

 

 

Каждую клетку можно сравнить с огромным мегаполисом, в котором множество заводов по производству белка и других органических соединений связаны друг с другом сложнейшей сетью дорог — актиновых (вид белка) нитей. Каждая молекула, оказавшись внутри клетки, в зависимости от своей структуры попадает на определенную дорогу и движется строго по ней в определенное место. Поняв принцип работы внутриклеточных путей сообщения, можно использовать их для точной адресной доставки лекарств. Для этого достаточно выяснить, какой путь ведет в нужное место, а также типы молекул, движущихся по нему. Пришив наноконтейнер с лекарством к подобной молекуле, можно отправить ее по требуемому адресу. Причем такая доставка происходит за счет универсальной энергии АТФ, представляющей собой наиболее эффективное «топливо» с коэффициентом полезного действия равным 92%. В данной реакции энергия химической связи сразу превращается в механическую, минуя тепловую стадию. Такой природный мотор с высокой эффективностью работает во всех живых организмах без исключения.

Учеными МГУ, РАН и Кардиоцентра была разработана технология, когда белок миозина, обладающий естественной способностью двигаться по актиновым нитям, пришивается к наноконтейнеру с лекарством. В результате порция лекарства «ползет» по внутриклеточным рельсам в нужное место без каких либо затрат энергии.

Любые таблетки, капсулы, которые мы глотаем, помимо терапевтического действия оказывают также побочное влияние на весь организм. А использование наноконтейнеров, доставляющих препарат «куда надо», сведет это побочное воздействие практически к нулю.

 

 

 

Следует отметить, что можно создать флуоресцирующий белок, связывающийся с кальцием. Причем при связывании иона флуоресценция белка будет возрастать. Далее ген с измененной структурой вводится, например, в зародышевую клетку мыши. Когда животное вырастет, изменение концентрации кальция в его клетках будет сопровождаться изменением интенсивности зеленого света в различных местах. Клеточный метаболизм химического элемента становится видимым во всех деталях. Можно следить, как при различных болезнях изменяется концентрация ионов кальция в клетках, как лечение влияет на их восстановление и т.д. Аналогичным способом можно отслеживать метаболизм других веществ. Такой метод открывает широкие возможности для визуализации жизненно важных процессов и позволяет непосредственно проверять эффективность того или иного лечения.

В каждой клетке существует программа самоуничтожения, так называемый апоптоз, включаемая через определенный промежуток времени (см.: Королева А., Скулачев В., Скулачев М. Выбор между жизнью и смертью // ВМН, № 2, 2008). Такой чрезвычайно важный для понимания жизнедеятельности организма процесс еще до конца не ясен. Однако известно, что он сопровождается увеличением внутриклеточного содержания перекиси водорода. С.А. Лукьянов синтезировал ген, производящий флуоресцентный белок, который связывается с гидроперитом. Это дало возможность наблюдать весь процесс клеточного апоптоза в реальном времени. Можно также отслеживать путь вводимого в организм лекарства или любого другого вещества.