Наномедицинская революция
Пять недавних достижений наномедицины
Статья Julian Taub The Smallest Revolution: 5 Recent Breakthroughs in Nanomedicine опубликована в Scientific American Blogging Network.
Перевод: Евгения Рябцева
Нанотехнология – это передовое достижение в отраслях науки и инженерии одновременно. Она является не единой областью, а результатом интенсивного взаимодействия между дисциплинами, посвященным манипуляциям с веществами на молекулярном и атомном уровнях. В случаях, когда эта технология применяется в медицинских целях, получаемые результаты наиболее впечатляют, т.к. дают новые возможности улучшения нашей жизни с помощью радикально новых подходов. В данной статье описаны пять наномедицинских достижений прошлого года, а также стоящие за ними исследователи.
Диагностика рака легких на ранних стадиях
Мы постоянно сталкиваемся с изображениями рака легких в социальной рекламе, посвященной борьбе с курением. Помимо этих отвратительных изображений, существует еще одна причина для страха: до сих пор рак легких было практически невозможно выявить на ранних стадиях. Тысячи людей живут своей повседневной жизнью, не подозревая, что в их организмах формируются опухоли.
В основе скринингового теста для выявления рака легкого, разработанного доктором Майклом Уангом (Michael Wang) и инженером по биомедицинскому оборудованию доктором Ли-Цюнь Гу (Li-Qun Gu) из университета Миссури, лежит простой, но эффективный метод, основанный на том, что, когда в легких начинает формироваться раковая опухоль, это нарушает последовательность нуклеотидов в молекулах микроРНК. Если исследователь способен обнаружить ошибки в микоРНК, он может диагностировать у пациента рак. Для этого он берет пробу микроРНК (которые без труда выделяются из образца плазмы крови) и пропускает ее через нанопору – отверстие в белковой мембране, диаметр которого настолько мал, что обеспечивает прохождение нуклеотидов по одному за раз. Пропуская образец через пору, устройство регистрирует сигналы, испускаемые нуклетидными основаниями при химическом взаимодействии с белком поры, что позволяет регистрировать любые нарушения последовательности нуклеотидов. Тест настолько прост, что позволяет поставить пациенту диагноз во время его первого визита к врачу.
Доктор Уанг является профессором клинико-молекулярной генетической патологии университета Миссури. Он также работает в Онкологическом центре Эллиса, Колумбус, Миссури. Доктор Гу занимается разработкой биомедицинского оборудования в Центре изучения заболеваний сердечно-сосудистой системы Дальтона. Прототипом для разработки послужил процесс прохождения ионов через клеточные мембраны. Он работает над созданием подобных структур, которые выполняли бы важные для человека задачи.
Выявление вируса гриппа с помощью золотых наночастиц
Большинство современных тестов на вирус гриппа либо требуют больших временных затрат, либо предоставляют очень неточные результаты. Наиболее точным методом является ПЦР (полимеразная цепная реакция), при проведении которого берут образец, хранят его в течение нескольких дней, реплицируют содержащуюся в нем РНК, после чего, две недели спустя, получают результат. К этому времени уже может быть слишком поздно для попыток предотвращения эпидемии.
Однако, при применении теста на основе золотых наночастиц, результаты могут быть получены немедленно, а пациенту может быть незамедлительно назначено адекватное лечение, что предотвратит передачу заболевания большему количеству людей. Созданный группой ученых из университета Джорджии, работающей под руководством Ральфа Трипа (Ralph A. Tripp), тест основан на способности золотых наночастиц по-разному рассеивать свет в зависимости от их геометрической формы. Исследователи создали комплексы из наночастиц и антител, избирательно связывающихся с частицами вируса гриппа. Когда наночастицы окружают вирион, их геометрия изменяется, что меняет характер рассеивания света и указывает на присутствие вируса. Все, что должен сделать терапевт, – это лишь смешать образец биологической жидкости с раствором, содержащим золотые наночастицы. В присутствии вируса характер рассеивания света раствором сильно изменится. Тест не только моментален, но и очень дешев. Количество золота, необходимое для его проведения, настолько мало, что его стоимость не превышает сотую часть цента.
Помимо определения вируса гриппа, этот тест можно использовать для диагностики огромного количества других заболеваний. Исследователи могут комбинировать наночастицы с любыми необходимыми антителами. Антитела каждого типа имеют особые рецепторы, избирательно связывающиеся с определенным возбудителем. Тест можно даже использовать для выявления сальмонеллы в курином мясе.
Доктор Трип – руководитель группы, совершившей это прорыв, работает над передовыми решениями в борьбе с инфекционными заболеваниями, такими как РНК-сайленсинг, а также над разработкой вакцины от птичьего гриппа. Он стремиться понять, каким образом клетка реагирует на инфекционные агенты и как лучше бороться с заболеваниями.
Охотники за раком из Сандии
В некоторых случаях злокачественные опухоли удается удалить хирургическим путем, однако часто пораженные клетки находятся в недоступных местах. Для их уничтожения применяют химиотерапию или радиоактивное излучение, но оба этих метода поражают не только больные, но и здоровые клетки. В арсенале онкологии пока еще слишком мало средств прицельного воздействия только на раковые клетки.
Возможно, такое оружие было изобретено совсем недавно. Протоклетка, созданная Джеффом Бринкером (Jeff Brinker) и его группой, работающей в Национальных лабораториях Сандии, Нью-Мексико, является хитроумным изобретением, позволяющим доставлять наночастицы, наполненные токсинами и РНК-сайленсерами, в раковые клетки. Она представляет собой капсулу из пористого диоксида кремния, покрытую двойным слоем липидов. При приближении к раковой клетке белки протоклетки связываются с рецепторами опухолевой поверхности, что приводит к ее обволакиванию мембраной опухолевой клетки. В результате протоклетка проникает внутрь раковой клетки и перемещается в ее цитоплазме внутри мембранного пузырька – так называемой эндосомы. Для нанесения смертельного удара фузогенные (от лат. fusio – слияние) пептиды, прикрепленные к внешней поверхности протоклетки, проделывают в эндосоме поры, через которые внутрь пузырька устремляются ионы водорода. Уровень рН внутри эндосомы возрастает, что приводит к высвобождению токсинов и ее разрыву. Токсины распространяются вокруг, отравляя опухоль и подавляя синтез ее белков. К некоторым токсинам прикреплены полинуклеотиды, взаимодействующие с транспортными РНК, которые переносят их в ядро, где они могут разрушать опухолевую ДНК.
Протоклетки избирательно действуют на раковые клетки; их афинность (степень связывания) с избыточным количеством рецепторов, характерным для мембран таких клеток, составляет, по крайней мере, 99%. Они высокоспециализированы и экономичны – для подавления жизнедеятельности одной клетки опухоли достаточно одной протоклетки. Они отличаются высокой стабильностью в жидкой среде организма, не высвобождают наночастицы в здоровые ткани и легки в приготовлении. Исследователям надо только проинкубировать протоклетку в растворе, содержащем наночастицы и токсины, которые они намереваются использовать.
За этим выдающимся изобретением стоит не менее выдающийся человек. Доктор Бринкер является одним из исследователей, как будто бы вышедших из научно-фантастических фильмов. Его родители не учились в колледже, а импульсом для выбора научной карьеры послужил набор для занятий химией. Работая в Сандии стажером, он решил научную проблему, касающуюся аэрозоль-гелей, стал признанным экспертом в данной области, после чего написал учебник по соответствующему предмету. Он находится на переднем фронте работ, посвященных самосборке молекул, созданию новых методов формирования пористых наноструктур, подобных используемой при создании протоклетки. Он также создал наносенсоры, состоящие из клеток, погруженных в наноструктуры, изменяющих цвет под действием токсичных материалов.
Клеточная обратная связь
Обычно для того, чтобы представить на рынке новый лекарственный препарат, фармацевтические компании тратят на весь процесс примерно двенадцать лет и более 800 миллионов долларов. Они проводят различные стадии тестирования, начиная от клеточных культур и заканчивая испытаниями на животных и, в конечном итоге, клиническими исследованиями. Однако всегда существовал один важнейший этап тестирования, который они не имели возможности осуществить: тестирование клеточной реакции на препарат изнутри.
Профессор Карен Мартинез (Karen Martinez) из университета Копенгагена и ее группа осуществили прорыв в разработке биосенсоров. Они ввели в клетку полупроводниковые нанотрубки, не изменяя протекающие в ней процессы и не убивая ее. Клетки человеческой печени и крысиные нейроны помещали на индий-мышьяковые трубки, после чего клетки сохраняли функциональность и жизнеспособность в течение нескольких дней. Проделав это, исследователи в реальном времени оценивали активность процессов, протекающих внутри клеток, в том числе реакции на стимулы и потенциал клеточной мембраны. Они также могли переносить по нанотрубкам внутрь клетки микроскопические количества препаратов и оценивать реакцию клетки изнутри.
Возможность вводить электронные устройства внутрь клетки, не нарушая ее жизнедеятельность, открывает новую область тестирования лекарственных препаратов. Сейчас исследователи могут тестировать препараты на отдельных нейронах и получать обратную связь, отражающую происходящее взаимодействие. Эту методику можно использовать для любого нового препарата, она способна помочь объяснить ассоциированные с ним побочные эффекты, а также улучшить существующие препараты.
Мартинез начала работу в университете Копенгагена после участия в исследовательской работе в Швейцарии, где она занималась изучением белковых рецепторов с целью разработки более эффективных препаратов. Кроме проведения учебных курсов по бионанотехнологии, она является членом совета директоров компании inXell, которую она основала совместно с двумя коллегами, работавшими с ней в рамках проекта, посвященного нанопроводам. Компания inXell будет представлять коммерческую сторону этого прорыва. Целью ее работы будет создание микрочипов для тестирования новых препаратов на клетках, в основе которых будет лежать нанотехнология обратной связи.
Восстановление спинного мозга
Ежегодно происходит большое количество несчастных случаев, оставляющих их жертв парализованными и на всю оставшуюся жизнь прикованными к инвалидным креслам. При повреждениях спинного мозга могут формироваться кисты, блокирующие процесс регенерации поврежденной нервной ткани. Нервы, находящиеся ниже травмированного места, остаются отрезанными от нервной системы и атрофируются. Одним из наиболее известных примеров является ныне покойный актер Кристофер Рив (Christopher Reeve). Многие видят решение проблемы реабилитации пациентов с повреждениями спинного мозга в использовании стволовых клеток, однако два исследователя из Милана применили другой подход.
Фабрицио Джелэйн (Fabrizio Gelain) и Анджело Вескови (Angelo Vescovi) сконструировали нанотрубки, наполненные самособирающимися пептидами, предназначенные для обеспечения структурной поддержки поврежденным участкам спинного мозга. Они протестировали процедуру на крысах. Эксперимент заключался во введении нанотрубок в поврежденный спинной мозг, в котором происходило формирование кист. Проведенный спустя шесть месяцев анализ показал отсутствие кист, на месте которых была ткань, сформированная новыми клетками, в том числе нейронами, клетками кровеносных сосудов и остеоцитами. Нейроны были также обнаружены внутри нанотрубок, ранее заполненных пептидами. После восстановления зоны повреждения биодеградируемые нанотрубки должны бесследно разложиться.
Тестирование двигательных способностей крыс продемонстрировало улучшение подвижности спины и лап, при этом животные больше не волочили за собой задние лапы. Они также реагировали на электрические стимулы лучше, чем животные группы контроля, не прошедшие терапию.
Джелэйн является вице-директором Центра нанонауки и тканевой инжерении в Милане. Его работа направлена на создание наноматериалов, предназначенных для восстановления повреждений нервной ткани у пациентов с травмами спинного мозга и инсультами. Он был приглашенным профессором Массачусетского технологического института и в настоящее время является редактором журналов PLoS One и Frontiers in nanotechnology.
Вескови является одним из ведущих итальянских исследователей в области стволовых клеток, занимающимся изучением регуляции роста клеток. Его работа посвящена нервным стволовым клеткам и возможностям их использования для лечения различных заболеваний. В настоящее время он – директор Итальянского консорциума по изучению стволовых клеток и ранее работал консультантом по стволовым клеткам Папской академии жизни в Ватикане.
Перечисленные в статье инновации являются всего лишь началом изменений, которые нанотехнология может привнести в качество нашей жизни. Составляющие ее отрасли настолько обширны, что переплетение различных дисциплин позволяет постоянно делать совершенно непредсказуемые открытия. Куда нанотехнология приведет нас? Скорее всего, на современном этапе этого не знает никто, однако приключение обещает быть захватывающим.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
27.02.2012