АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Неоспорим тот факт, что роль и значение нанотехнологий в различных областях в наше время возрастают. Нанотехнологии обладают способностью существенно влиять и изменять сферу биологии и медицины. Недавние исследования подчеркнули важную роль нанотехнологий в различных областях науки и техники. В последние годы количество публикаций, посвященных нанотехнологиям, значительно увеличилось. Однако вся эта работа в основном связана с научно-технической стороной развития нанотехнологий. Понимание феномена нанотехнологий в системе биологических и медицинских знаний с точки зрения организации социальной работы — важнейшая задача современной науки. Сегодня предметом нанотехнологий занимается целый ряд наук. Нанотехнологии — это результат возникновения и эволюции нанотехнологического мышления человека. Только время покажет, какие возможности на практике откроют нанотехнологии в будущем и как нанотехнологии радикально изменят нашу жизнь.
Если говорить о нанотехнологиях как о производстве продукции по порядку нанометров, мы уже живем в мире нанотехнологий. В то же время через средства массовой информации нанотехнологии всё больше проникают в умы масс и создают новые социальные мифы, представленные популярной культурой. Развитие нанотехнологий не ограничивается получением конкретных научных результатов или применением новых технологий. Нанотехнологию можно определить как науку и технику, связанные с разработкой, синтезом, характеристикой и применением материалов и устройств в масштабе нанометров (одна миллиардная метра). В этом масштабе важно оценить влияние каждой молекулы в более крупном масштабе, потому что контроль молекул обеспечивает более широкий контроль химических и физических свойств.
СТЕПЕНЬ ИССЛЕДОВАННОСТИ ПРОБЛЕМЫ
Нанотехнология определяется как создание новых структур, полученных путем изменения свойств вещества на атомном и молекулярном уровнях. Материалы, полученные с помощью нанотехнологий, представляют собой структуры размером 1–100 нанометров (нм). Для получения новых материалов в области нанотехнологий исследования должны проводиться в соответствии с этими критериями [1].
Нанобиотехнология — новое направление в науке и технологиях, которое играет ключевую роль в создании наноустройств для молекулярного анализа живых систем. Наномедицина — это направление медицины, которое использует нанотехнологии в конкретной клинике для защиты и улучшения жизни человека с использованием знаний о человеческом теле на молекулярном уровне. Сегодня использование наночастиц и наноматериалов для диагностических и терапевтических целей в области наномедицины расширяется. Использование нанотехнологических подходов и новых наноматериалов открывает перспективу создания систем для лекарств и их целевого использования. Применение оптикобиосенсорного, атомно-силового, нанотрансмиссионного подходов в геномике и протеомике значительно повысит чувствительность и точность диагностики, сократит время диагностики, а это, несомненно, повысит эффективность лечения. В статье представлены результаты применения нанобиотехнологий в области диагностики заболеваний и разработки новых лекарственных препаратов.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Сегодня нанотехнологии используются в медицине, фармацевтической промышленности, генетических приложениях, кардиотерапии, лечении рака, стоматологии, ортопедии и в молекулярной диагностике. Наночастицы могут напрямую воздействовать на желаемую цель. Эти препараты могут распространяться на другие части тела и сводить к минимуму побочные эффекты. Лекарства, содержащие наночастицы, могут напрямую воздействовать на больные ткани и клетки и, следовательно, увеличивать биологическую активность. В общем, продукты нанотехнологий можно наносить на любую часть человеческого тела, включая кровеносные сосуды в головном мозге, внутри зубов и т. д. Нанотехнологиями можно управлять дистанционно с помощью специального оборудования.
Благодаря нанотехнологиям в будущем будет проводиться важная разработка нанороботов, которые могут быть произведены в очень малых размерах. В связи с этим ведется проектная работа по технологиям нанороботов, которые вводят их в человеческую кровь и восстанавливают поврежденные органы в человеческом теле. Когда капилляры мозга блокируются, эти блоки можно удалить с помощью нанотрубок. С помощью нанотрубок, движущихся по кровеносным сосудам головного мозга, пациента можно безошибочно диагностировать и лечить. В настоящее время ведутся исследования по поиску препарата с искусственными капиллярами, произведенного с помощью нанотехнологий, для лечения заболевания, называемого параличом, вызванного определенным типом дефицита нейронной связи. В настоящее время проводятся исследования по поиску нанотехнологических решений для борьбы со многими заболеваниями, от сердечных приступов до инфекционных заболеваний.
Нанотехнологии также используются в фармацевтической промышленности. Попавшие в организм лекарства обычно распространяются по всему телу, и вероятность того, что принятые лекарства попадут в желаемое место, меньше. Однако с помощью наночастиц мы можем отправить лекарство прямо к реальной цели. Таким образом, лекарство может напрямую воздействовать на желаемый участок или больную ткань. При приеме лекарств существующими методами иногда необходимо рискнуть побочными эффектами, которые могут возникнуть в других частях тела, чтобы обработать небольшую часть тела. Взаимодействие наноструктур в целом с биологическими компонентами, такими как нуклеиновые кислоты, белки и клеточные молекулы, приводит к их уникальному распределению в тканях организма, возможным иммунным ответам и изменениям в метаболизме [2–6].
При лечении с помощью нанотехнологий лекарство загружается в нанокапсулы, и эти нанокапсулы можно вводить только в пораженный участок. В будущем на первый план выйдут нанобиологические продукты, наночастицы будут использоваться в производстве искусственных органов, а также будут созданы инструменты для проверки состояния здоровья, с помощью которых можно будет его мгновенно диагностировать.
Нанометр, или для краткости «нано», — это одна миллиардная метра. Например, размер молекулы азота составляет одну треть нанометра, а для человека такой большой и важный белок, как гемоглобин, составляет чуть более шести нанометров. Для создания любой эффективной технологии для любой отрасли необходима информация о составе, строении и механизмах взаимодействия молекул и их комплексов, определяющих ход технологических процессов.
Одним из перспективных направлений разработки новых лекарственных препаратов является использование наноматериалов в лекарственных формах. Один из методов подтверждения мягких лекарств металлическими наночастицами — электронно-микроскопическое сканирование — считается наиболее адекватным в этой области. Нанотехнологии — это технологическая революция для будущих поколений. Нанотехнологии — это производство, исследование и изучение методов использования миниатюрных материалов. Растущий интерес к будущему применений нанотехнологий в медицине привел к появлению новой научной области, называемой нанотехнологиями. Все это имеет большой потенциал для помощи в медицинской диагностике, отслеживании лечения и разработке новых средств профилактики инфекционных заболеваний.
В современной медицине именно в области нанотехнологий широко изучаются биология человека и здоровье. В целом очень важно проводить исследования в соответствующей области с использованием нанотехнологий. Нанотехнологии специализируются на медицине и биомедицине, борьбе с загрязнением окружающей среды, косметике, оптике, электронике и т. д. В целом нанотехнологии произвели революцию в медицине в области диагностики и лечения заболевания, исследуются такие вопросы, как диагностика, лечение, профилактика заболеваний и травм, защита здоровья человека и разработка приложений, молекулярные данные тела, использование молекулярных устройств, относятся к нанотехнологиям [7].
Системы, используемые для анализа биологических молекул, должны быть небольшими. Когда нанотехнологии только вышли на первый план, существовали разные взгляды на развитие биологии и медицины. Область биочипов — одно из важнейших достижений медицины. Биочипы — это микропроцессоры, которые можно использовать в биологических приложениях. Эта технология позволяет одновременно ставить более одного диагноза. Благодаря биочипам, которые представляют собой небольшие электронные устройства, предназначенные для выполнения любых биологических функций, многие тесты можно проводить одновременно и быстро. Биочипы могут выполнять тысячи биологических реакций. Их производительность позволяет выполнять эти операции за секунды. Биочипы, запрограммированные на выполнение различных функций, производятся методом фотолитографии.
В результате применения нанотехнологий и биотехнологий нанотехнологии открыли путь для дальнейшего развития. Нанотехнологические методы, применяемые в области молекулярной биологии, и знания в новых областях исследований привели к появлению нанобиотехнологий. Целью применения нанотехнологий в медицине является разработка технологических продуктов, которые определяют потребности клеток, удовлетворяют их, удаляют вредные вещества и самообновляются. Например, размер антител в структуре иммуноглобулина, одного из важных элементов иммунной системы, защищающих человека от опасности, составляет 15–50 нм. Благодаря разработке продуктов, функции которых определены на уровне 15–50 нм, области диагностики и лечения получат значительные возможности применения [8].
Исследователи Наоми Халас и Питер Нордландер создали новый класс наночастиц с беспрецедентными оптическими свойствами — нанопленки. Поскольку они в 20 раз меньше эритроцитов, они свободно перемещаются в кровотоке. Специфические белки — антитела, атакующие раковые клетки, специально прикрепляются к поверхности мембран. Через несколько часов после презентации наночастицы тела облучаются инфракрасным светом. Эта энергия разрушает раковые клетки. Эта уникальная нанотехнология уже успешно апробирована на мышах. В течение 10 дней после введения этой системы все больные животные полностью выздоровели. Самый простой пример использования нанотехнологий в медицине и косметике — обычное мыло с моющим и дезинфицирующим эффектом. Основными областями нанотехнологий и использования наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, особенно генная инженерия, сельскохозяйственное производство и переработка, очистка воды и качество урожая, а также вопросы защиты окружающей среды.
Отходы сельскохозяйственной техники покрывают все пахотные земли, хотя и в неравной степени. В этом случае загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м над уровнем земли, что увеличивает их опасность для окружающей среды. Выбросы газа от мобильного оборудования являются наиболее важными с точки зрения количества и степени вредного воздействия на людей, животных и растения. Наиболее опасными веществами являются бензопирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на организм человека зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человеческого организма и индивидуальных особенностей.
В сельском хозяйстве нанотехнологии могут быть успешно использованы для оптического декодирования комплекса белок-липид-витамин-хлорофилла при производстве продуктов и создании биосовместимых материалов; для регенерации, очищения и восстановления тканей; создания искусственных тканей и сенсоров (молекулярная и клеточная организация), не отвергаемых организмом в животноводстве; при снижении вредного воздействия автотранспорта и тракторного парка на окружающую среду. В животноводстве нанодобавки широко используются при приготовлении кормов для животных, где они повышают продуктивность животных в 1,5–3 раза и повышают их устойчивость к инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмерность частиц кормовых добавок позволяет не только существенно снизить их потребление, но и более полно и эффективно усваивать их животными.
В современном мире нанотехнологии играют важную роль в развитии технических наук, химии, физики, биологии, генетики и др. Нанотехнологии делают большие успехи в развитии инновационной и научно-технической революции. В медицинской практике и биологии наночастицы чаще всего используются в виде магнитных жидкостей в водных буферных растворах различного состава, а иногда и в водомасляных эмульсиях [9].
Сегодня развитие нанотехнологий создает большие перспективы для разработки новых инновационных материалов, развития биотехнологий, коммуникаций, энергетики, здравоохранения и оружия. Квантовая природа нанотехнологических процессов превращает их в очень высокие технологии и стимулирует развитие таких прикладных областей, как нанокосмонавтика, наномеханика, создание и развитие таких областей, как производство наноматериалов.
Биохимические исследования позволяют значительно расширить представления о влиянии наночастиц металлов, таких как железо, медь, цинк, на обменные процессы в организме (углеводы и белки). Воздействие наночастиц на организм зависит от их качественного состава. Полученные данные могут быть использованы для оценки адекватности лечения отравлением этими металлами и создания антидотов. Поскольку их размер, форму и свойства поверхности можно контролировать, наноструктуры можно считать идеальными в качестве лекарств. Однако существует также ряд проблем при использовании нанотехнологий в здравоохранении и применении нанотехнологий в медицине. Несмотря на достижения в области нанотехнологий, необходимо также учитывать токсические эффекты и риски для здоровья наноразмерных материалов. Хотя наноразмерные материалы обладают полезными свойствами, они потенциально могут вызывать токсические эффекты. Физическая и химическая активность их может повлиять на биологическую активность. В связи с этим насколько безопасны и токсичны наноматериалы пока остается вопросом без ответа. Было обнаружено, что наночастицы токсичны для печени, селезенки, почек, лимфатических узлов, сердца, легких и костного мозга. Сообщалось о краткосрочных эффектах наночастиц, необходимы исследования их долгосрочных эффектов. Следует использовать бионаноматериалы, чтобы снизить риск отравления. Следовательно, необходимо изучать токсические свойства наночастиц и снижать эти свойства. Учитывая текущие разработки, также существует необходимость в серьезных исследованиях наноматериалов и токсичности для лечения целевого рака и других заболеваний с помощью наночастиц.
За последние 20 лет в клинической микробиологии был достигнут значительный прогресс. Применение нанотехнологий в клинической микробиологии также распространилось на эту область. В результате были выявлены этиологические причины заболеваний, заменен генотип вместо фенотипа, повышена чувствительность и специфичность, сокращено время проведения анализов. Наряду с достижениями в диагностических методах и клинической микробиологии нанотехнологии вошли в область фармакологии за последние 30 лет [10]. Продукты нанотехнологии, используемые для заживления ран, включают носители, лекарственные препараты и тканевые органы. Основная стратегия регенерации тканей заключается в создании тканей путем объединения их с живыми клетками или биоактивными молекулами, заменяя их поврежденными тканями. Готовый к применению искусственный дермальный слой производится как дермальные аналоги. Количество исследований в области диагностики заболеваний, лекарств, нацеленных на определенные ткани, и молекулярной визуализации очень велико [11].
Не следует забывать, что некоторые повреждения могут возникнуть после длительного использования техники, которая, как известно, полезна для здоровья. Хотя преимущества нанотехнологий для здоровья человека и медицинских приложений обсуждались в первых научных данных по нанотехнологиям, недавно было указано, что они могут вызывать вредные, мутагенные и системные эффекты у людей. В области медицины негативные эффекты продуктов нанотехнологий более экспериментально продемонстрированы на животных. Исследования негативного воздействия наночастиц на человека ограничены. По этой причине врачи должны обращать внимание на молекулярную структуру и размер используемых наночастиц и разрабатывать специальные средства для предотвращения попадания этих веществ в организм при вдыхании или через кожу. Наночастицы серебра часто используются в клиниках для профилактики или лечения инфекций. При изучении сообщается, что эти продукты уменьшают развитие инфекции и ускоряют заживление ран.
Продукты, изготовленные в наномасштабе, очень маленькие по размеру и могут легко переходить в ткани. При правильном использовании наноструктуры со свойствами фосфолипидов могут проникать в раковые ткани и сжигать раковые клетки. Количество клеток, которые образуются в области рака, важно для ранней диагностики рака. Ключом к успеху в лечении рака является максимальное нацеливание лекарств на раковые клетки и предотвращение или ограничение их воздействия на здоровые ткани. Использование нанотехнологий играет важную роль в этой области.
Кроме того, нанотехнологии используются при лечении диабета. Нанотехнологии следует применять через регулярные промежутки времени, постоянно рассчитывая дозы инсулина у диабетиков. В традиционной практике пробы капиллярной крови берутся из пальцев пациентов, чтобы контролировать уровень глюкозы в крови и самостоятельно его регулировать [11].
У пациентов с диабетом мониторинг глюкозы должен быть безболезненным и неинвазивным. Ферментные электроды инжекторного типа или зонды микродиализа, помещенные в подкожную ткань, доступны для продажи для непрерывного контроля уровня глюкозы. Однако есть некоторые проблемы, такие как короткий срок службы этих продуктов и отсутствие датчиков. Репозиционирование сенсорных зондов является полуинвазивным. Однако в настоящее время проводятся исследования, чтобы гарантировать, что наносенсоры на флуоресцентной основе, которые реагируют на глюкозу, называемые «умными татуировками», помещаются под кожу и вводятся извне для неинвазивного мониторинга уровня глюкозы [12]. Нанотехнологические устройства также используются для удаленного наблюдения за диабетиками.
ВЫВОДЫ
В последние годы в науке и технологиях появилось новое направление — нанобиотехнологии, или биомолекулярные нанотехнологии. Эта область знаний представляет собой биологическое использование нанотехнологий как связующего звена между живой и неживой природой. Изучение структур и функций природных наноструктур, присутствующих в живой клетке, является необходимым шагом в создании нанобиоструктур. Задача нанобиотехнологии — понять принципы работы биологических единиц для создания маленьких живых существ с помощью специальных материалов и интерфейсов. Нанобиотехнология способствует тесному сотрудничеству с физикой, химией и инженерией и играет все более важную роль в жизни человека.