Застосування нанотехнологій в біології та медицині.

Одним з найважливіших напрямів нанотехнологій у біології має стати цілеспрямована зміна взаємовідносин вірусів, бактерій, бактероїдів з вищими рослинами.

Кожній живій істоті в боротьбі за життя доводиться вирішувати безліч різноманітних за складністю проблем. Йому потрібно з навколишнього середовища одержувати необхідні живильні речовини і мінерали і в той же час позбавлятися від відходів життєдіяльності, синтезувати самостійно відсутні речовини, добувати енергію, необхідну для енергоємних хімічних і фізичних процесів; знаходити відповідних партнерів для обміну спадковим матеріалом; піклуватися про потомство; захищатисявід хижаків - і все це в мінливому, далеко не завжди сприятливої зовнішньої середовищі.

Вимоги, що пред'являються життям до кожного окремого організму, не тільки численні і різноманітні - вони дуже часто ще й суперечливі. Неможливо оптимізувати складну систему відразу по всіх параметрах: щоб домогтися досконалості в чомусь одному, доводиться жертвувати іншим

Тому еволюція - це вічний пошук компромісу, і звідси випливає неминуча обмеженість можливостей будь-якого окремо взятого живої істоти. Самий простий і ефективний шлях подолання цієї обмеженості - симбіоз, тобто кооперація «фахівців різного профілю», наприклад, рослин з мікроорганізмами, здатними переводити азот з атмосфери. Можна стверджувати, що симбіоз - не просто дуже широко поширене явище. Це магістральний шлях еволюції, без якого прогресивний розвиток життя на Землі було б вкрай утруднено, якщо взагалі можливо.

На симбіозі було засновано багато найважливіші ароморфозів (прогресивні перетворення), з яких найбільш значний - формування еукаріотичної (ядерної) клітини, тієї основи, з якої в подальшому розвинулися всі вищі форми життя (тварини, рослини, гриби). Всім відома проблема з «гостем» наших картопляних полів з Америки - колорадським жуком. Чого тільки не пропонували в боротьбі з ним - від сильнодіючих отрут до трансгенної картоплі, який, за даними Інституту картоплярства УААН, уже благополучно поїдають окремі особини цієї комахи. Ймовірно, не той шлях був обраний для вирішення цієї проблеми. Мінливість комах з урахуванням їх численність і плодючості у багато разів перевершує зміни, що відбуваються в рослинах. Так чому б не використати ці особливості і, застосовуючи нанотехнології, не змінити кормову базу колорадського жука? Щоб він із задоволенням поїдав осот, а не картоплю. Фантастика? Але вона може стати реальністю. При нанотехнологіях слід докорінно переглянути підхід до вирішення багатьох проблем, поставивши їх з голови на ноги.

Пам'ятається, в 70-е і 90-і роки минулого століття в Криму спостерігалося навала зазвичай нешкідливого лугового метелика. Але в ті роки він раптом став всеїдним шкідником, який за ніч спустошував поля соняшнику і люцерни, буряка і кукурудзи.Однак коли на шляху у нього стало поле сої, відносно чисте від бур'янів, він знищив усі бур'яни і не торкнувся сою. Ось так треба змінити «смаки» колорадського жука, щоб йому захотілося іншої їжі.

Рашид Башир, який працює над проблемою доставки ліків у Центрі нанотехнологій в Барці, зміг помістити наночастинки на поверхню бактерії, зв'язавши їх з відрізками ДНК. Розміри наночастинок - від 40 до 200 нанометрів. Вчені прикріпили їх до поверхні бактерії спеціальними молекулами-лінкерами. На одній бактерії можна розмістити до кількох сотень наночастинок, розширивши таким чином кількість і типи доставляються вантажів.

Так як бактерії володіють природною здатністю проникати в живі клітини, на сьогоднішній день вони є ідеальними кандидатами для доставки ліків. Особливо це цінно в генній терапії, де необхідно доставити фрагменти ДНК за призначенням, не вбивши при цьому здорову клітину.

Цей метод міг би стати основоположним в діагностиці та лікуванні сільськогосподарських тварин і на ранніх стадіях попереджати небезпечні епідемії, підвищувати стійкість організму тварин до таких хвороб. Тим більше, що багато вірусів мають розмір 10 нм, а 1 нм майже точно відповідає розміру білкових молекул (зокрема, радіус знаменитої подвійної спіралі молекули ДНК дорівнює саме 1 нм).

Повний перелік потенційних застосувань НТ у медицині дуже великий, але, без сумніву, однією із найбільших цінностей НТ є розробка нових ефективних напрямків діагностики, попередження та лікування захворювань, що не матимуть обмежень, які має сучасна молекулярна діагностика, і дозволять перейти до персоналізованої медицини [22–25]. Основні напрямки застосування НТ, зокрема в онкології, лежать у галузі візуалізації та діагностики, цілеспрямованої доставки ліків, протипухлинної та генної терапії [26].

Молекулярна діагностика та візуалізація. Молекулярна візуалізація робить можливими визначення та оцінку молекулярних і клітинних змін, які відбуваються in vitro та in vivo. Флуоресцентні біологічні зонди широко використовуються в біології завдяки їх інертним властивостям і здатності візуалізувати ряд клітинних реакцій. Однак при застосуванні ряду органічних зондів існують обмеження, пов’язані з їх розмірами. Динамічний діапазон НЧ з діаметром менше 100 нм, застосованих у якості зондів з приєднаними до них молекулами пептидів, антитіл або нуклеїнових кислот, робить їх ідеальним знаряддям для візуалізації та кількісної оцінки молекулярних реакцій in vivo. Зонди з використанням НЧ мають високий рівень яскравості, фотостабільності та коефіцієнт адсорбції у широкому діапазоні частот [27]. Більше того, можливість покривати їх антитілами, колагеном та іншими макромолекулами робить їх біосумісними при детектуванні та діагностиці [26].

Показано, що флуоресцентні зонди, виготовлені із застосуванням НТ, є кращими за звичайні флуорофори. Так, застосування імунофлуоресцентних зондів на основі квантових кристалів для мічення онкомаркера Her 2, поверхневих рецепторів клітин-мішеней, цитоскелета, ядерних антигенів, внутрішньоклітинних органел були набагато ефективнішими, ніж традиційні флуорохроми [28]. Модифікація поверхні суперпарамагнітних НЧ етиленгліколем або фолієвою кислотою ви явилася ефективною для посилення їх фагоцитозу раковими клітинами, що є перспективним для діагностики та терапії раку [29]. Дослідження цито- та генотоксичності люмінесцентних НЧ двоокису кремнію не виявили токсичного ефекту, що вказує на його перспективність для медико-біологічних застосувань [30]. У дослідженнях на тваринах показано переваги візуалізації та спрямованої молекулярної терапії раку, що базуються на використанні напівпровідникових квантових кристалів [31]. У контрольних тварин відзначали поглинання, накопичення та розповсюдження НЧ переважно в печінку, селезінку, мозок, серце, нирки та легені (у порядку зменшення їх накопичення). Однак у безтимусних мишей з раком передміхурової залози ці НЧ накопичувалися переважно в клітинах пухлини та давали яскраве оранжево-червоне забарвлення.

Протипухлинна терапія і спрямована доставка ліків. Специфічна молекулярно спрямована доставка терапевтичних агентів є дуже важливою для підбору ефективних доз та контролю захворювання, особливо в онкології, де хіміотерапевтичні засоби є високотоксичними і часто генотоксичними. Спрямована доставка ліків за допомогою НЧ є більш ефективною в плані біодоступності, мінімізації побічних ефектів, зменшення токсичності для інших органів та зниження вартості лікування. Зараз активно розробляються декілька альтернативних підходів для підвищення специфічності доставки ефективних доз препарату з використанням ліпосом, полімерних міцел, дендромерів, керамічних НЧ, оксиду заліза, білків [24, 26].

Патофізіологічні і анатомічні зміни, які відзначають при пухлинному процесі або запаленні тканин, можуть бути використані для доставки та вибіркової локалізації різних нанотехнологічних продуктів [32, 33]. Перевага нанотехнологічних препаратів над звичайними полягає у подовженні часу циркуляції в організмі, здатності не втрачати ефективності і бути представленими у необхідній концентрації у конкретному місці [34]. Так, включення доксорубіцину в ліпосоми у 300 разів подовжувало період циркуляції та покращувало його фармакокінетику порівняно з вільним доксорубіцином [33, 35]. Крім того, підвищення судинної проникності одночасно з послабленим лімфатичним дренажем дозволяє підвищити проникність та тривалість ефекту наносистем у пухлині або тканинах із запальним процесом [36].

Терапевтична цінність багатьох нових препаратів для лікування захворювань мозку є зниженою внаслідок існування гематоенцефалічного бар’єру, який надійно відмежовує мозок від препаратів, циркулюючих у кров’яному руслі. Саме завдяки НТ стає можливим використання тих перспективних препаратів, які не використовуються у клініці через неподолання гематоенцефалічного бар’єру [37]. НЧ значно покращують селективність доставки до мозку біологічно активних сполук, підвищують ефективність і знижують токсичність протипухлинних препаратів.