Творческая работа "Наномедицина"
творческая работа учащихся (9 класс) по теме

                   Основа человеческого бытия - познание окружающего мира, без        которого невозможна осмысленная и содержательная жизнь. Стремясь к постижению внутренней сути вещей, а также их взаимосвязи в мироздании, человек обретает свое бытие. Только таким путем он может выполнить свое предназначение - быть человеком в полном смысле слова. Для того и дана ему жизнь.                                                                                           Али Апшерони

         В последние два десятилетия в научную лексику стремительно «ворвались» ряд новых слов с префиксом «нано»: наноструктура, нанотехнология, наноматериал, нанокластер, нанохимия, наноразмерный материал, наноколлоиды, нанореактор и т.п.

           "Нано" происходит от греческого "карлик". Нанометр - это одна миллиардная метра. Такая же пропорция, как монета по сравнению с земным шаром. Частицы хоть и мельчайшие, но товары с ними можно увидеть. И уже сегодня. Подобно господину Журдену из «Мещанина во дворянстве» Мольера, который не знал, что он говорит прозой, многие и не догадываются, что некоторые из привычных вещей вокруг нас уже являются достижениями нанотехнологий. 
         Если вы думаете, что нанотехнологии – это далекое будущее или вообще удел фантастов, то вы ошибаетесь. Природа «изобрела» нанотехнологии (как и многое другое) задолго до человека, который лишь в последние несколько десятилетий идет по тому же пути, пытаясь повторить некоторые из ее изобретений. Успехи пока что достаточно скромные, но кое-каких достижений в области нанотехнологий ученым добиться уже удалось. Вот лишь несколько примеров. "Это знаменитые светодиоды, они всемеро экономичнее ламп накаливания и в 50 раз более долговечны. Из других примеров - в медицине прибор для каскадного плазмофореза. Фильтр фантастического качества для очистки крови", - перечисляет Анатолий Чубайс, генеральный директор госкорпорации Роснано.

              Пожалуй, самый известный пример успешно работающих и массовых нанотехнологий – это электронные компоненты. Еще несколько лет назад эта область именовалась микроэлектроникой, однако сейчас ее уже можно с полным правом называть наноэлектроникой: в 2003 году компания Intel перешла к 90-нм технологии процессоров, что полностью подпадает под определение нанотехнологий (менее 100 нм). Причем это массовая и серийная продукция, которая стоит практически в любом современном компьютере. Такой процессор состоит из многих сотен миллионов транзисторов, каждый из которых имеет размеры всего несколько десятков нанометров.
 По прогнозам на ближайшие 10-15 лет, нанотехнологическая продукция будет занимать ведущее место: из планируемого общего объема производства в 1 трлн дол. на производство наноматериалов отводится сумма в 340 млрд. Среди патентов, касающихся нанотехнологий, преобладают (более 30%) описания разработок в области химии, катализа и фармацевтики, и около 15% посвящены электронике. Социальный аспект занимает особое место: важно не делать скоропалительных выводов о сказочных выгодах или какой-то угрозе человечеству. Необходимы исследования влияния нанообъектов на человека и окружающую среду.

         Последние десятилетия нанотехнологии бурно внедряются практически во все сферы жизни. Есть среди них область, где биотехнология пересекается с нанотехнологией. Это наномедицина. Так же, как и традиционная медицина, она включает в себя диагностику, лечение и профилактику болезни, только все это выполняется молекулярными инструментами. Переход к наноразмерам в медицинском инструментарии имеет вполне логичное объяснение. Основной объект воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую - макромолекулы (ДНК, белки, реже полисахариды). Но если размер клеток 7-20 мкм, а диаметр двойной спирали ДНК 2,4 нм, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона.
      По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрейтаса, наномедицина –  это: «слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры». Таким образом, в медицине перспектива применения нанотехнологий заключается, в конечном счете, в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне с помощью нанороботов либо иными нанотехнологиями. Наномедицина в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом. Под этим термином (отражающим и перспективу) сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний. Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне. Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты.

             Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро- и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро- и наноустройства различной степени автономности. То есть, «нано» (греч. – миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 10-9 м, что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного.

          Что же это такое – нанотехнологии в фармацевтике? Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug – лекарственный препарат, design – проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты – лекарство и мишень являются молекулярными объектами. нанотехнологии в фармацевтике – это совокупность методов и приёмов изучения, проектирования, производства и использования, основными этапами которых следует считать:

 -биологический скрининг, то есть, поиск активных молекул (1–10 нм), взаимодействующих с биомишенью (белок или система белков, размером до 100 нм)

-изучение механизма действия (поиск биомишени и выявление механизма взаимодействия с ней активной молекулы)

-компьютерный дизайн потенциально активных соединений, путем расчёта энергий взаимодействия молекул-кандидатов и биомишени (белка) на расстоянии нескольких нанометров,

-целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих наномасштабных элементов («лиганд-биомишень», около 1–100 нм.

        Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно из-за своей простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости от его молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Тем не менее, для описанных ниже нанопереносчиков, трансдермальный метод рассматривается, как один из возможных способов транспорта нанообъектов.  Принципиальное отличие нановакцин заключается в том, что (с помощью нанотехнологий и методов генной инженерии) создается структура размером 50-100 нм, в состав которой входят вакцинноценные компоненты (антигены патогенов или гены, кодирующие эти антигены) и наноноситель (связывающий антигены).  Наиболее перспективными представляются полисахаридные и вирусоподобные наноносители. Вакцины на основе полисахридных наноконструкции наиболее эффективны для защиты от внеклеточных патогенов, тогда как для профилактики инфекций, вызываемых внутриклеточными патогенами перспективными представляются вакцины на основе вирусоподобных наноноструктур. Уже доказано, что в качестве средства точечной доставки лекарств к больным тканям можно использовать бактерии. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а «ветвящееся» строение. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel – гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции. Платформенные технологии контролируемого высвобождения лекарств актуальны для направленной доставки высокотоксичных противоопухолевых лекарственных веществ. Традиционные онкологические препараты равномерно распределяются по всему организму: попадают в очаги болезни и в здоровые органы. Проблему можно решить при помощи направленной доставки лекарственного вещества вместе с биодеградируемым полимером – тогда лекарство высвобождается не моментально, а по мере деградации полимера. Но есть ещё более продвинутые методы целевой доставки лекарства при помощи наночастиц генетического материала, ДНК или РНК цепочки. Еще один вариант – прикрепление к наночастице антител опухолевых клеток, которые знают дорогу к мишени, и антибиотика, который уничтожит злокачественное образование.

Нанотехнологии открывают новые возможности для разработки биоматериалов, контролирующих развитие клетки таким образом, чтобы новая ткань росла внутри импланта или прилегала к нему. Имплант функционирует как платформа для роста в той части организма, где в результате травмы или болезни образовалась полость, например, стволовые клетки формируют новую костную ткань взамен поврежденной или удаленной.

 На базе НЦ ССХ им. А.Н. Бакулева организовано производство различных имплантируемых изделий (ИМИ) для сердечно-сосудистой хирургии, в том числе – биологических и механических протезов клапанов сердца, синтетических протезов кровеносных сосудови т.п., широко применяемых не только в Центре, но и в других кардиохирургических клиниках. Для повышения биосовместимости и долговечности биопротезов клапанов сердца ведется разработка нанотехнологических методов нанесения покрытий из полисахаридов на биоткань. Для механических протезов сердца разрабатывается новый биосовместимый конструкционный материал – наноструктурированный пироуглерод, значительно превосходящий по упруго-прочностным свойствам известные материалы, используемые для изготовления створок клапанов. Для синтетических протезов кровеносных сосудов и одноразовых изделий, контактирующих с кровью, создаются нанотехнологические методы модифицирования поверхности биологически активными материалами для усовершенствования функциональных свойств изделий.

       Современное состояние и тенденции развития нанотехнологий дают повод для оптимизма относительно кибернетической наномедицины. Уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в наноробототехнике в качестве двигателей; наножидкостные и наноэлектронные системы типа "лаборатории-на-чипе", проводящие экспресс-анализ ДНК и других биомолекул; производятся наноматериалы для искусственных протезов конечностей с хорошей адгезией к живым тканям. Детально разработаны наноустройства, способные выполнять определенные медицинские операции; разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в теле человека. Медицина уже имеет в своем арсенале наночастицы (в первую очередь на основе кремния), которые содержат лекарства и могут доставлять их в клетки. Широко применяются липосомы - сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества. Но это только первые шаги наномедицины. Я полностью согласна с прогнозом отцов-основателей, что применение нанороботов станет наиболее эффективным направлением медицины. Из области научной фантастики эти проекты переходят в область биомедицинских исследований. Нанороботы – это автономные, субмикроскопические машины, которые могут перемещаться внутри тела и участвовать в удалении агентов, вызывающих заболевания. Они должны улучшать обмен кислородом между кровью и тканью, очищать артерии от тромбов и холестерина, устранять генетические дефекты в хромосомах и т.п.

Вообще, скорее всего, наноробототехника будет гибридной, сочетающей преимущества механики, биологии и электроники. Эксперты предупреждают, что обсуждение этики наномедицины принесет много трудных вопросов для общества. Наномедицина и нанотехнология вообще являются новыми областями, и существует немного экспериментальных данных о непреднамеренных и неблагоприятных эффектах. Вне проблемы безопасности лежат этические вопросы наномедицины: согласие пациента на основе полной информации, оценка рисков, токсичность и оздоровление человека – лишь некоторые из существующих этических проблем, обсуждающихся специалистами. Но «Чтобы оставаться на месте надо бежать изо всех сил. Чтобы двигаться вперед надо бежать вдвое быстрее.» – написал Льюис Кэрролл в книге «Алиса в Зазеркалье». Уже в ближайшем будущем нанотехнологии коренным образом изменят нашу жизнь. Пройдет еще немного времени и нанороботы будут следить за работой нашего организма, предупреждая болезни и процессы старения, любые необходимые предметы можно будет в считанные минуты получить посредством нанофабрик из имеющихося под рукой материалов, появляться новые вещества с удивительными свойствами…  Мир будет преображаться с невероятной скоростью.