Nanotexnologiyaning tibbiyotda qo'llanilishiga bir nechta misollar

Nanotibbiyotning rivojlanishi
Ushbu sohaning yetakchi olimi R.Freytasning kanonik taʼrifiga koʻra, nanotibbiyot bu: “ishlab chiqilgan nanoqurilmalar va nanostrukturalardan foydalangan holda, molekulyar darajada inson biologik tizimlarini kuzatish, aniqlash, loyihalash va nazorat qilish”. Shunday qilib, tibbiyotda nanotexnologiyalardan foydalanish istiqboli, pirovardida, nanorobotlar yoki boshqa nanotexnologiyalar yordamida hujayra tuzilishini molekulyar darajada o'zgartirish zarurati bilan bog'liq.
Nanotibbiyot so‘nggi yillarda nihoyatda tez sur’atlar bilan rivojlanib bormoqda va nafaqat sof haqiqiy yutuqlari, balki ijtimoiy hissasi bilan ham barchaning e’tiborini tortmoqda. Bu atama (kelajakni ham aks ettiradi) bugungi kunda kasalliklarni tashxislash, kuzatish va davolashda nanotexnologiyalardan foydalanish sifatida tushuniladi.
Nanotibbiyotning rivojlanishi genomika va proteomikaning inqilobiy yutuqlari bilan chambarchas bog'liq bo'lib, bu olimlarga kasallikning molekulyar asoslarini tushunishga yaqinroq bo'lish imkonini berdi. Genomika va proteomika ma'lumotlari nanometr darajasida yangi xususiyatlarga ega materiallarni yaratish imkoniyatlari bilan birlashtirilgan nanomika rivojlanmoqda.
Tibbiyotda nanotexnologiyalarni qo‘llashning 5 ta asosiy yo‘nalishi mavjud: faol dori vositalarini yetkazib berish, nanometr darajasida davolashning yangi usullari va vositalari, in vivo diagnostika, in vitro diagnostika va tibbiy implantlar.
Dori vositalari va bioaktiv molekulalarning nanometr dunyosidagi o'rni
1959 yilda mashhur amerikalik nazariyotchi fizik R.Feynman “kichik shakllarning hayratlanarli darajada murakkab dunyosi bor va qachondir (masalan, 2000-yilda) odamlar 1960-yilgacha bu dunyoda tadqiqotga hech kim jiddiy qaramaganidan hayratda qolishadi”, deb aytgan edi. Tibbiyot va farmatsevtika nanotexnologlarning eng muhim amaliy qo'llanmalaridan biridir, chunki yuqorida tavsiflangan dunyo ushbu ilmiy fanlar dunyosidir. Aynan shu o'lchamlar asosiy biologik tuzilmalar - hujayralar, ularning tarkibiy qismlari (organellalar) va molekulalarga xosdir. Tibbiyotda mikroskopik asboblarni (nanozarrachalarni o'z ichiga olishi kerak) qo'llash g'oyasini birinchi marta R. Feynman o'zining mashhur "U erda juda ko'p bo'sh joy" ma'ruzasida ifodalagan. Ammo so'nggi yillarda Feynmanning takliflari haqiqatga yaqinlashdi, ammo ta'kidlaymizki, ular hali ham u taklif qilgan mikrorobotdan uzoqda, qon aylanish tizimi orqali yurak ichiga kirib, u erdagi qopqoq ustida operatsiya o'tkaza oladi va shuningdek, tasavvurni hayratga soladigan shunga o'xshash protseduralarning butun majmuasini bajarish.
Belgilangan qarashlarni konkretlashtirgan holda, nanotexnologiyalarning tibbiyotdagi bugungi o'ziga xos vazifalarini bir necha guruhlarga bo'lish mumkin: nanostrukturali materiallar, jumladan, nanorelyefli sirtlar, nanotexnologiyali membranalar; nanozarrachalar (shu jumladan fullerenlar va dendrimerlar); mikro va nanokapsulalar; nanotexnologik sensorlar va analizatorlar; skanerlovchi probli mikroskoplarning tibbiy ilovalari; nanotools va nanomanipulyatorlar; turli darajadagi avtonomiyadagi mikro va nanoqurilmalar .
Ya'ni "nano" ( yunoncha- milliarddan bir qismi) tasvirlangan ob'ektlarga nisbatan qo'llanilganda, ularning o'lchamlari 10-9 m oralig'ida ekanligini anglatadi, bu atomdan hujayradan hujayragacha bo'lgan biologik tashkilot darajalariga mos keladi. Shunday qilib, deyarli har qanday supramolekulyar (supramolekulyar) komplekslar "nanozarrachalar" ta'rifiga kiradi, ya'ni ion yoki kovalent qurilgan molekulalar bilan "kichik" va ulkan organik molekulalarning (zamonaviy terminologiyaga ko'ra - "xost") shakllanishi (" mehmon "). Biroq, biologik va tibbiy adabiyotlarda allaqachon o'rnatilgan an'anaga ko'ra, nanozarralar juda o'ziga xos (va birinchi navbatda sun'iy ravishda yaratilgan) molekulyar tuzilmalarni anglatadi.
Ushbu g'oyalar bugungi kunda maksimal darajada aniqlashtirishni talab qiladi.
O'zining bir necha kun oldin chop etilgan sharhida (13 sentyabr, jurnal Tabiat nanotexnologiyasi, 2009, DOI: 10.1038/nnano.2009.242), Amerika Qo'shma Shtatlari va Frantsiya tadqiqotchilari "nanozarracha" atamasini qayta ko'rib chiqishni talab qilmoqdalar. Ularning fikricha, bu zarrachalarni keyingi tadqiqotlar va turli sohalarda amaliy qo‘llash uchun aniqroq tizimlashtirish zarur. Bu nuqtai nazar bilan birdam bo'lmaslikning iloji yo'q, garchi bunday takliflar ilgari ham tez-tez aytilgan bo'lsa-da.
Mutaxassislar eng muhim g'oyani nanomateriallarga yangi ob'ektlarni kiritish "o'lchamlari bo'yicha ko'r-ko'rona" emas, balki berilgan o'lcham bunday ob'ektlarning yangi xususiyatlarining paydo bo'lishiga olib keladimi-yo'qmi, degan asosda qurilishi kerakligi haqidagi eng muhim fikrni bildiradi.
Ko'pgina mamlakatlarda nanomateriallar hatto kosmetika va quyoshdan himoya qiluvchi vositalarda ham keng qo'llanilganiga qaramay, bu mamlakatlarda nanozarrachalardan xavfsiz foydalanishni tartibga soluvchi aniq qoidalar mavjud emas va "nanozarracha" tushunchasiga aniq ta'rif berilmaganligi aniq. , umuman olganda, bunday qoidalarning paydo bo'lishini kutish qiyin. O'lchovlaridan kamida bittasida o'lchami 100 nm dan kam bo'lgan har qanday ob'ekt nanoob'ekt deb hisoblanishi kerak degan fikr mavjud bo'lsa-da, nashr etilgan sharhda. Tabiat nanotexnologiyasi, tadqiqotchilar yanada qattiqroq tasnifni joriy etishni talab qilmoqdalar.
Sharh mualliflarining ta'kidlashicha, nanozarrachalarni "barchasini bitta cho'tka ostida o'tkazish" bilan oddiy tasniflash mumkin emas, ammo ular "kichik" bo'lgan hamma narsa ham nanomateriallar emasligini qo'shimcha qilishmoqda. Savol tug'iladi, nanomateriallarni tizimlashtirishda qanday mezonlardan foydalanish kerak? Sharh tavsiya etilgan yangi tasnifning asosini tashkil qilishi mumkin bo'lgan turli xil fizik-kimyoviy xususiyatlarni ko'rib chiqadi. Masalan, nanosistemaning o'lchami uning kristall strukturasining tuzilishiga ta'sir qiladi, bu esa, o'z navbatida, nanozarralarning reaktivligini va ularning atrof-muhit bilan o'zaro ta'sirini belgilaydi. Masalan, 10-30 nm o'lchamdagi nanozarralarning xossalari kattaroq shakllanishlardan sezilarli darajada farq qilishi aniqlandi.
Bu nima - farmatsevtikada nanotexnologiya?
Yangi dori vositalarini yo'naltirilgan loyihalash sanoati yoki dori dizayni (dori - dori, dizayn - loyihalash, qurish) nanotexnologiya predmeti bilan bevosita bog'liq, chunki o'zaro ta'sir qiluvchi ob'ektlar - dori va maqsad molekulyar ob'ektlardir. Dori-darmonlarni loyihalashda qo'llaniladigan asosiy tushunchalar maqsad va doridir. Maqsad - bu ma'lum bir funktsiya bilan bog'liq bo'lgan makromolekulyar biologik tuzilma bo'lib, uning buzilishi kasallikka olib keladi va unga ma'lum bir ta'sir ko'rsatish kerak. Eng keng tarqalgan maqsadlar retseptorlar va fermentlardir. Dori kimyoviy birikma (odatda past molekulyar og'irlik) bo'lib, u maqsad bilan maxsus o'zaro ta'sir qiladi va u yoki bu tarzda nishon tomonidan yaratilgan hujayrali javobni o'zgartiradi. Agar retseptor maqsad sifatida harakat qilsa, u holda preparat uning ligandlari, ya'ni retseptorning faol joyi bilan maxsus o'zaro ta'sir qiluvchi birikma bo'ladi. Masalan, barcha organizmlarda energiya sintezini, shu jumladan o'simlik hujayralarida fotosintez jarayonini ta'minlaydigan fermentlar guruhiga kiruvchi F1-adenozin trifosfataza (F1-ATPaza). Ferment molekulasining diametri 10-12 nm.
Supramolekulalar ikki yoki undan ortiq kimyoviy zarralarning geometrik va kimyoviy muvofiqligi (komplimentarlik) bo'lgan fragmentlardan molekulalararo kovalent bo'lmagan aloqalar bilan bog'langan assotsiatsiyalardir. Molekulalarning qayta joylashishi ularning turli xil birikmalariga olib keladi. Bunday tizimlar supramolekulyar kimyo (bu atama Nobel mukofoti laureati J.-M. Len tomonidan taklif qilingan) va mezbon-mehmon kimyosini o'rganish ob'ekti bo'lib, ularda noyob xususiyatlarga ega yangi materiallar allaqachon yaratilgan bo'lsa-da, hali ham kam o'rganilgan. asos. Misol uchun, "xost" rolini o'ynaydigan (va boshqa hollarda, bu rolni odatda organik ligand bajaradi) gözenekli strukturadan foydalanish selektiv tashish va nano o'lchamdagi "mehmon" ni teskari tarzda joylashtirish imkonini beradi. dori vositalarini chiqarish. Shubhasiz, supramolekulyar tuzilmalar nanokristallar yonida batafsil o'rganishning istiqbolli ob'ektidir. Ushbu atamalarda maqsadli dori vositalarining (1-10 nm o'lchamdagi) biomaqsad (oqsil yoki oqsil tizimi, o'lchami 100 nm gacha) bilan o'zaro ta'siri "ligand-biotorget" kompleksini (masalan, "substrat-retseptor") hosil qiladi. yoki "mezbon-mehmon") , barcha ma'lum xususiyatlarga ko'ra, supramolekulyar tuzilma (supramolekulyar kompleks). Bunday tizimning tarkibiy qismlarining o'zi nanotexnologiyaning strukturaviy ob'ektlari ekanligiga ham shubha yo'q.
Ushbu mulohazalarni davom ettirib, biz eslaymizki, maqsadli preparatning biomaqsadga terapevtik nanoskaltali ta'siri faqat supramolekulyar nanosistema "ligand-biotizim" shakllangan taqdirdagina va faqat ikkinchisi mavjud bo'lganda amalga oshirilishi mumkin.
Ya'ni, maqsadli dori vositalarini ishlab chiqish nanotexnologiyaning yuqoridagi ta'rifiga to'g'ri keladi, chunki ularning ta'sir qilish mexanizmi kasallik uchun javob beradigan biotarget bilan maqsadli o'zaro ta'sirga asoslangan. Dori (ligand) va oqsil (maqsad) o'rtasidagi kovalent bo'lmagan (va muvofiqlashtirish, shu jumladan vodorod) kimyoviy bog'lanish orqali amalga oshiriladigan nano miqyosdagi o'zaro ta'sir ishlab chiqish jarayonida o'rganiladi va selektivlik, samaradorlikni belgilaydi. va maqsadli dori vositalarining oldingi avlod dori vositalariga nisbatan past toksikligi, ya'ni iste'molchi xususiyatlarini yaxshilaydi.
Bundan tashqari, mavjud bo'lgan davrda "ligand-biotorget" tizimi barcha xususiyatlarida biomashina bo'lib, uning ishining natijasi kasallikning modifikatsiyasi (to'liq yoki qisman davolash) bo'ladi. Shunday qilib, nanobiomashinaning samaradorligi muhokama qilinayotgan kompleks tarkibiy qismlarining bog'lanish kuchi va davomiyligiga bog'liq bo'lib, bu doimiy maqsad uchun faqat innovatsion maqsadli dori-ligandning xususiyatlariga bog'liq.
Keyin, tushunchalarni rasmiylashtirgan holda, farmatsevtika sohasidagi nanotexnologiyalar o'rganish, loyihalash, ishlab chiqarish va foydalanish usullari va usullari to'plamidir, ularning asosiy bosqichlarini ko'rib chiqish kerak:

• 
  biologik skrining, ya'ni biomaqsad (100 nm gacha bo'lgan oqsil yoki oqsil tizimi) bilan o'zaro ta'sir qiluvchi faol molekulalarni (1-10 nm) qidirish.
  
• 
  ta'sir mexanizmini o'rganish (biotorgetni qidirish va u bilan faol molekulaning o'zaro ta'sir qilish mexanizmini aniqlash).
  
• 
  bir necha nanometr masofada nomzod molekulalarning va biomaqsadning (oqsilning) o'zaro ta'sir energiyalarini hisoblash yo'li bilan potentsial faol birikmalarning kompyuter dizayni, ya'ni bunday o'zaro ta'sirning minimal energiyasiga (dinamik) mos keladigan molekulalarning mumkin bo'lgan tuzilmalari va pozitsiyalarini hisoblash. simulyatsiyasi taxminan 200 teraflops quvvatga ega superkompyuterda 24 soat davom etadi).
  
• 
  Nano-miqyosdagi elementlarning shakli, o'lchami, o'zaro ta'siri va integratsiyasini maqsadli ravishda nazorat qilish va o'zgartirish ("ligand-biotarget", taxminan 1-100 nm), bu esa qo'shimcha operatsion va / yoki iste'mol xususiyatlari va xususiyatlarining yaxshilanishiga yoki paydo bo'lishiga olib keladi. olingan mahsulotlar (samaradorlikni oshirish, bioavailability , innovatsion dorilarning toksikligi va yon ta'sirini kamaytirish).
  
• 
  nano o'lchamdagi tayyor dozalash shakllarini ishlab chiqarish (liposomal shakllar, biologik parchalanadigan polimerlar, maqsadli tashish uchun nanopartikullar va boshqalar).
  
• 
  terapevtik ta'sirga olib keladigan biomaqsadga nano-miqyosli ta'sir ko'rsatadigan maqsadli innovatsion dori vositalaridan foydalanish.
  

Akademik V. L. Ginzburg aytgan so‘zlarni eslamoqchiman: “Shu bilan birga, biologiya asosan tobora ilg‘or fizik usullardan foydalangan holda tez rivojlandi va 1953 yilda genetik kodni dekodlashdan so‘ng ayniqsa tez rivojlana boshladi. Hozirgi kunda biologiya, ayniqsa molekulyar biologiya yetakchi fan o‘rnini egalladi. Bunday terminologiyaga va fandagi "joylar" ning mohiyatan ahamiyatsiz taqsimlanishiga qo'shilmaslik mumkin. Men faqat barcha fiziklar, ayniqsa Rossiyada tushunmaydigan faktlarni ta'kidlamoqchiman. Biz uchun fizika yosh va go‘zal hayot masalasi bo‘lib qolmoqda, lekin insoniyat jamiyati va uning rivojlanishi uchun fizika o‘rnini biologiya egalladi”.