Наномедицина – это медицинское применение нанотехнологий . [1] Наномедицина варьируется от медицинского применения наноматериалов и биологических устройств до наноэлектронных биосенсоров и даже возможных будущих применений молекулярных нанотехнологий , таких как биологические машины . Текущие проблемы наномедицины включают понимание вопросов, связанных с токсичностью и воздействием на окружающую среду наноразмерных материалов (материалов, структура которых находится в масштабе нанометров, то есть миллиардных долей метра ) . [2] [3]
Функциональность можно добавить к наноматериалам путем взаимодействия их с биологическими молекулами или структурами. Размер наноматериалов аналогичен размеру большинства биологических молекул и структур; следовательно, наноматериалы могут быть полезны как для биомедицинских исследований и применений как in vivo, так и in vitro. На данный момент интеграция наноматериалов с биологией привела к разработке диагностических устройств, контрастных веществ, аналитических инструментов, физиотерапевтических средств и средств доставки лекарств.
Наномедицина стремится предоставить ценный набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств в ближайшем будущем. [4] [5] Национальная нанотехнологическая инициатива ожидает новых коммерческих применений в фармацевтической промышленности , которые могут включать передовые системы доставки лекарств, новые методы лечения и визуализацию in vivo . [6] Наномедицинские исследования получают финансирование в рамках программы Общего фонда Национальных институтов здравоохранения США , которая поддерживает четыре центра развития наномедицины. [7]
В 2015 году продажи наномедицины достигли 16 миллиардов долларов, при этом каждый год в исследования и разработки в области нанотехнологий инвестируется минимум 3,8 миллиарда долларов. В последние годы глобальное финансирование новых нанотехнологий увеличивалось на 45% в год, а объем продаж продукции в 2013 году превысил 1 триллион долларов. [8] Поскольку индустрия наномедицины продолжает расти, ожидается, что она окажет значительное влияние на экономику.
Нанотехнологии предоставили возможность доставлять лекарства к конкретным клеткам с помощью наночастиц. [9] [10] Общий расход лекарства и побочные эффекты могут быть значительно снижены путем нанесения активного фармацевтического агента только на болезненную область и в дозе, не превышающей необходимую. Адресная доставка лекарств призвана уменьшить побочные эффекты лекарств при одновременном снижении их потребления и расходов на лечение. Кроме того, адресная доставка лекарства снижает побочный эффект необработанного лекарства за счет минимизации нежелательного воздействия на здоровые клетки. Доставка лекарств направлена на максимизацию биодоступности как в определенных местах тела, так и в течение определенного периода времени. Потенциально этого можно достичь путем молекулярного нацеливания с помощью наноинженерных устройств. [11] [12] Преимущество использования наноразмеров в медицинских технологиях заключается в том, что устройства меньшего размера менее инвазивны и могут быть имплантированы внутрь тела, а время биохимических реакций намного короче. Эти устройства работают быстрее и чувствительнее, чем обычная доставка лекарств. [13] Эффективность доставки лекарств с помощью наномедицины во многом основана на: а) эффективной инкапсуляции лекарств, б) успешной доставке лекарства в целевой участок тела и в) успешном высвобождении лекарства. [14] К 2019 году на рынке появилось несколько лекарств с нанодоставкой. [15]
Системы доставки лекарств, наночастицы на основе липидов [16] или полимеров, могут быть разработаны для улучшения фармакокинетики и биораспределения лекарства . [17] [18] [19] Однако фармакокинетика и фармакодинамика наномедицины сильно различаются у разных пациентов. [20] Наночастицы , созданные для обхода защитных механизмов организма, [21] обладают полезными свойствами, которые можно использовать для улучшения доставки лекарств. Разрабатываются сложные механизмы доставки лекарств, включая возможность попадания лекарств через клеточные мембраны в цитоплазму клеток . Триггерный ответ — один из способов более эффективного использования молекул лекарств. Лекарства помещаются в организм и активируются только при обнаружении определенного сигнала. Например, лекарство с плохой растворимостью будет заменено системой доставки лекарства, в которой существуют как гидрофильная, так и гидрофобная среда, что улучшит растворимость. [22] Системы доставки лекарств также могут предотвращать повреждение тканей за счет регулируемого высвобождения лекарств; снизить уровень выдачи наркотиков; или снизить объем распределения и уменьшить воздействие на нецелевые ткани. Однако биораспределение этих наночастиц все еще несовершенно из-за сложных реакций хозяина на нано- и микроразмерные материалы [21] и сложности воздействия на определенные органы тела. Тем не менее, еще продолжается большая работа по оптимизации и лучшему пониманию потенциала и ограничений систем наночастиц. Хотя развитие исследований доказывает, что наночастицы могут улучшить нацеливание и распределение, опасность нанотоксичности становится важным следующим шагом в дальнейшем понимании их медицинского использования. [23] Токсичность наночастиц варьируется в зависимости от размера, формы и материала. Эти факторы также влияют на накопление и повреждение органов, которые могут произойти. Наночастицы созданы для длительного хранения, но из-за этого они задерживаются в органах, особенно в печени и селезенке, поскольку их невозможно расщепить или вывести из организма. Было замечено, что такое накопление небиоразлагаемого материала вызывает повреждение органов и воспаление у мышей. [24] Магнитная адресная доставка магнитных наночастиц к месту опухоли под воздействием неоднородных стационарных магнитных полей может привести к усилению роста опухоли. Чтобы обойти протуморогенные эффекты, следует использовать переменные электромагнитные поля . [25]
Наночастицы исследуются на предмет их способности снижать устойчивость к антибиотикам или использовать их в различных противомикробных целях. [26] [27] [28] [29] Наночастицы также можно использовать для обхода механизмов множественной лекарственной устойчивости (МЛУ). [9]
Достижения в области липидных нанотехнологий сыграли важную роль в разработке медицинских наноустройств и новых систем доставки лекарств, а также в разработке сенсорных приложений. [30] Другая система доставки микроРНК , находящаяся в стадии предварительных исследований, — это наночастицы , образующиеся в результате самосборки двух разных микроРНК, дерегулирование которых нарушается при раке. [31] Одно из потенциальных приложений основано на небольших электромеханических системах, таких как наноэлектромеханические системы, которые исследуются на предмет активного высвобождения лекарств и датчиков для возможного лечения рака с помощью наночастиц железа или золотых оболочек. [32]
Некоторые препараты на основе нанотехнологий, которые коммерчески доступны или проходят клинические испытания на людях, включают:
Визуализация in vivo — еще одна область, в которой разрабатываются инструменты и устройства. [39] При использовании контрастных веществ на основе наночастиц изображения, такие как УЗИ и МРТ, имеют благоприятное распределение и улучшенный контраст. При визуализации сердечно-сосудистой системы наночастицы могут помочь визуализировать скопление крови, ишемию, ангиогенез , атеросклероз и очаговые области, где присутствует воспаление. [39]
Небольшой размер наночастиц наделяет их свойствами, которые могут быть очень полезны в онкологии , особенно при визуализации. [9] Квантовые точки (наночастицы со свойствами квантового ограничения, такими как настраиваемое по размеру световое излучение) при использовании в сочетании с МРТ (магнитно-резонансной томографией) могут создавать исключительные изображения участков опухоли. Наночастицы селенида кадмия ( квантовые точки ) светятся под воздействием ультрафиолета. При инъекции они проникают в раковые опухоли . Хирург может увидеть светящуюся опухоль и использовать ее как ориентир для более точного удаления опухоли. Эти наночастицы намного ярче органических красителей, и для их возбуждения требуется только один источник света. Это означает, что использование флуоресцентных квантовых точек может обеспечить более контрастное изображение при меньших затратах, чем современные органические красители, используемые в качестве контрастных сред . Обратной стороной, однако, является то, что квантовые точки обычно состоят из довольно токсичных элементов, но эту проблему можно решить с помощью флуоресцентных легирующих добавок. [40]
Отслеживание движения может помочь определить, насколько хорошо распределяются наркотики или как вещества метаболизируются. Трудно отследить небольшую группу клеток по всему телу, поэтому ученые окрашивали клетки. Эти красители необходимо было возбудить светом определенной длины волны, чтобы они загорелись. Хотя красители разных цветов поглощают разные частоты света, возникла необходимость в таком же количестве источников света, как и в клетках. Решением этой проблемы являются люминесцентные метки. Эти метки представляют собой квантовые точки , прикрепленные к белкам, которые проникают через клеточные мембраны. [40] Точки могут иметь произвольный размер, могут быть изготовлены из биоинертного материала и демонстрируют наноразмерное свойство, заключающееся в том, что цвет зависит от размера. В результате размеры подбираются таким образом, чтобы частота света, используемая для флуоресценции группы квантовых точек, была в четное кратное число частоты, необходимой для накаливания другой группы. Тогда обе группы можно будет освещать одним источником света. Они также нашли способ вводить наночастицы [41] в пораженные части тела, чтобы эти части тела светились, указывая на рост или уменьшение опухоли, а также на проблемы с органами. [42]
Нанотехнология на чипе — еще одно измерение технологии «лаборатория на чипе» . Магнитные наночастицы, связанные с подходящим антителом, используются для маркировки конкретных молекул, структур или микроорганизмов. В частности, наночастицы кремнезема инертны с фотофизической точки зрения и могут накапливать большое количество красителей внутри оболочки наночастиц. [43] Наночастицы золота, помеченные короткими сегментами ДНК , можно использовать для обнаружения генетической последовательности в образце. Многоцветное оптическое кодирование для биологических анализов было достигнуто путем внедрения квантовых точек разного размера в полимерные микрошарики . Технология Nanopore для анализа нуклеиновых кислот преобразует строки нуклеотидов непосредственно в электронные подписи. [ нужна цитата ]
Сенсорные тестовые чипы, содержащие тысячи нанопроводов, способные обнаруживать белки и другие биомаркеры, оставленные раковыми клетками, могут позволить обнаруживать и диагностировать рак на ранних стадиях по нескольким каплям крови пациента. [44] Нанотехнологии помогают продвигать использование артроскопов — устройств размером с карандаш, которые используются в операциях с освещением и камерами, чтобы хирурги могли выполнять операции с меньшими разрезами. Чем меньше разрезы, тем быстрее время заживления, что лучше для пациентов. Это также помогает найти способ сделать артроскоп размером меньше пряди волос. [45]
Исследования в области диагностики рака на основе наноэлектроники могут привести к созданию тестов, которые можно будет проводить в аптеках . Результаты обещают быть очень точными, а продукт обещает быть недорогим. Они могли бы взять очень небольшое количество крови и обнаружить рак в любой части тела примерно за пять минут, с чувствительностью, которая в тысячу раз лучше обычного лабораторного теста. Эти устройства построены на основе нанопроводов для обнаружения раковых белков; Каждый детектор нанопроволоки настроен на чувствительность к разным маркерам рака. [32] Самым большим преимуществом детекторов нанопроволоки является то, что они могут проверять от десяти до ста подобных заболеваний без увеличения стоимости испытательного устройства. [46] Нанотехнологии также помогли персонализировать онкологию для выявления, диагностики и лечения рака. Теперь его можно адаптировать к индивидуальной опухоли для повышения эффективности. Они нашли способы воздействовать на определенную часть тела, пораженную раком. [47]
В отличие от диализа, который работает по принципу диффузии растворенных веществ в зависимости от размера и ультрафильтрации жидкости через полупроницаемую мембрану , очистка наночастицами позволяет целенаправленно направлять вещества. [48] Кроме того, можно удалить более крупные соединения, которые обычно не поддаются диализу. [49]
Процесс очистки основан на использовании функционализированных металлических наночастиц оксида железа или углерода с ферромагнитными или суперпарамагнитными свойствами. [50] Связывающие агенты, такие как белки , [48] антибиотики , [51] или синтетические лиганды [52], ковалентно связаны с поверхностью частицы. Эти связующие агенты способны взаимодействовать с целевыми частицами, образуя агломерат. Применение градиента внешнего магнитного поля позволяет воздействовать на наночастицы силой. Следовательно, частицы можно отделить от основной жидкости, тем самым очистив ее от загрязнений. [53] [54]
Небольшой размер (<100 нм) и большая площадь поверхности функционализированных наномагнитов обусловливают преимущества по сравнению с гемоперфузией , которая является клинически используемым методом очистки крови и основана на поверхностной адсорбции . Этими преимуществами являются высокая загрузка и доступность связующих агентов, высокая селективность по отношению к целевому соединению, быстрая диффузия, небольшое гидродинамическое сопротивление и низкая дозировка. [55]
Нанотехнологии могут использоваться как часть тканевой инженерии , чтобы помочь воспроизвести, восстановить или изменить форму поврежденной ткани с использованием подходящих каркасов на основе наноматериалов и факторов роста. В случае успеха тканевая инженерия может заменить традиционные методы лечения, такие как трансплантация органов или искусственные имплантаты. Наночастицы, такие как графен, углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, используются в качестве армирующих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу в низких концентрациях (~0,2 мас. %) приводит к значительному улучшению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. [56] [57] Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы в качестве нового, механически прочного и легкого композита в качестве костных имплантатов. [ нужна цитата ]
Например, было продемонстрировано, что сварщик плоти соединяет два куска куриного мяса в один кусок, используя суспензию покрытых золотом нанооболочек , активированных инфракрасным лазером. Его можно использовать для сварки артерий во время операции. [58] Другим примером является нанонефрология , применение наномедицины на почках.
Нейроэлектронный интерфейс — это дальновидная цель, связанная с созданием наноустройств, которые позволят компьютерам соединяться и связываться с нервной системой. Эта идея требует создания молекулярной структуры, которая позволит контролировать и обнаруживать нервные импульсы с помощью внешнего компьютера. Стратегия дозаправки подразумевает, что энергия пополняется постоянно или периодически с помощью внешних звуковых, химических, привязанных, магнитных или биологических электрических источников, тогда как стратегия без дозаправки предполагает, что вся энергия извлекается из внутреннего хранилища энергии, которое прекращается, когда вся энергия истощается. Был разработан наноразмерный ферментативный биотопливный элемент для наноустройств с автономным питанием, который использует глюкозу из биологических жидкостей, включая человеческую кровь и арбузы. [59] Одним из ограничений этого нововведения является тот факт, что возможны электрические помехи, утечки или перегрев из-за энергопотребления. Монтаж проводки конструкции чрезвычайно труден, поскольку их необходимо расположить точно в нервной системе. Структуры, обеспечивающие интерфейс, также должны быть совместимы с иммунной системой организма. [60]
Молекулярная нанотехнология — это спекулятивная область нанотехнологий, касающаяся возможности создания молекулярных ассемблеров , машин, которые могли бы переупорядочивать материю на молекулярном или атомном уровне. [ нужна цитация ] Наномедицина будет использовать этих нанороботов , введенных в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология носит в высшей степени теоретический характер и направлена на то, чтобы предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить программу будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, выходят далеко за рамки нынешних возможностей. [1] [60] [61] Будущие достижения в области наномедицины могут привести к продлению жизни за счет восстановления многих процессов, которые, как считается, ответственны за старение. К. Эрик Дрекслер , один из основоположников нанотехнологий, постулировал машины восстановления клеток, в том числе те, которые работают внутри клеток и используют пока еще гипотетические молекулярные машины , в своей книге 1986 года « Машины созидания» , при этом появилось первое техническое обсуждение медицинских нанороботов Робертом Фрейтасом . в 1999 году. [1] Раймонд Курцвейл , футурист и трансгуманист , заявил в своей книге «Сингулярность близка» , что, по его мнению, передовая медицинская наноробототехника сможет полностью устранить последствия старения к 2030 году . [62] По словам Ричарда Фейнмана , именно его бывший аспирант и соавтор Альберт Хиббс , который первоначально предложил ему ( около 1959 г. ) идею медицинского использования теоретических микромашин Фейнмана (см. Нанотехнологии ). Хиббс предположил, что однажды некоторые ремонтные машины могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что теоретически можно будет (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея была включена в эссе Фейнмана 1959 года « На дне много места» . [63]