Кіріспе
Нанотехнологияның медициналық қолданылуы
Наномедицина – нанотехнологияның медициналық қолданылуы. Наномедицина наноматериалдар мен биологиялық құрылғылардың медициналық қолданылуынан бастап, наноэлектрондық биосенсорларға дейін, тіпті молекулалық нанотехнологияның болашақтағы биологиялық машиналар сияқты мүмкін болатын қолданылуларына дейін қамтиды. Наномедицинаның қазіргі проблемалары наномасштабты материалдардың (құрылымы нанометр, яғни метрдің миллиардтан бір бөлігі мөлшерінде болатын материалдар) уыттылығы және қоршаған ортаға тигізетін әсеріне байланысты туындайтын мәселелерді түсінуді қамтиды. Наноматериалдарға биологиялық молекулалар немесе құрылымдармен байланыс арқылы қосымша мүмкіндіктер берілуі мүмкін. Наноматериалдардың мөлшері көптеген биологиялық молекулалар мен құрылымдардың мөлшеріне ұқсас болғандықтан, наноматериалдар in vivo және in vitro биомедициналық зерттеулер мен қолданулар үшін пайдалы болуы мүмкін. Бүгінгі күнге дейін наноматериалдарды биологиямен интеграциялау диагностикалық құрылғылар, контраст заттар, талдау құралдары, физиотерапиялық қолданыстар және дәрі-дәрмек жеткізу құралдарын дамытуға әкелді. Наномедицина жақын арада зерттеу құралдарының және клиникалық тұрғыдан пайдалы құрылғылардың құнды жиынтығын ұсынуды мақсат етеді. Ұлттық нанотехнология бағдарламасы фармацевтикалық өнеркәсіпте жаңа коммерциялық қолданыстарды күтеді, оларға жетілдірілген дәрі-дәрмек жеткізу жүйелері, жаңа терапиялар және in vivo бейнелеу кіруі мүмкін. Наномедицинаны зерттеуге АҚШ Ұлттық денсаулық сақтау институтының ортақ қоры қаржы бөледі, ол төрт наномедицинаны дамыту орталығын қолдайды. Наномедицинаның сатылымы 2015 жылы 16 миллиард долларға жетті, ал нанотехнологияны зерттеу және әзірлеуге жылына кемінде 3,8 миллиард доллар инвестицияланады. Соңғы жылдары жаңа нанотехнологияларға арналған жаһандық қаржыландыру жылына 45%-ға өсті, ал өнімнің сатылымы 2013 жылы 1 триллион доллардан асты. Наномедицина саласының өсуі жалғасып жатқандықтан, оның экономикаға маңызды әсер ететіні күтілуде.
Дәрілік заттар жеткізу
Нанотехнологиялар нанобөлшектерді пайдалана отырып, дәрілерді нақты жасушаларға жеткізу мүмкіндігін ұсынады. Белсенді фармацевтикалық агентті тек ауру аймағына, қажетті доздан аспайтын мөлшерде орналастыру арқылы жалпы дәрі тұтынуын және жанама әсерлерін айтарлықтай төмендетуге болады. Мақсатты дәрі жеткізу дәрілердің жанама әсерлерін азайтуға, сонымен қатар тұтыну мен емдеу шығындарын төмендетуге бағытталған. Бұған қоса, мақсатты дәрі жеткізу сау жасушаларға тигізетін зиянды азайту арқылы шикі дәрінің қосалқы әсерлерін азайтады. Дәрі жеткізу, организмнің нақты жерлерінде және белгілі бір уақыт аралығында биожетімділікті максималды етуге баса назар аударады. Бұл наноинженерленген құрылғылардың молекулалық бағытталуы арқылы мүмкін болады. Медициналық технологияда наноөлшемдерді қолданудың бір артықшылығы – кішкентай құрылғылар аз инвазивті болады және организмге имплантациялануы мүмкін, сонымен қатар биохимиялық реакциялардың уақыты қысқа. Бұл құрылғылар дәрі жеткізуге қарағанда жылдамырақ және сезімтал. Наномедицина арқылы дәрі жеткізудің тиімділігі негізінен мыналарға байланысты: а) дәрілерді тиімді қаптау, б) дәріні организмнің мақсатты аймағына сәтті жеткізу және в) дәріні сәтті босату. 2019 жылға қарай нарықта бірнеше нанодәрілер болды. Дәрі жеткізу жүйелері, липид немесе полимерлік нанобөлшектер, дәрінің фармакокинетикасы мен биотаралуын жақсарту үшін жасалуы мүмкін. Дегенмен, наномедицинаның фармакокинетикалық және фармакодинамикалық қасиеттері әртүрлі пациенттерде өте өзгермелі. Нанобөлшектер организмнің қорғаныс механизмдерін орап өту үшін жасалғанда, олар дәрі жеткізуді жақсартуға пайдалы қасиеттерге ие. Дәрі жеткізудің күрделі механизмдері, соның ішінде дәрілердің жасуша мембраналары арқылы цитоплазмаға өту мүмкіндігі әзірленуде. Дәрі молекулаларын тиімді пайдаланудың бір жолы – қоздыруға негіделген жауап. Дәрілер организмге енгізіліп, белгілі бір сигналға тап болғанда ғана белсенділенеді. Мысалы, нашар ерігіштігі бар дәрі гидрофильді және гидрофобты орталар бар дәрі жеткізу жүйесімен алмастырылады, бұл ерігіштікті жақсартады. Дәрі жеткізу жүйелері сондай-ақ реттелген дәрі босату арқылы тіндердің зақымдануын болдырмауы, дәрінің клиренсін азайтуы, таралу көлемін төмендетуі және мақсатты емес тіндерге тигізетін әсерді азайтуы мүмкін. Алайда, бұл нанобөлшектердің биотаралуы әлі де толық емес, себебі организмнің нано және микроөлшемді материалдарға реакциясы күрделі. Нанобөлшектердің уыттылығы олардың мөлшеріне, пішініне және материалына байланысты өзгереді. Бұл факторлар сондай-ақ жинақталуға және пайда болуы мүмкін органдардың зақымдануына да әсер етеді. Нанобөлшектер ұзақ қызмет етуге арналған, бірақ бұл оларды бауыр және көкбауыр сияқты органдарда тұрып қалуына себеп болады, өйткені оларды ыдыратуға немесе шығаруға болмайды. Биодеградацияланбайтын материалдың жинақталуы тышқандарда органдардың зақымдануына және қабынуына әкеп соқты. Магниттік нанобөлшектерді магниттік өріс әсерімен ісік ошағына бағытталған жеткізу, ісіктің өсуіне ықпал етуі мүмкін. Бұл құбылыстың алдын алу үшін ауыспалы электромагниттік өрістерді қолдану керек. Нанобөлшектер антибиотиктерге төзімділікті азайту немесе әртүрлі антимикробтық қолдану үшін зерттелуде. Нанобөлшектер көп дәріге төзімділік (МДР) механизмдерін айналып өту үшін де қолданылуы мүмкін. МикроРНК жеткізудің тағы бір жүйесі, алдын ала зерттеулерде, қатерлі ісікте бұзылған екі түрлі микроРНК-ның өзінен-өзі құрастырылуынан пайда болған нанобөлшектер болып табылады. Бір мүмкін қолданылуы – кішкентай электромеханикалық жүйелерге, мысалы, дәріні белсенді босату үшін зерттелген наноэлектромеханикалық жүйелерге, сондай-ақ темір нанобөлшектерімен немесе алтын қабықшаларымен қатерлі ісікке қарсы емдеуге арналған сенсорларға негізделген. Нанобөлшектерді қолданатын дәрі жеткізудің тағы бір жүйесі – аквасомалар, нанокристалдық орталықтан, полигидроксил олигомерінен жасалған қаптамадан және сусызданудан және конформациялық өзгерістерден қорғайтын қажетті дәрімен қапталған өзінен-өзі құрастырылатын нанобөлшектер. Префольдиннің наномедицинадағы ерекше құрылымы мен функциясының әлеуетті мүмкіндіктері зерттелуде.
Суреттеу
In vivo бейнелеу – құралдар мен құрылғылар жасалып жатқан тағы бір сала. Нанобөлшектерді контрасттық заттар ретінде пайдалану арқасында ультрадыбыстық зерттеу (УЗИ) және магниттік-резонанстық томография (МРТ) сияқты суреттерде таралу жақсырақ болады және контраст күшейеді. Кардиоваскулярлық бейнелеуде нанобөлшектер қанның жиналуын, ишемияны, ангиогенезді, атеросклерозды және қабыну ошақтарын көруге көмектеседі. Қозғалысты қадағалау дәрілердің таралуын немесе заттардың метаболизденуін анықтауға мүмкіндік береді. Денедегі шағын жасушалар тобын іздеу қиын болғандықтан, ғалымдар бұрын жасушаларды бояумен белгілеген. Бұл бояуларды жарқырату үшін белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықпен стимуляциялау қажет еді. Әртүрлі бояулар жарықтың әртүрлі жиіліктерін сіңіретін болғандықтан, жасушалар санына сай жарық көздерінің көп болуы керек еді. Осы мәселені шешу үшін люминесцентті таңбалар қолданылады. Бұл таңбалар – жасуша мембраналарына енетін белоктарға бекітілген кванттық нүктелер. Олар зардап шеккен дене бөліктеріне жетіп, ісіктің өсуін немесе қышқылуын, сондай-ақ органдардың мәселелерін жарқыратып көрсетеді.
Сенсорлық
Чиптегі нанотехнология – зертханадағы технологияның тағы бір өлшемі. Тиісті антиденеге байланыстырылған магниттік нанобөлшектер белгілі бір молекулаларды, құрылымдарды немесе микроорганизмдерді белгілеу үшін қолданылады. Әсіресе кремний диоксиді нанобөлшектері фотофизикалық тұрғыдан инертті және нанобөлшектің қабығының ішінде көптеген бояуларды жинақтауы мүмкін. ДНК-ның қысқа сегменттерімен белгіленген алтын нанобөлшектерін үлгідегі генетикалық тізбекті анықтау үшін пайдалануға болады. Биологиялық талдаулар үшін көп түсті оптикалық кодтау әртүрлі өлшемдегі кванттық нүктелерді полимерлі микрошарларға енгізу арқылы жүзеге асырылды. Нуклеин қышқылдарын талдауға арналған нанокеуек технологиясы нуклеотидтер тізбектерін тікелей электрондық қолтаңбаларға айналдырады. Онкологиялық жасушалар қалдырған ақуыздар мен басқа да биомаркерлерді анықтай алатын мыңдаған наносымдардан тұратын сенсорлық тест-чиптер науқастың бірнеше тамшы қанынан қатерлі ісікті ерте сатыда анықтауға және диагноз қоюға мүмкіндік береді. Нанотехнология артроскоптарды қолдануға көмектеседі, олар – хирургтардың кішкентай тіліктермен хирургиялық операциялар жасауына мүмкіндік беретін шамдары мен камералары бар қарындаштай ғана құрылғылар. Тіліктердің кішірек болуы емделу уақытын жеделдетеді, бұл науқастар үшін жақсы. Сондай-ақ, шаштан да жіңішке артроскоп жасаудың жолын табуға көмектеседі. Наноэлектроникаға негізделген қатерлі ісік диагностикасын зерттеу дәріханаларда жүргізілетін тесттерге әкелуі мүмкін. Нәтижелер жоғары дәлдікке ие болады, ал өнімнің бағасы қолжетімді болады. Олар өте аз мөлшерде қан алып, бес минут ішінде дененің кез келген жеріндегі қатерлі ісікті анықтай алады, бұл дәстүрлі зертханалық тестке қарағанда мың есе жоғары сезімталдыққа ие. Бұл құрылғылар қатерлі ісік ақуыздарын анықтау үшін наносымдармен жасалған; әрбір наносым детектор әртүрлі қатерлі ісік маркеріне сезімтал болу үшін бапталады. Нанотехнология онкологияны жекелендіруге, қатерлі ісікті анықтау, диагностикалау және емдеуге көмектесті. Қазір оны әрбір адамның ісігіне қарай бейімдеуге болады, бұл оның тиімділігін арттырады. Олар қатерлі ісіктің әсер еткен дененің нақты бөлігін нысанаға алудың жолдарын тапты.
Сепсиспен емдеу
Диализбен салыстырғанда, ол еріген заттардың мөлшеріне байланысты диффузиясы және жартылай өткізгіш мембрана арқылы сұйықтықтың ультрафильтрациялану принципі бойынша жұмыс істейді, ал нанобөлшектермен тазарту заттарды нақты нысанаға бағыттауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, әдетте диализ арқылы алынбайтын ірі молекулаларды да жоюға болады. Тазарту процесі ферромагниттік немесе суперпарамагниттік қасиеттері бар функционалды темір оксидінен немесе көміртекпен қапталған металл нанобөлшектерінен тұрады. Ақуыздар немесе синтетикалық лигандтар сияқты байланыстырушы агенттер бөлшектердің бетіне ковалентті байланыс арқылы бекітіледі. Бұл байланыстырушы агенттер нысаналы заттармен өзара әрекеттесіп, агломерат түзеді. Сыртқы магнит өрісі градиенті нанобөлшектерге күш түсіруге мүмкіндік береді. Осылайша бөлшектер көлемді сұйықтықтан бөлініп, оны ластаушылардан тазартады. Функционалды наномагниттердің кішкентай мөлшері (< 100 нм) және үлкен беткі ауданы гемоперфузиямен салыстырғанда артықшылықты қасиеттерге ие, гемоперфузия – қанды тазарту үшін клиникалық тұрғыда қолданылатын әдіс және беттік адсорбцияға негізделген. Бұл артықшылықтарға байланыстырушы агенттерге жоғары жүктеме және оңай қолжетімділік, нысаналы қосылысқа жоғары селективтілік, жылдам диффузия, төмен гидродинамикалық кедергі және аз доза жатады.
Тін инженериясы
Нанотехнология тіндік инженерияның бір бөлігі ретінде, зақымдалған тіндерді көбейтуге, жаңартуға немесе қайта қалыптастыруға көмектесу үшін, сәйкес наноматериалдарға негізделген мұқтаж жақтаулар мен өсу факторларын пайдалану арқылы қолданылуы мүмкін. Тіндік инженерия сәтті болған жағдайда, ол ағза трансплантациясы немесе жасанды имплантаттар сияқты дәстүрлі емдеу тәсілдерін алмастыра алады. Графен, көміртек нанотүтікшелер, молибден дисульфиді және вольфрам дисульфиді сияқты нанобөлшектер сүйек тінін инженериялау үшін механикалық тұрақты, биодеградацияланатын полимерлік нанокомпозиттер жасауға күшейткіш заттар ретінде қолданылады. Полимерлік матрицаға осы нанобөлшектерді төмен концентрацияда (~0,2 салмақ пайызы) қосу полимерлік нанокомпозиттердің қысымға және иілуге төзімділігін айтарлықтай жақсартады. Бұл нанокомпозиттер сүйек имплантаттары ретінде жаңа, механикалық тұрақты, жеңіл композит ретінде қолданылуы мүмкін. Мысалы, ет тіркегіш инфрақызыл лазермен белсендірілген алтын жалатылған наноқабықшалар суспензиясын пайдаланып, екі тауық етін бір-біріне біріктіруді көрсетті. Бұл операция кезінде артерияларды тіркеу үшін қолданылуы мүмкін. Тағы бір мысал – бүйрекке наномедицинаны қолдану, яғни нанонефрология.
Вакцинаны әзірлеу
Қазіргі кезде вирустық ауруларға қарсы вакциналардың көп бөлігі нанотехнология қолдану арқылы жасалады. Қатты липидтік нанобөлшектер – SARS CoV 2 (COVID-19 қоздырғышы) вирусына қарсы кейбір вакциналар үшін жаңа жеткізу жүйесі болып табылады. Соңғы онжылдықтарда вакцинаның мақсатты антигендеріне иммундық жауапты жақсарту үшін наноөлшемді адъюванттар кеңінен қолданылып келеді. Алюминий, кремний және саздың минералдық нанобөлшектері, сондай-ақ полимерлер мен липидтерге негізделген органикалық нанобөлшектер қазіргі заманғы вакцина құрамында кең таралған адъюванттар болып табылады. Хитозан сияқты табиғи полимерлердің нанобөлшектері, олардың биоүйлесімділігі мен биоыдырау қабілетіне байланысты вакцина әзірлеуде пайдалы. Церий нанобөлшектері вакцинаға жауапты күшейту және қабынуды азайту үшін үміт беруші, себебі олардың адъюванттық қасиеттерін нанобөлшектердің параметрлерін (өлшемі, кристалдық құрылымы, беттік жағдайы, стехиометриясы және т.б.) өзгерту арқылы реттеуге болады.
Медициналық құралдар
Нейроэлектрондық интерфейс – компьютерлерді жүйке жүйесімен қосып, байланыстыруға мүмкіндік беретін наноқұрылғыларды құруға бағытталған болашақты көздеген мақсат. Бұл идея сыртқы компьютердің жүйке импульстарын бақылау және анықтау мүмкіндігін қамтамасыз ететін молекулалық құрылымды жасауды талап етеді. Қайта толықтау стратегиясы энергияны сыртқы дыбыстық, химиялық, байланыстырылған, магниттік немесе биологиялық электр көздері арқылы үздіксіз немесе мерзімді түрде толықтыруды қарастырады, ал қайта толықтауды қажет етпейтін стратегияда барлық қуат ішкі энергия қорынан алынады, ол энергия толығымен таусылғанда тоқтатылады. Өздігінен қуатталатын наноқұрылғылар үшін наномасштабты ферменттік биожасуша жасалды, ол адам қаны және қарбыз сияқты биосұйықтықтардан глюкозаны пайдаланады. Бұл жаңалықтың бір шектеуі – электрлік кедергілердің, қуаттың ағып кетуінің немесе тұтынудан туындаған қызып кетудің болу мүмкіндігі. Құрылымды электрмен жабдықтау өте қиын, өйткені оларды жүйке жүйесінде өте дәл орналастыру қажет. Интерфейс құратын құрылымдар организмнің иммундық жүйесімен үйлесімді болуы керек.
Ұяшықты жөндеу машиналары
Молекулалық нанотехнология – молекулалық құрастырғыштарды, яғни затты молекулалық немесе атомдық деңгейде қайта құруға қабілетті машиналарды жасау мүмкіндігін зерттейтін нанотехнологияның гипотетикалық саласы. Наномедицина осы нанороботтарды организмге енгізіп, зақымдануларды және инфекцияларды жөндеу немесе анықтау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Молекулалық нанотехнология жоғары теориялық сипатқа ие, нанотехнология қандай жаңалықтарға әкелуі мүмкін екенін болжауға және болашақ зерттеулерге бағыт беруге бағытталған. Молекулалық нанотехнологияның ұсынылған элементтері, мысалы молекулалық құрастырғыштар мен нанороботтар, қазіргі мүмкіндіктерден әлдеқайда асып түседі. Наномедицинаның болашақтағы жетістіктері қартаю процесіне жауапты деп саналатын көптеген процестерді қалпына келтіру арқылы өмірді ұзартуға әкелуі мүмкін. Нанотехнологияның негізін қалаушылардың бірі К. Эрик Дрекслер 1986 жылғы «Engines of Creation» кітабында жасуша ішінде жұмыс істейтін, әлі болжамдық молекулалық машиналарды қолданатын жасушаларды жөндеу машиналарын сипаттады, ал Роберт Фрейтас 1999 жылы медициналық нанороботтар туралы алғашқы техникалық талқылауды жариялады. Ричард Фейнманның сөзіне сүйенсек, оның бұрынғы аспиранты және әріптесі Альберт Хиббс оған (шамамен 1959 жылы) Фейнманның теориялық микромашиналарын медициналық мақсатта қолдану идеясын ұсынған. Хиббс кейбір жөндеу машиналарын өлшемі бойынша қысқартуға болады, сонда (Фейнман айтқандай) «дәрігерді жұтуға» мүмкіндік туады деп болжады. Бұл идея Фейнманның 1959 жылғы «Төменде кеңістік көп» атты мақаласына енгізілген.