НАНОТЕХНОЛОГИИ В
МЕДИЦИНЕ
Нанотехнологии в медицине
• Применимы при сборке молекул,
планируется использование нанороботов (наноботов). Любую химически
стабильную структуру, которую можно
описать, можно и построить
• Нанобот можно запрограммировать на
строительство любой структуры, в т.ч.
на строительство другого нанобота
• Работая в группах, наноботы смогут
создавать объекты с небольшими
затратами, и высокой точностью
Нанотехнологии в медицине
• Ожидается создание молекулярных роботовврачей, которые могут "жить" внутри
человеческого организма, устраняя все
возникающие повреждения, или
предотвращая возникновение таковых
• Манипулируя отдельными атомами и
молекулами, наноботы смогут осуществлять
ремонт клеток
• Прогнозируемый срок создания роботовврачей, первая половина XXI века.
• В действительности наномедицины пока еще
не существует, существуют лишь
нанопроекты, воплощение которых в
медицину позволит бороться со старением
Нанотехнологии в медицине
• Наибольший практический эффект от
применения нанороботов в медицине
будет, когда удастся создать
сверхминиатюрные устройства
размерами в несколько микрон – как
их называют, «молекулярные
машины», которые смогут свободно
перемещаться внутри наших
артерий, производя при этом
диагностику и даже «ремонт»
организма изнутри
Нанотехнологии в медицине
• В настоящее время разработка и
производство медицинских «роботовмикроорганизмов» находится в
зачаточном состоянии,
разрабатываются пока не сами
нанороботы, а средства и
инструменты, способные помочь им
• В очередном номере журнала
Nanotechnology появилась статья
Nanorobot architecture for medical target
identification
Нанотехнологии в медицине
• Группа учёных – Адриано Кавальканти
(Adriano Cavalcanti), Биджан Ширинзаде (Bijan
Shirinzadeh), Роберт Фрейтас (Robert Freitas,
Jr.) и Тэг Хогг (Tad Hogg), из
исследовательских групп Center for
Automation in Nanobiotech и Robotics and
Mechatronics Research Laboratory, Department
of Mechanical Engineering, Monash University
(Мельбурн, Австралия), а также Institute for
Molecular Manufacturing и Hewlett-Packard
Laboratories (Калифорния, США),
представили 3D систему для моделирования
и проектирования медицинских нанороботов
Нанотехнологии в медицине
• Разработана виртуальная реальность,
получившая название NCD (Nanorobot
Control Design), которая может
применяться для изучения поведения
виртуальных нанороботов, их
взаимодействия с виртуальными
биомолекулами в виртуальных
артериях. Подобные системы 3D
моделирования уже применялись - при
разработке полупроводниковых
наноструктур. При этом наиболее
ходовыми техпроцессами являются 65
нм и 45 нм
Нанотехнологии в медицине
• Платформа NCD позволяет визуально
представить процессы, происходящие с
нанороботом внутри человеческого тела.
Использование NCD ускорит разработку и
практическое внедрение медицинских
нанороботов. Для медицинского наноробота
одной из сложных задач является
маневрирование в непосредственной близости
от биомолекулы для идентификации типа этой
биомолекулы в кровяной среде, где
перемещается множество различных частиц, в
непредсказуемых направлениях и с различной
скоростью
Нанотехнологии в медицине
СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ НАНОРОБОТА
Нанотехнологии в медицине
• Перемещения в достаточно вязкой
артериальной среде, где
нанороботы сталкиваются с
белками, другими частицами в
общем токе крови. Сосуды
представлены трубками диаметром
порядка 40 мкм. Моделирование
поведения наноробота в такой
среде – затруднительно
Нанотехнологии в медицине
НАНОРОБОТ В СОСУДЕ
Нанотехнологии в медицине
• С помощью программного пакета NCD в
режиме реального времени возможно
моделирование поведения наноробота, перед
которым поставлена задача поиска белков в
динамичной виртуальной среде с
последующей идентификацией и переноса
этих белков по назначению. Имеется
возможность задать несколько стратегий
«поведения» наноробота и изучить каждую из
них на эффективность. Нанороботы могут
использовать разные комплекты химических и
температурных датчиков, а также разные
траектории движения
Нанотехнологии в медицине
• Для демонстрации возможностей системы
моделировали различные начальные условия
тестирования, где нанороботы использовали
несколько способов идентификации белков в
кровяных сосудах с изменяющимся по ходу
эксперимента диаметром. Виртуальные
эксперименты подтвердили лучшие результаты
работы нанороботов при поиске цели в более
узких сосудах, высокую степень
эффективности поисков при использовании
химических и термических биосенсоров в
сочетании с хаотической (блуждающей)
моделью передвижения
Нанотехнологии в медицине
.
Моделирование
движения
нанороботов в
кровеносном
сосуде среди
форменных
элементов
(эритроцитов)
Нанотехнологии в медицине
• Система NCD позволяет успешно использовать
интерактивные инструменты для разработки
нанороботов – методики контроля и
управления нанороботом, общая концепция
производства, дизайн силового привода
(двигателя) и многое другое. Проведены
виртуальные исследования нанороботов для
лапароскопической хирургии
(предоперационные исследования брюшинной
полости оптическими приборами), диабета,
раковых заболеваний, аневризмы мозга, в
кардиологии, для биозащиты от боевых
отравляющих веществ, разработки систем
доставки лекарственных форм
непосредственно к участку их активного
действия. Изучаются побочные эффекты
химиотерапии при лечении болезни
Альцгеймера
Нанотехнологии в медицине
• Успеха в разработке системы для
моделирования поведения биологических
нанороботов удалось добиться благодаря
взаимодействию специалистов разных
областей наук и технологий. Наряду с
химиками, электронщиками, программистами,
физиками, механиками, специалистами по
фотонике и разработке новых материалов, к
работе были привлечены фармацевты и
медики. Предполагается привлечение к
работам специалистов по геномике (genomics)
– отрасли молекулярной генетики, изучающей
геномы
Нанотехнологии в медицине
• Ряд компонентов для нанороботов
реализован на практике уже сейчас. Это
биосенсоры, нанодвигатели, антенны,
которые уже применяются в специфических
наноустройствах
• Следующим шагом должна стать интеграция
разрозненных компонентов в единое целое с
названием «МЕДИЦИНСКИЙ НАНОРОБОТ».
Начало их массового производства, по мнению
разработчиков системы NCD, наступит до 2015
года. Будет осуществлена разработка
технологии производства, тестирование
совместимости и безопасности таких
устройств
Нанотехнологии в медицине
• Ожидается создание
молекулярных
роботов-врачей,
которые могут
«жить» внутри
человеческого
организма, устраняя
все возникающие
повреждения, или
предотвращая
возникновение
таковых
• Манипулируя
отдельными
атомами и
молекулами,
нанороботы смогут
осуществлять
ремонт клеток
Нанотехнологии в медицине
• Наноботы или молекулярные роботы
могут участвовать (и наряду с генной
инженерией, и вместо нее) в
перепроектировке генома клетки, в
изменении генов или добавлении новых
для усовершенствования функций клетки
• Такие трансформации в перспективе
можно производить над клетками живого,
уже существующего организма, меняя
геном отдельных клеток, трансформируя
сам организм!
Нанотехнологии в медицине
Необходимо решить три основных
вопроса:
• Разработать и создать молекулярных
роботов, которые смогут ремонтировать
молекулы
• Разработать и создать нанокомпьютеры,
которые будут управлять наномашинами
• Создать полное описание всех молекул в
теле человека - создать карту
человеческого организма на атомном
уровне
Нанотехнологии в медицине
• Улучшить сканирующий туннельный микроскоп
или атомно-силовой микроскоп для
достижении позиционной точности и силы
захвата
• Другой путь к созданию наноробота ведет
через химический синтез. Необходимо
спроектировать и синтезировать такие
химические компоненты, которые будут
способны к самосборке в растворе
• Еще один путь - через биохимию. Рибосомы
(внутри клетки) являются
специализированными нанороботами, и их
можно использовать для создания
универсальных роботов
Нанотехнологии в медицине
Сибирский университет потребительской кооперации
Национальный Мексиканский университет
Новосибирский государственный медицинский
университет
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
НОЦ "Молекулярный дизайн и экологически
безопасные технологии при Новосибирском
государственном университете
Новосибирский институт экономики и менеджмента
Институт клинической и экспериментальной
лимфологии СО РАМН
ООО НПЦ "Вектор-Вита", ООО "Вектор Про"
ПРОВЕЛИ
• Научно-практическую конференцию с международным
участием
«НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ
БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
(11-12 октября 2007 г., СибУПК)
Нанотехнологии в медицине
• Применение наночастиц серебра и висмута
может использоваться при лечении
трофических язв - время заживания раны
сокращается в несколько раз (Е.М. Благитко,
Государственная Новосибирская медицинская академия),
гнойного остеомиелита (А.А. Ангельский, ЦКБ СО РАН),
бактериального вагиноза (Г.В. Башур, Бердская
центральная городская больница), различных ожоговых
ран (В.С. Беспалов, Новосибирская районная больница №1),
ЛОР-заболеваний у детей (Н.А. Воронцова, Детская
поликлиника ЦКБ СО РАН). В докладе М. Jose Yacamana, The
University of Texas at Austin, USA - прямыми
экспериментами показано, что наночастицы
серебра размером от 1 до 10 нанометров
являются эффективными ингибиторами вируса
иммунодефицита человека и пригодны для
лечения ВИЧ заболеваний
Нанотехнологии в медицине
• Способы введения наночастиц золота в
биологическую ткань в докладе В.Е. Родимина (МГУ
им. М.В. Ломоносова), А.В. Гегенаевой – (Московский
государственный медико-стоматологический университет), Н.А.
Державиной, З.М. Гасановой (Федеральный научно-клинический
центр оториноларингологии)
• В докладе группы ученых
(А.Г. Першина, А.Э. Сазонов,
В.И. Итин, О.Г. Терехова, Сибирский государственный медицинский
университет, Отдел структурной макрокинетики Томского научного
было рассказано о влиянии
оксидных ферромагнетиков типа MgFe2O4,
CoFe2O4 на стабильность фермента Tag
полимеразы, что важно для решения проблемы
иммобилизации ферментов на наночастицах
центра СО РАН)
Нанотехнологии в медицине
• А.П. Колесников, И.И. Ким и В.А. Бурмистров (Институт
клинической и экспериментальной лимфологии СО
РАН) рассказали об иммуноактивных
свойствах арговита - кластерной формы
наночастиц серебра в опытах in vitro.
Доклад А.Г. Полтавченко (ФГУП ГНЦ вирусологии и
биотехнологии «Вектор») был посвящен
применению кобальтовых наночастиц в
качестве маркеров иммунных систем
• Возможность создания нанокомпозитов
на основе наночастиц серебра и
биосовместимых полимеров, например,
арабиногалактана, была показана П.Г.
Суховым (Иркутский институт химии СО РАН)
Нанотехнологии в медицине
• В докладе А.А. Онищука (Институт химической кинетики и
горения СО РАН, Институт органической химии СО РАН,
Новосибирский государственный университет, Научнообразовательный центр «Молекулярный дизайн и экологически
безопасные технологии», Институт теоретической и прикладной
механики СО РАН, Новосибирский государственный
на примере индометацина
было продемонстрировано, что наночастицы
лекарственных веществ, получаемые методом
контролируемой сублимации, могут
использоваться для введения препаратов
через дыхательные пути, что позволило
снизить на порядки дозу препарата с тем же
терапевтическим эффектом
педагогический университет)
Нанотехнологии в медицине
• Применению наночастиц железа, цинка,
меди при заживлении ран был посвящен
доклад Н.Н. Глушенко (Институт энергетических
проблем химической физики РАН). Представили
данные по бактерицидному эффекту
наночастиц висмута Ю.М. Юхин, Ю.И.
Михайлов (Институт химии твердого тела и
механохимии СО РАН). Особый интерес
представляет большая активность
наночастиц висмута к бактериям типа
картофельной палочки, что важно для
медицины и для смежных областей (для
сохранения от порчи зерна при его
переработке)
Нанотехнологии в медицине
• Академик РАН В.В. Болдырев отметил, что
усилия по продвижению нанотехнологий в
сторону биологии и медицины важны, из-за
очевидного «перекоса» в сторону технических
направлений, чем мы отличаемся от развитых
стран, например, США, где более половины
исследований в области нанотехнологий
нацелены на решение проблем, связанных с
науками о жизни. Кроме того, он подчеркнул,
что существует направление исследований,
которое нуждается в срочном развитии – это
основы техники безопасности при работе с
наносистемами, проблемы токсикологии
Нанотехнологии в медицине
• Учёные Университета Вашингтона и Университета
Джона Хопкинса анализировали свойства
хлоротоксина, небольшого пептида,
изолированного из яда скорпиона, в качестве
потенциального средства лечения раковых
клеток. Генетики связывали действие
хлоротоксина со многими типами опухоли,
включая опухоль головного мозга
• Хлоротоксин замедляет вторжение раковых
клеток в органы тела, а в сочетании с работой
наночастиц удваивает защитный эффект
против развития опухоли. Благодаря
наночастицам усилился эффект
терапевтических молекул вокруг каждой из них
Нанотехнологии в медицине
• Эксперименты проводились на мышах,
использовали объединение 10 молекул
хлоротоксина с одной наночастицей. Это
предотвращало распространение рака в
головном мозге. Нахождение наночастиц и
хлоротоксина на поверхности клеток позволяло
блокировать изменение их формы - ещё одно
важное условие для свободного
проникновения клеток рака по всему организму
• Американским онкологам удалось
использовать наночастицы в терапии, которая
позволяет физическим способом
останавливать распространение опухоли
Нанотехнологии в медицине
Предполагается, что новая
методика будет полезна для
лечения не только рака мозга,
но и молочной железы, кожи,
лёгких, простаты, толстой
кишки и яичников
Технологии создания новых
лекарственных форм.
• Компьютерный
анализ и синтез
лекарственных
веществ
Нанотехнологии в медицине
• проблемно-ориентированный поиск для
изучения закономерностей
формирования молекулярного дизайна с
целью получения объемных
наноструктурных образований с
заданными свойствами
• существующие способы компьютерного
конструирования, молекулярного дизайна
и анализа органических и неорганических
веществ требуют существенного
видоизменения, так как не позволяют
учитывать наноразмерные эффекты
Нанотехнологии в медицине
• необходимость дооснащения зондовых
нанолабораторий
• начало разработки и создание теории
взаимодействия наноструктур с
биологическими системами на разных
иерархических уровнях восприятия
внешних раздражений, в том числе
физических полей и излучений,
разработка технологий организации
наноструктур для придания им
прогнозируемой биологической
активности
Нанотехнологии в медицине
• создание (на основе впервые
полученных сведений об
особенностях молекулярного
дизайна) принципиально нового
класса биологически активных
веществ, трехмерная наноструктура
которых обеспечит управляющие
эффекты внешних, в том числе
лучевых и полевых, воздействий
• разработка средств защиты от
эффектов нелетального оружия
(КВЧ, лазерного и пр.)
Нанотехнологии в медицине
НАНОВЗРЫВЫ ПОМОГУТ ОТ РАКА
• Смешивая наноматериалы, как топливо и
окислитель, создано новое
нановзрывчатое вещество, которое может
генерировать ударные волны. Группа
исследователей из Университета
Миссури-Колумбии (UMC) и армии США
надеются, что эта «умная бомба
наноразмеров» сможет находить раковые
клетки и повреждать их, а здоровые
клетки оставлять целыми. Их
исследования опубликованы в выпуске
Applied Physics Letters
Нанотехнологии в медицине
• Наносконструированная термитная смесь
может производить ударные волны подобно
небольшому количеству первичных
взрывчатых веществ
.
Источник: S. Apperson, et al.
Нанотехнологии в медицине
• Наносоединение образует волну сгорания
со скоростью 1500-2300 метров секунду.
Открытие этих нано ВВ (взрывчатых
веществ) может привести к улучшению
доставки препаратов к клеткам
пораженным раком или ВИЧ. Сначала,
лекарственное вещество вводится с
помощью шприца, рассредотачивая его
по всему телу. Далее специальным
устройством, посылается импульс в
область опухоли
Нанотехнологии в медицине
• Ударные волны, созданные импульсом,
сделают крошечные отверстия в клетках,
которые позволяли бы ввести препарат.
В пределах миллисекунды, препарат,
вторым циклом волн, вносится внутрь
клетки. Исследователи проверили новый
метод на тканях животных и он
продемонстрировал 99% процентный
успех — почти все клетки получили
лекарство. Здоровые клетки при этом
получили меньше повреждений, чем при
химиотерапии
Нанотехнологии в медицине
• Внедрение нового метода ожидается
через 2-5 лет. Помимо медицинской
области нано ВВ могут быть
использованы в геологии и
сейсмологии. Первоначально
технология использовалась
военными для обнаружения
импровизированных взрывчатых
веществ. Ударные волны посланные
в землю, могли показать цель
Нанотехнологии в медицине
• В Берлинском университете Шарите
пытаются использовать наночастицы в
борьбе против рака. Используются
микроскопические частицы окиси железа.
У них есть свойство нагреваться в
магнитном поле, если его полярность
изменяется около 100 000 раз в секунду.
При этом температуру частиц можно
устанавливать любой. Если вводить
наночастицы окиси железа в опухоль, то
можно нагревать целенаправленно
опухолевые клетки
Нанотехнологии в медицине
• Здоровые клетки не проницаемы для
этих наночастиц. Впервые получен
способ нагревания опухолевой ткани
точно на желаемую температуру. При
воздействии небольших температур до 45
° C можно повышать эффект от обычной
химиотерапии и лучевой терапии. Если
температуру увеличить до 70 °C ,
опухолевая ткань испаряется
(вопаризация), а здоровая ткань остается
нетронутой
Нанотехнологии в медицине
• Результаты ожидаются в течение 3-х лет.
В Берлинской клинике радиологии
Шарите этот метод испытывается в
рамках клинического исследования на
избранных пациентах. В исследование
включены пациенты, имеющие рак
любого органа, но размер опухоли не
превосходит 5 см. Необходимы
последующие кропотливые анализы,
прежде чем начинать применять метод
рутинно на большом числе пациентов
Нанотехнологии в медицине
• Идея: доставлять медикаменты
непосредственно в пункт назначения
в сердце. Вместо минироботов в
качестве транспортной среды
должны служить так называемые
наноконтейнеры. Оболочка этих
шарообразных миниконтейнеров
построена таким образом, что она
целенаправленно определяет только
больные клетки, стыкуется с ними и
освобождает медикаменты
СПАСИБО
за
ВНИМАНИЕ!
Скачать

Слайд 1 - Медицинский институт ТулГУ