27 березня, 2015

Новые перспективы украинской медицины, или немного о нанотехнологиях

О нанотехнологиях и наноматериалах написано и сказано так много, что трудно отличить зерна от плевел. На сегодняшний день в научном мире нет более актуальной, перспективной, но и противоречивой области, чем эта.
К научным и прикладным разработкам в сфере нанотехнологий подключены все ведущие университета мира. За последние годы создано свыше 1600 нанотехнологических центров, каждые два года начиная с 1992 г. проводятся представительные Международные конференции (NANO), а ежегодное число симпозиумов и семинаров по данной тематике уже составило несколько десятков.
Успешно развивается это направление и на постсоветском пространстве, в том числе и в Украине.
Обсуждению достижений и планов, трудностей и приоритетов нанонауки было посвящено расширенное заседание Ученого совета ГП «Государственный фармакологический центр» МОЗ Украины, состоявшееся в Киеве в октябре.

Открыл заседание докладом «Нанотехнологии и наноматериалы в медицине» академик НАН Украины, директор Международного центра электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, доктор технических наук Борис Алексеевич Мовчан.
– История использования нанотехнологий уходит корнями в глубокую древность: египтяне смешивали сажу с водой для изготовления так называемых китайских чернил, а скифы применяли магнитную жидкость Fe₃O₄ в виде красок.
Второй виток развития произошел в XVIII-XIX столетиях, во времена Фарадея, а первые упоминания о методах, которые впоследствии стали основой нанотехнологий, сделал в 1959 году лауреат Нобелевской премии Ричард Ф. Фейнман в своем нашумевшем докладе «Там, внизу, еще много места».
Знаковой для развития украинской науки стала встреча академика Е.О. Патона и С.П. Королева, состоявшаяся в 60-х годах. Предметом обсуждения явился вопрос необходимости новых материалов для авиации и космонавтики, которые напоминали бы по своим экстремальным свойствам применяемые в микроэлектронике и обладали целым спектром физико-химических свойств. Так в Институте электросварки ведущим направлением стали нанотехнологии.
Что же объединяет это понятие с точки зрения современной науки?
Нанотехнологии – это совокупность научных знаний, способов и средств, направленных на регулируемую сборку (синтез) из отдельных атомов и молекул разных веществ, материалов с линейным размером структурных элементов до 1 нм (миллиардная доля метра).
Соответствие наноразмеров медицинских объектов представлены в таблице.
Электронно-лучевая технология – это регулируемая укладка атомов. В настоящее время существует два метода получения наноматериалов:
• метод химического синтеза;
• физический метод (прямой видимый синтез новых веществ).
Суть физического метода, который в сравнении с химическим является более простым и доступным, состоит в следующем: вещество превращают в пар (атомизация), а потом, управляя паровым потоком, получают необходимые структуры.
Атомизацию осуществляют с помощью электронно-лучевого устройства. В качестве слитка используют графит, металл, керамику или сплав. Мощным электронным лучом осуществляют нагрев, а потом при регуляции испарения в вакуумной камере получают атомизированное первичное вещество с большей плотностью, чем в межпланетном пространстве.
На сегодняшний день основными являются три технологические (промышленные) схемы электронно-лучевого испарения и конденсации:
• испарение из одного источника (конденсация паровой фазы на поверхности);
• испарение из двух источников (на поверхности конденсируется смешанный паровой поток; закон конденсации более сложный, учитывает механизмы и законы адсорбции, подвижность атомов на поверхности). Если между двумя источниками поместить непроницаемую перегородку (подложку) – металлический стержень, то при ее вращении можно получать слоистые композиты;
• паровой поток, отражающийся от поверхностей в вакууме и конденсирующийся, непосредственно взаимодействует с жидкой или твердой поверхностью.
Параллельно в нашем центре ведутся работы по производству промышленного нанооборудования; эти установки уже эксплуатируются в США, Китае, Канаде, Индии. Приблизительная стоимость комплекса – 1,5 млрд долларов.
Лидером в потреблении наноматериалов традиционно считается авиация, расширяется поле их применения и в медицине.
Наиболее популярны такие виды наноматериалов:
• многофазные;
• многослойные;
• пористые;
• градиентные;
• особые структуры.
К многофазным относится карбид бора (5-6 нм) – очень твердый и износостойкий материал, который может работать в потоке высокотемпературной плазмы.
Многослойные наноструктуры обладают жесткостью и одновременно биосовместимостью с костью и другими тканями, что позволяет применять их в качестве имплантатов.
Пористые материалы используются как покрытие для имплантатов, благодаря своей структуре они обеспечивают быстрое прорастание их тканями.
Градиентные соединения (оксид циркония ZrO₂, оксид кремния SiO₂) получают в виде гранул размером 1 мкм, обладающих сорбционными свойствами. Они могут быть носителями катализатора – частью микроустройств для катализа.
Уникальной в структуре углеродных нанотрубок и наностержней является строение стенки: она подобна напряженной решетке алмаза.
Уже сегодня наука и техника может открыть новые горизонты для медицины и фармакологии, ведь электронно-лучевые нанотехнологии – это реальная основа дальнейшего научно-технического и экономического прогресса в производстве:
• консервированных в твердой или жидкой, по необходимости удаляемой, матрице наночастиц различных веществ;
• консолидированных или дискретных наноструктур и их соединений;
• фильтров;
• сорбентов;
• носителей для катализаторов и устройств для катализа;
• компонентов медицинских инструментов и оборудования (в частности, специальных частей для рентгеновских трубок);
• магнитных наножидкостей.
На сегодняшний день в нашем центре возможно производство нескольких тонн магнитных жидкостей – исходного продукта, который фармакологи должны «одеть» в липидную оболочку. Сами по себе магнитные жидкости – это коллоидные дисперсии магнитных материалов с размерами от 5 нм до 10 мкм, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды или силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров.
Они сохраняют устойчивость в течение 2-5 лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами, могут применяться в терапии опухолей (магнитная частичка покрывается липидной оболочкой с добавлением лекарственного средства, затем вводится в кровь и под контролем магнитного поля направляется в место локализации патологического процесса).
Эффективность действия обеспечивается высокой точностью (прицельностью) и возможностью создать предельно высокие концентрации препарата в зоне опухоли.
Несмотря на скудное финансирование (за 14 лет центр не получил ни одного гранта), разработки в этом направлении продолжаются, ведь вклад в спасение хотя бы одного пациента с онкопатологией нам куда важнее создания сверхчувствительных сенсоров и высокоточного нанооружия.

Заведующий отделом радиоспектроскопии минеральных веществ Института геохимии и минералогии НАН Украины, доктор физико-математических наук, профессор Александр Борисович Брик представил доклад «Физические основы нанотехнологий, наноматериаловедения и наномедицины».
– В последнее время во всем мире резко возрос интерес к наноматериалам и нанотехнологиям. Секрет их популярности заключается в том, что в наночастице по сравнению с большими объектами возрастает доля поверхностных атомов и молекул по сравнению с атомами и молекулами в объеме, что и влияет на свойства частицы в целом. Свойства материала (электрические, магнитные, механические), состоящего из наночастиц, перестают быть постоянными и начинают зависеть от размеров и формы частиц; иногда наноматериалы могут приобретать совершенно новые качества.
В работе с наноструктурами мы выработали определенные подходы. Их основные идеи и особенности состоят в следующем:
• в организме человека существует более 50 типов различных наноразмерных неорганических частиц (биоминералов), имеющих кристаллическую структуру твердых тел;
• с помощью методов физики твердого тела можно получать детальную информацию о свойствах биоминералов и их функционировании;
• на основании полученной информации возможно создание новых синтетических материалов для медицины.
В настоящее время мы занимаемся изучением биоминералов и разработкой ферромагнетиков.
Биоминералы в организме человека представлены в основном фосфатами, карбонатами, окислами и гидроокислами железа; формируются они под влиянием физиологической (наноразмерные частицы, локализованные в костях, эмали зуба, тканях мозга) и патологической (камни в почках) минерализации.
После проведения детальных исследований, сравнения порошков, гранул и керамических блоков, имплантированных в кости животных, анализа строения и свойств биологических тканей появилась научная база для создания материалов с предварительно заданными свойствами.
На основе этих данных в лаборатории профессора В.А. Дубко был создан материал «Синтекость», содержащий в своем составе гидроксиапатиты, трикальцийфосфаты и другие фосфатные фазы, сульфат кальция, различные биоактивные стекла и биоактивные ситаллы, которые используются в виде структурированных и специально подготовленных форм.
Преимуществами препарата являются хорошая переносимость и отсутствие побочных действий, доступность и низкая цена, а главной особенностью – вариабельность базового состава: пористость и механические свойства можно изменить в самом широком диапазоне, следовательно, и время резорбции будет колебаться от 6 мес до 20 лет.
«Синтекость» применяется в ортопедии, нейрохирургии, отоларингологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии, в том числе в качестве имплантатов для возмещения больших краниальных дефектов. Материал прошел широкую клиническую апробацию.
Много сведений накоплено о процессах деминерализации костей, которые в условиях невесомости протекают более стремительно и препятствуют длительным космическим полетам. Нами разработаны способы контроля этого процесса и определены факторы, обусловливающие деминерализацию на уровне наноразмерных систем костной ткани.
Все это еще раз подтверждает – будущее медицины во многом зависит от нанотехнологий.
Недавно в Украине была принята программа НАН Украины «Наноструктурные системы, наноматериалы и нанотехнологии». Подобные программы уже созданы более чем в 40 странах мира.

О перспективах применения нанотехнологий рассказал в докладе «Нанофармакология: состояние и перспективы научных исследований» член-корреспондент НАН и АМН Украины, заведующий кафедрой фармакологии с курсом клинической фармакологии национального медицинского университета им. А.А. Богомольца, доктор медицинских наук, профессор Иван Сергеевич Чекман.
– На сегодняшний день нанотехнологии применяются практически во всех отраслях медицины, особенно широко их используют генетика, гематология, гигиена, токсикология, микробиология, фармакология (быстрорастворимые витамины, нанокапсулы для доставки лекарственных средств), хирургия (микро- и наноустройства различной степени автономности, зондовые микроскопы, наноинструменты и наноманипуляторы), дерматология (солнцезащитные кремы).
Приоритетная область научных исследований – нанотоксикология, включающая в себя разработку нанотехнологий, создание и внедрение в медицинскую практику новых лекарственных средств с целью снижения токсичности и минимизации нежелательных эффектов.
Недавно закончилось трехлетнее исследование (совместный проект Института медицины труда Академии медицинских наук и институтов Национальной академии наук) по изучению влияния нанодисперсного кремнезема на уменьшение токсичности факторов внешней среды. Доказано, что кремнезем понижает токсичность нитрита натрия, фторида натрия, доксорубицина, противотуберкулезных препаратов за счет связывания белков, микроорганизмов, снижения перекисного окисления, обезвреживания низкомолекулярных токсинов.
На основе непористого аморфного нанодисперсного кремнезема создан препарат Силикс с адсорбционно-детоксикационным действием, который показан при острых кишечных заболеваниях, вирусных гепатитах, атеросклерозе, острой почечной недостаточности, интоксикациях различного генеза, аллергических реакциях. Местно применяется при гнойно-септических процессах, ранах; в стоматологии – для лечения гингивитов, стоматитов, пародонтита; офтальмологами – в случае ожогов роговицы и воспалительных заболеваний глаз. В стадии разработки находится его аналог в виде суспензии – Аквасил.
Оправдали надежды ученых наноэмульсии и антибактериальные нанопрепараты, бактерицидное действие которых значительно пролонгируется за счет наночастиц серебра.
Также не имеет аналога нанокатализатор, изготавливающий углеродные нанотрубки одинакового размера и собирающий их в структуру, напоминающую ковер. Она меняет цвет в присутствии различных химических соединений, а также имеет выраженные противомикробные свойства (в эксперименте показано, что Е. coli погибает в течение часа). Прогнозируется, что самособирающиеся пептидные нанотрубки станут действенным средством борьбы с устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами.
И это только малая часть того вклада, который наноматериалы и нанотехнологии могут внести в медицину.

Главный научный сотрудник Института фармакологии и токсикологии АМН Украины, доктор медицинских наук, профессор Анатолий Иванович Соловьев подытожил сказанное и выделил в своем докладе «Перспективы нанотехнологий в фармакологии» наиболее важные для изучения направления нанонауки.
– Отрасль нанотехнологий и наноматериалов переживает сейчас настоящий бум, это приоритетное направление научных разработок во всех развитых странах. В медицине их используют в диагностике, мониторинге, для создания биосенсоров, лекарственных препаратов, сорбентов; в качестве протезов, имплантатов, искусственных органов чувств.
Что же является важным именно для нас? Что необходимо пациентам в условиях украинских реалий?
Прежде всего это:
• применение фосфолипидных нановезикул (липосом), обеспечивающих восстановление эндотелиальной функции; направленный транспорт лекарственных средств; уменьшение токсичности и повышение биодоступности/проницаемости лекарственных средств;
• восстановление внеклеточного матрикса сосудистой стенки при диабете с использованием низкомолекулярных биорегуляторов и взрослых стволовых клеток;
• идентификация белков-маркеров и белков-мишеней;
• изучение биодоступности и биоэквивалентности лекарств с помощью клеточных технологий;
• скрининг лекарственных средств с использованием регистрации токов.
Ожидаемые открытия в производстве новых лекарственных средств, создании имплантатов и анализе процессов, происходящих в организме, станут «зеленой картой» в мир новой, более совершенной медицины.
«Приставка нано- – это дойная корова», – сказал как-то русский академик Ефимов. Действительно, исследования в сфере наноматериалов стали престижным и прибыльным занятием, их зачастую беспочвенно возводят в ранг сенсационных, на них возлагают огромные надежды как больные, так и сами разработчики.
Ученые прогнозируют возможность встраивания в клетки крови датчиков, реагирующих на появление радионуклидов в окружающей среде и раковых клеток в организме, появление сверхчувствительных сенсоров и «умной» косметики, новых видов топлива и материалов для полетов в космос.
«Многообещающая идея», «новая промышленная революция», «часть жизни человечества», «прорыв года» – такими пафосными эпитетами награждают в прессе нанотехнологии.
Но даже специалисты этой области обращают внимание на отсутствие пороговости действия наноматериалов, значительные выбросы при их производстве. Кроме того, существуют также политические и этические аспекты – например, разработка новых видов вооружения, неоправданное применение наноструктур.
Какое же решение принять докторам и фармакологам – остановиться или рискнуть?
Как сказал один из участников заседания, «мы не смогли предотвратить создание ядерного оружия; не остановили рентгеновские лучи; мы применяем одни и те же препараты и в качестве яда, и в качестве противоядия, меняя дозировку, поэтому взять позитив наноматериалов и нанотехнологий мы просто обязаны».
Ведь миллионы людей в мире, в том числе более 800 тысяч онкобольных в Украине, надеются на спасение.

Подготовила Ольга Радучич

Номер: № 1 Січень - Медична газета "Здоров’я України"