Современная медицина уже немыслима без нанотехнологий. Ученые постоянно ищут и разрабатывают новые материалы и методы их применения. Наночастицы размерами менее одной десятитысячной диаметра человеческого волоса — квантовые точки — обеспечили научный прорыв в диагностике и фармакологии. Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ” активно исследует возможности применения квантовых точек в области биомедицины.
Метод создания уникальных квантовых точек для медицины придуман в МИФИ
Квантовая точка (их также называют “искусственными атомами”) — это кристалл полупроводника с таким малым размером, что электроны в нем ограничены в движении в трех измерениях. Это сравнимо с лежащим в коробке с мячиком, который может перемещаться только между ее стенками. Термин “квантовая” в данном случае подразумевает, что различные характеристики этой точки, например оптические и электрические, меняются в зависимости от ее размера.
Квантовые точки были открыты в пятидесятые годы ХХ века. Довольно долго они были пассивным объектом изучения физиков. Затем химики научились синтезировать квантовые точки, задавая размеры и управляя таким образом их физическими и химическими свойствами. Но в биологии и медицине квантовые точки стали применять лишь после того, как был найден способ делать их растворимыми в воде и биологических жидкостях, а также контролировать их размер, то есть задавать физические свойства еще в процессе создания.
В медицине чаще всего используют коллоидные квантовые точки — нанокристаллы, полученные методом химического высокотемпературного синтеза. В нагретую среду, включающую в себя два фазовых состояния или более, впрыскивают состав с необходимыми химическими реагентами. В результате происходит быстрая химическая реакция с образованием зародышей твердой фазы. Это и есть основы для кристаллических квантовых точек. Далее частицы растут, причем их размер контролируется с точностью до 10%. Средний размер квантовых точек, подходящих для использования в медицине, составляет от двух с половиной до пяти нанометров. От размера зависят оптические свойства: при внешнем облучении малые нанокристаллы светятся фиолетовым светом, а большие — красным.
Основное препятствие для введения в организм человека большинства наночастиц — их токсичность по отношению к живым клеткам, причем не только того или иного химического элемента, входящего в их состав. Речь идет о нанотоксичности. Наночастицы имеют очень малую величину, сходную с размерами биологических молекул. К нанокристаллу прилипают наши собственные белки, выворачиваясь при этом “наизнанку”, что приводит к резкой реакции иммунной системы, стремящейся уничтожить “чужой” белок.
Физики из России научились предсказывать свойства почти любых наночастиц
Наночастицы могут стать центрами образования нитевидных (фибрилл) и скрученных в клубок белков, напоминающих бляшки, образующиеся при болезни Альцгеймера и способные блокировать передачу нервного импульса. С “притяжением” белков нанокристаллами борются по-разному. Например, в НИЯУ МИФИ стремятся сделать поверхность частиц максимально “непривлекательной” для прилипания белков, а также исключить их слипание. При этом размер должен сохраняться в установленных рамках (2,5–5 нанометров), чтобы кристаллы выводились из организма с вероятностью, близкой к 100%.
“Скорее всего, полностью устранить проблему токсичности наноматериалов не получится. Однако перспективы их применения в медицине будут всегда определяться балансом отрицательных и положительных свойств, которые они смогут привнести в диагностику и лечение. Очевидно, что противоопухолевые лекарства представляют серьезную опасность для здоровых тканей организма, но иначе опухоль просто не уничтожить! Поэтому задача нанобиотехнологов заключается в минимизации воздействия ядовитых веществ на здоровые клетки и органы. Приходится идти на определенный риск, чтобы в конечном итоге получить больше шансов на спасение жизни и здоровья человека”, — рассказали РИА Новости Игорь Набиев, заведующий лабораторией нано- и биоинженерии НИЯУ МИФИ и профессор Реймского университета Шампань-Арденн (Франция).
На данный момент в НИЯУ МИФИ разрабатывается проект создания переносчиков, включающих в себя микрокапсулы, заряженные лекарством, в стенки которых вводят магнитные и серебряные наночастицы, а также радиоактивные и флуоресцентные квантовые точки. Благодаря последним капсулы светятся, что дает возможность регистрировать их местонахождение, а частицы еще и управляются при помощи магнита, двигая всю капсулу в место расположения опухоли. С помощью переменного магнитного поля или ультразвука их можно нагреть и вскрыть в тот момент, когда они достигли цели.
Примечательно, что квантовые точки не “засиживаются” на стадии исследований: на основе нанокристаллов активно разрабатывают практически применимые конкретные приборы. В НИЯУ МИФИ сейчас создается целая серия устройств, способных детектировать одновременно большое количество патогенов. Эти устройства смогут определять целый ряд инфекций только по одной пробе воздуха. Выпуск пилотной серии таких приборов запланирован в 2019-2020 годах.
Источник :РИА Новости
