Жизненно важной целью диагностической медицины является способность диагностировать медицинские проблемы как можно скорее, позволяя врачам лечить пациентов до того, как произойдут какие-либо необратимые или долгосрочные повреждения.

Наносенсоры из углеродных нанотрубочекНаносенсоры сделаны из углеродных нанотрубочек, каждая из которых в 100 000 раз тоньше волоса.

Ускорение процесса диагностики – одно из основных направлений исследований. Одно недавнее исследование обнаружило, что новый анализ крови может прогнозировать риск рецидива рака молочной железы у женщин почти за 8 месяцев до появления видимых признаков.

Другое исследование выявило, что естественное соединение, обнаруживаемое в выдыхаемом воздухе, является биомаркером ранней стадии цирроза печени. Этот биомаркер в один прекрасный день может стать основой дыхательного теста для диагностики этого заболевания.

Одна из проблем, которая возникает при диагностике медицинских состояний, состоит в том, что симптомы некоторых заболеваний проявляются только после определенного периода времени. К тому моменту, когда проявляются эти симптомы, основное заболевание уже достигнет той стадии, когда его лечение намного более сложное, чем если бы эта проблема была обнаружена раньше.

Наиболее ярким примером этой проблемы могут быть злокачественные новообразования, такие как рак поджелудочной железы, который часто не вызывает никаких симптомов или признаков во время своей ранней стадии; эти симптомы и признаки проявляются, когда рак распространяется в другие части организма.

Но эта проблема является общей.

Другим примером может служить то, когда имплантаты – например, протез бедра – становятся инфицированными или воспаленными, что приводит к избыточному формированию рубцовой ткани. К тому времени, когда становится очевидным, что протез бедра инфицирован, единственным решением является его удаление и замена на новый.

Профессор Томас Вебстер, заведующий кафедрой химической инженерии в Северо-Восточном Университете в Бостоне, и его коллеги развивают наносенсоры – новую форму технологии, которая сможет контролировать накопление бактерий на имплантатах и предупредить врачей о необходимости лечения до того, как проблема обострится.

 

Нанотехнологии: крохотный размер, огромный потенциал

Сказать, что нанотехнологии — крошечные, было бы преуменьшением. Один нанометр равен одной миллиардной части метра. Лист бумаги имеет толщину около 100 000 нанометров. Однослойная углеродная нанотрубочка с диаметром 1 нанометр в 100 000 раз тоньше волоса. Для сравнения, волос в 100 000 раз меньше, чем дом с шириной 10 метров.

Очень трудно представить себе, насколько это малые размеры, но преимущества, которые появляются с применением нанотехнологий в медицине, рассмотреть намного легче. Исследователи уже сумели использовать нанотехнологии для улучшения биологической визуализации, так что врачи могут обнаружить накопления крошечных частиц или молекулярные сигналы, связанные с проблемами со здоровьем.

Профессор Вебстер рассказал о предыдущих проектах, в которых он и его коллеги изучили потенциал использования наночастиц в лечении бактериальных и вирусных инфекций.

Некоторые хронические бактериальные инфекции вызваны бактериями, растущими в биопленках – то, что Т. Бьярншольт из Копенгагенского университета в Дании описывает как «заключенные в слизь агрегаты». Биопленки являются причиной таких заболеваний, как пневмония в случаях муковисцидоза и связанные с имплантатами инфекции.

«Препараты и антибиотики не проникают в эти биопленки, — объясняет профессор Вебстер, — так что единственное, что можно сделать, — это оперировать и удалять биопленку вручную из тканей».

Наночастицы могут изменить это состояние. Пролфессор Вебстер говорит: «Мы смогли разработать эти наночастицы, которые действительно могут проникать в биопленки, а затем их уничтожить, регенерируя здоровые ткани; так что Вам больше не нужно будет оперативного вмешательства».

Кроме того, профессор Вебстер и его коллеги работали над созданием наночастиц, разработанных для уничтожения определенных вирусов. Золотые наночастицы были сделаны для того, чтобы присоединяться к вирусам, таким как Эбола или грипп. При нагревании частиц при помощи инфракрасного света с определенной длиной волны, наночастицы могут разрушать структуру вируса.

Профессор Вебстер кратко подвел итоги о том, какие преимущества нанотехнологии он видит: «Мы считаем, что есть огромный потенциал использования нанотехнологий в медицине, так как небольшой размер позволяет проникать в клетки, попадать внутрь клеток и манипулировать их функциями таким способом, который был недоступен при использовании традиционного материала».

Существуют огромные преимущества, которые могут быть достигнуты в медицине при помощи нанотехнологий. В настоящее время профессор Вебстер и его коллеги сосредоточились на изучении того, как эта технология может быть использована для улучшения обычных форм лечения. В этой отрасли в игру вступают наносенсоры.

 

Врач внутри организма

«В идеале, мы хотим создать датчики, которые ведут себя очень похоже на естественные клетки организма, — объясняет профессор Вебстер. – Многие из нас могут сказать, что человеческий организм является лучшим датчиком. Мы может ощущать вещи намного лучше, чем все то, что мы создавали до сих пор искусственно».

В один прекрасный день может стать возможным создание датчика при помощи нанотехнологий для имитирования человеческих иммунных клеток, циркулирующих по организму, который будет выявлять и реагировать на любые проблемы. Но это все еще впереди.

наносенсоры на титановых протезах бедренной кости

Пока что ученые опробовали свои наносенсоры, нарастив их на титановых протезах бедренной кости и катетерах.

 

Вместо этого, профессор Вебстер и его коллеги решили преобразовать традиционные медицинские изделия, имплантируемые в организм, оборудуя их датчиками, – наносенсорами, — которые могут выявить проблему и реагировать на нее, если она возникнет.

«На первом этапе мы взяли титановые протезы бедренной кости, затем вырастили на их поверхности материал, который может электрически определить, какой тип клеток присоединился к поверхности», — сообщил профессор Вебстер.

Датчики, сконструированные из углеродных нанотрубок, способны выявлять, какие клетки присоединились к имплантату – костные (как хотелось бы), бактериальные или воспалительные. Последние два типа клеток могут указать на инфекцию или образование рубцовой ткани, которые могут предоставить проблемы пациенту.

Встроенный в датчик радиочастотный передатчик посылает сигналы к внешнему компьютеру, из которого врач может получить доступ к всей предаваемой информации. При помощи этой информации врач может увидеть, что имплантат свободен от бактерий, имеет небольшое количество бактерий, с которыми организм справится, или имеет большое количество бактерий, что требует назначения антибиотиков до развития полноценного инфекционного процесса.

«Очевидно, что последний сценарий будет намного лучше того сценария, который происходит в настоящее время, — отмечает профессор Вебстер. – по сути, сегодня мы не знаем об инфекционном процессе или избыточном рубцевании до того, пока не становится слишком поздно, и необходимо удалять протез».

Кроме протезов бедренной кости, ученые проверили свои наносенсоры на катетерах, используя тот же подход. Люди с длительно пребывающими катетерами восприимчивы к инфекции, а это значит, что наносенсоры, мониторирующие уровни бактерий, могут оказать значительное влияние на уход за катетерами.

Часто обеспокоенность людей вызывает то, являются ли нанотехнологии, применяющиеся внутри организма, токсическими. Профессор Вебстер и его коллеги провели много времени, чтобы удостовериться в том, что материалы, используемые ими, — углеродные нанотрубочки и некоторые дополнительные полимеры, — нетоксичны.

Более того, они обнаружили в некоторых ранних исследованиях на животных моделях, что используемые материалы даже смогли улучшить рост костной ткани, когда применялись с протезами бедренной кости. Таким образом, даже если датчик не выявляет никаких проблем, он все равно способен содействовать росту костной ткани в большей степени, чем обычный титановый имплантат.

«Это первый шаг к улучшению имплантата, — говорит профессор Вебстер, — но, в конечном итоге, наша цель состоит в том, чтобы создать такие датчики, которые действуют подобно человеческому организму».

 

Проблемы с генерацией энергии и данных

Хотя эти наносенсоры обладают большими перспективами, существует еще несколько проблем, которые надо решить перед тем, как эту технологию можно будет использовать у людей. Ученые хотят, чтобы датчики имели ту же продолжительность жизни, как и имплантаты, на которых они наращены. Хотя это не проблема для катетера, который вводится на неделю или две, протезы бедренной кости могут оставаться в организме в течение 15лет.

В настоящее время ученые генерировали электропитание для датчиков, используя способность углеродных нанотрубок сжиматься. Когда они сжимаются под действием силы окружающих тканей, генерируется элеткрический ток. Тем не менее, хотя этот способ может генерировать электропитание в краткосрочной перспективе, когда все большее количество тканей нарастет поверх датчиков, они, в конце концов, больше не будут иметь возможность сжиматься.

Эта головоломка – один из двух значительных вопросов, которые ученые должны преодолеть до того, как датчики могут быть использованы у пациентов с имплантатами. Другой большой проблемой для ученых является генерирование достаточного количества тестовых данных, чтобы их технология была одобрена для использования соответствующими регуляторными органами.

нанотехнолгии атакуют рак

 

Ученые надеются, что в один прекрасный день их нанотехнология будет использоваться не только для мониторинга распространения инфекции, но и для лечения болезней, таких как рак.

 

Ранние этапы испытаний также были успешными. Ученые в настоящее время проводит второй этап исследований на грызунах, после чего будут проверять технологию на более крупных животных.

Профессор Вебстер допускает, что человеческие клинические испытания пройдут через 5-10 лет.

 

Не только выявлять проблемы, но и лечить их

Планы ученых на использование наносенсоров выходят за пределы роли мониторинга, при помощи которого они предоставляют информацию врачам. Профессор Вебстер описал, как датчики могут быть также использованы для лечения проблем, прежде чем они смогут привести к повреждению организма: «если датчики немного усовершенствовать, их можно запрограммировать с помощью небольшого устройства, чтобы они высвобождали препарат для уничтожения бактерий или уменьшения роста рубцовой ткани, так что костная ткань рядом с имплантатом сможет расти здоровой.

При помощи высвобождения препаратов, а в некоторых случаях – при помощи высвобождения небольшого электрического заряда, можно избежать токсичности для здоровых клеток и провести более эффективное лечение».

Еще дальше в будущем, профессор Вебстер прогнозирует, что их нанотехнология сможет лечить злокачественные клетки, вводя химиотерапевтические лекарственные средства с большой точностью рядом или внутри опасных клеток.

Еще предстоит очень долгий путь для развития этой технологии. Но со временем, эта крошечная технология может привести к гигантской революции в здравоохранении.