Нанотехнология стала модной. На нее возлагают большие, порой самые фантастические надежды, вплоть до быстрого превращения индустриально отсталых стран в передовые. Особенно радужными кажутся перспективы нанотехнологии в медицине. Кое-где кое-кто уже поговаривает о создании так называемых наноботов — микроскопических «умных» машин, которые будут проникать с кровью в любые закоулки человеческого тела и лечить там любые повреждения. Этим грядущим возможностям недавно были посвящены две международные конференции. Пока что, впрочем, таких «умных» машин еще нет, но зато применение обычных наночастиц в прикладной медицине уже открыло весьма многообещающие перспективы. Наномедицина продвигается более быстро по той причине, что наночастицы имеют весьма подходящие для многих медицинских целей размеры.
Будучи введены в организм, они благодаря своим исключительно малым размерам легче проникают в нужные места и дольше не выводятся из организма, в отличие от крупных частиц. Другой полезной для медицины особенностью наночастиц является повышенное (опять-таки в сравнении с крупными частицами) отношение поверхности к объему. Это позволяет прицепить к их поверхности много различных химических групп, в частности таких, с помощью которых они могут выборочно цепляться к рецепторам только определенных клеток.
Сегодня в медицине наметились два основных пути использования наночастиц. Одним из них является диагностика заболеваний на максимально ранней стадии. Примером такого применения наночастиц может служить новейший метод, разработанный не так давно группой ученых Лондонского университета под руководством Молли Стивене. Он позволяет обнаружить малейшие количества ферментов, связанных с развитием той или иной болезни, обеспечивая таким образом чувствительную и быструю диагностику рака, СПИДа и ряда других заболеваний. Ферменты это белки, которые синтезируются в тех или иных клетках и многократно ускоряют протекающие в них реакции, сами не подвергаясь при этом химическим превращениям. Каждый фермент имеет один или несколько активных центров, с которыми связывается субстрат (превращаемое вещество).
Эти центры образованы особыми химическими группами в молекуле фермента, которые расположены таким образом, что распознают только свой субстрат. Соединившись с активным центром, молекула субстрата претерпевает определенные изменения (разрыв одних и образование других химических связей) и превращается в новую молекулу. Клетки, пораженные той или иной болезнью, продуцируют свои специфические ферменты, что и создает принципиальную возможность их обнаружения.
Чтобы реализовать такую возможность, группа Стивене использовала специальным образом приготовленные наночастицы золота размером порядка 10 нанометров. В состоянии взвеси они были соединены с введенными в раствор цепочками, состоящими из связанных друг с другом особых химических групп — аминокислот. Такие цепочки, состоящие из небольшого числа аминокислотных звеньев, называются пептидами. Присоединив пептиды к поверхности золотых наночастиц, исследователи получили возможность на следующем этапе соединить эти частицы друг с другом в некую сеть, потому что каждый синтезированный ими пептид имел на другом своем конце особую химическую группу под названием Fmoc, способную склеиваться с себе подобной на другом пептиде.
Лондонская группа применила эту сеть наночастиц для проверки возможности диагностирования с ее помощью рецидивов рака простаты. В марте 2010 года исследователи доложили об успехе проверки. Она состояла в выявлении мельчайших следов особого фермента nАСТ-PSA, который производят пораженные клетки в случае рака простаты. Если простата удалена, то повторное появление этого фермента при анализе крови сигнализирует о рецидиве. Обычные методы анализа не позволяют заметить рецидив на его ранней стадии, потому что количества фермента на этой стадии еще мало. Метод группы Стивене позволил искусственно усилить этот сигнал опасности, причем в качестве усилителя исследователи заставили работать сам искомый фермент.
Вот как это происходит. Исходный раствор, содержащий сеть наночастиц, имеет голубой цвет. Если же к этому раствору во время анализа добавить даже единичные раковые клетки, он становится красным. Это изменение цвета происходит потому, что вновь появившиеся раковые клетки выделяют молекулы фермента nACT-PSA, который имеет свойства протеазы, то есть разрушителя пептидных связей. Как только эти молекулы разрушают связи между пептидами, сеть распадается. А поскольку при этом на концах освободившихся пептидов появляются положительные заряды, частицы отталкиваются друг от друга и рассеиваются в растворе. Из-за этого раствор и меняет цвет.
Это изменение цвета происходит даже при наличии в пробирке всего нескольких молекул фермента, потому что одна и та же молекула, покончив с одной пептидной связью, тут же принимается за другую и в считанные минуты разрушает всю сеть. Благодаря такому усилению эта реакция обладает большой чувствительностью — изменение цвета возникает при очень малых количествах фермента (10-21 грамм на миллилитр взятой для анализа крови). Это позволяет диагностировать болезнь на самых ранних ее стадиях.
Другая перспективная возможность медицинского применения наночастиц — это доставка нужных химических веществ в поврежденные места организма и использование их там для лечения, то есть не для диагностики, а для терапии. Так, ученые из американского университета Пэрдью недавно создали полимерные наночастицы (они назвали их «сополимерными микроклетками»), способные доставлять в нейроны спинного мозга такие химические препараты, которые стимулируют восстановление нервных окончаний в случае повреждений позвоночника.
А исследователи из Хьюстона создали «умные фуллерены» — полые шарики из атомов углерода, — внутри которых находятся молекулы белка нановайялина, реагирующего на повышенный уровень глюкозы в крови, а также — жировые микрошарики, содержащие инсулин, которые по сигналу этого белка высвобождают свой инсулин в кровь. Это может оказаться замечательным, автоматически работающим средством помощи людям, которые страдают диабетом первого типа. Это уже сочетание нанодиагностики с нанолечением.
Особенно эффективным представляется в перспективе такое сочетание в случае наличия раковых клеток. Мембраны раковых клеток по ряду причин более рыхлы, чем мембраны здоровых клеток, поэтому наночастицы, распознав их, легче проникают внутрь. А проникнув, быстрее накапливаются, потому что раковые опухоли не имеют той системы лимфатического дренажа, которой располагают здоровые ткани. Такие особенности позволяют наночастицам достаточно плотно покрывать и наполнять раковые клетки Это, с одной стороны, может сделать такие клетки (в пределе — даже одиночные) более видимыми при сканировании с помощью СТ или MRI, а с другой стороны, позволяет доставлять прямо в раковые клетки те препараты, которые, предположительно, способны их уничтожить.
В последнее время и на этом пути достигнуты многообещающие результаты. Так, группа исследователей Корнеллского университета под руководством профессора Батта синтезировала наночастицы, которые способны поражать и уничтожать клетки толстого кишечника, пораженные раком, не затрагивая при этом здоровые клетки. Эти наночастицы, по форме напоминающие гантели, сделаны, как сэндвич: крупица золота заключена между двумя крупицами окиси железа.
Исследователи химически присоединили к этим «гантелям» антитела, способные распознавать специфические молекулы на поверхности раковых клеток кишечника. Благодаря этому наночастицы входят именно в эти клетки, после чего кишечник ручается лазером, испускании почти инфракрасный свет такой длины волны, которая не поражает здоровые клетки, зато поглощается частицами золота. Это вызывает разогрев и гибель раковых клеток.
Этот метод можно назвать «умной» терапией, потому что он нацелен на только определенные — больные — клетки (по мере их обволакивания наночастицами) и убивает только их.
Другой вариант такой «умной» терапии предложила в марте 2010 года группа канадских ученых. Эти исследователи показали, что углеродные фуллерены, подвергнутые короткому воздействию мини-лазера мощностью всего 500 милливатт, теряют свою прочность и при этом так быстро выделяют энергию, что попросту загораются или даже взрываются. Введя в пробирке множество таких фуллеренов в раковые клетки и направив на них луч мини-лазера, исследователи наблюдали, как эти клетки лопаются в результате такого выделения внутреннего тета. Если удастся доставлять такие фуллерены в раковые клетки, то такой метод их разрушения может оказаться более перспективным, потому что просвечивание больных мини-лазером намного более эффективно и в то же время более безопасно, чем освещение инфракрасным светом или радиоволнами.
По другому пути пошел американский исследователь Марк Дэвис. В том же марте 2010 года он опубликовал результаты эксперимента, в котором наночастицы использовались для введения в раковые клетки особых химических разрушителей. Дэвис создал наночастицы, состоящие из крохотного (размером около 70 нанометров) кусочка специально выращенного полимерного материала с прицепленными к нему молекулами — siPHK. Так называются небольшие (длиной в пару десятков химических звеньев) молекулы, которые обладают той замечательной в данном случае особенностью, что способны подавлять производство тех или иных клеточных белков. Для данного эксперимента были отобраны такие siPHK, которые нацелены на подавление белка RRM2. Этот белок, как считается, играет важную роль в размножении раковых клеток. Проверка происходила на трех раковых больных, которым в кровь были введены наночастицы с siPHK. По расчетам Дэвиса, они должны были опознать опухолевые клетки, проникнуть в них и там распасться на безвредный полимер и свободные siPHK, которые займутся подавлением RRM2. Результаты эксперимента оказались ободряющими. Биопсия показала, что во всех трех случаях наночастицы действительно проникли в раковые клетки, а в одном случае в клетках опухоли было обнаружено снижение концентрации белка RRM2, чего и следовало ожидать от действия этих РНК.
Любопытно, что во всех описанных выше экспериментах применялись золотые наночастицы. На данный момент они оказались главным орудием зарождающейся «умной» нанотерапии. Это связано с тем, что золото обладает биологической совместимостью, инертно и легко модифицируется. Изменяя размер и форму золотых частиц, можно настроить их на поглощение разных длин разогревающих волн. Но оказалось, что золото имеет и другие полезные для нанотерапии свойства.
Недавнее открытие показало, что положительно заряженные наночастицы золота предпочитают накапливаться в почках, что позволяет проводить все более тонкое изучение состояния этих органов, тогда как отрицательно заряженные — в печени и селезенке. Так что можно ожидать, что вскоре наряду с наноонкологией появятся также нанонефрология и другие подразделы наномедицины. Впрочем, ученые уже поговаривают о том, что использование наночастиц из окиси железа, иначе говоря — обычной ржавчины, тоже может принести большую медицинскую пользу. В частности, оно обещает дать возможность в будущем совершить еще один скачок в деле диагностики рака, поскольку магнитные свойства таких частиц позволят выявлять места их накопления с помощью метода магнитного резонанса (MRI)
В общем, фронт поисков расширяется, что не может не радовать.
Заканчивая написание этой заметки, я увидел в журнале «Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine» статью большой группы исследователей, в которой сообщается не просто о проверках тех или иных потенциально обещающих методов нанотерапии, а уже о ее прямом клиническом испытании. Раковые мыши, пишут авторы, были разделены на две группы, одна из которых получила инъекции взвеси наночастиц золота с «приваренными» к ним биологическими распознавателями раковых клеток и частицами радиоактивного вещества, испускающего поток электронов. Опухоли у этих мышей за несколько дней уменьшились на 82%, тогда как в контрольной группе, не получившей инъекций, болезнь продолжала прогрессировать. При этом, что особенно интересно, радиация проникших в раковые клетки наночастиц не задела окружающие здоровые клетки. Наномедицина явно приближается к клиническим испытаниям на людях.
Михаил ВАРТБУРГ
