Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Проницаемость кожного покрова для макромолекул и гидрофильных соединений (а следовательно и эффективность описываемого метода) может быть значительно повышена за счет создания микроскопических пор в кожном слое. Сложность состояла в том, что микроотверстия должны быть достаточно большими для пропускания макромолекул препарата, но настолько малыми, чтобы не вызывать болезненных ощущений у пациента. Раньше такая задача казалась неразрешимой, однако современные технологии (в частности, разработанные в электронике) позволяют создать массивы микроскопических иголок требуемого размера.

На рис. 16.7 схематически показана структура из кремниевых наноразмерных иголок, предложенная в 1998 году Р. Просницем для создания нового поколения аппликаторов. Позднее для введения лечебных препаратов разных видов были созданы и другие структуры этого типа на основе специально подбираемых материалов (стекло, полимеры, металлы, кремний), позволяющие вводить в организм через кожу небольшие молекулы, олигонуклеотиды, плазмиды и протеины. Такие структуры прикладываются к коже, а затем покрываются обычным пластырем. Проницаемость кожного покрова при использовании аппликаторов возрастает на несколько порядков, а эффективность методики в целом может быть повышена за счет использования дополнительных веществ (замедляющих процесс всасывания препарата с поверхности игл) или создания микроканалов внутри игл, позволяющих регулировать подачу препаратов.

Рис. 16.7. Микроиголки из кремния длиной —150 нм, позволяющие безболезненно осуществлять трансдермальный перенос лекарственных препаратов. (Печатается с разрешения автора работы M. R. Prausnitz, S. Mitragotri and R. Langer, «Current Status and future potential of transdermal drug delivery», Nature Reviews Drug Discovery 3, no. 2 (2004): 115—124

Практическое применение продемонстрировало, что наложение таких средств действительно является совершенно безболезненным [112] . Трансдермальный перенос препаратов оказался очень удобным и простым, вследствие сейчас несколько компаний проводят испытания, готовясь к коммерческому производству. Можно не сомневаться, что по мере развития технологии этот метод доставки приобретет популярность и получит широкое распространение.

16.2. Тенденции развития методов доставки препаратов

Нанотехнологии играют важную роль в развитии методов введения и доставки препаратов внутри организма, особенно в отношении малых и белковых молекул. В настоящее время ведутся очень интересные разработки методик ввода и доставки новых классов лекарств, включая препараты на основе нуклеиновых кислот. Характерная для нанотехнологий возможность управлять свойствами вещества и процессами на атомно-молекулярном уровне, безусловно, окажет большое воздействие на классические методики фармакологии, и мы с уверенностью предсказываем появление в будущем новых устройств доставки лекарственных препаратов в организме, обладающих более высокой специфичностью и более точным контролем применения и дозировки.

Глава 17 Слияние био-нано-информационных технологий

Чин Мин Xo, Дин Xo, Дан Гарсия

Чин Мин Хо является профессором Калифорнийского университета (UCLA) и одновременно директором Института исследований миметики клеток (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE). Он окончил Национальный университет Тайваня, после чего сделал блестящую научную карьеру в США, где стал одним из наиболее авторитетных специалистов в области МЭМС, наногидродинамики и био-нанотехнологий. Профессор Хо является автором более 200 публикаций и обладателем 7 патентов. Он имеет множество почетных званий и является членом самых авторитетных научных организаций, включая Американское физическое общество. Он известен также своей плодотворной деятельностью по координации научных усилий различных стран (Франция, Китай, Израиль, Тайвань, Япония) в области нанотехнологий и микротехники. Неоднократно организовывал различные международные конференции по указанной тематике.

Дин Хо работает в Калифорнийском университете (UCLA). Он является одним из наиболее известных специалистов в области био-нанотехнологий, обладающим огромным авторитетом в научных кругах, связанных с нанотехнологиями, и имеющим исключительно высокий коэффициент цитируемости работ. Кроме того, Дин Хо известен своей общественной активностью и выступлениями на тему о возможном влиянии нанотехнологий на социальные отношения.

Дан Гарсия сейчас работает над докторской диссертацией в Калифорнийском университете под руководством доктора Чин Мин Хо. Он изучает проблемы использования мышечных белков для создания наноструктур (по принципам снизу вверх и сверху вниз) и их дальнейшего объединения с микроэлектромеханическими устройствами (МЭМС), что должно позволить организовать направленную доставку лекарственных препаратов внутри организма. До этого Дан Гарсия занимался проблемами генной инженерии и иммунной реакции организма при различных заболеваниях и трансплантации тканей.

Микроэлектронная промышленность, возникшая на основе достижений физики твердого тела в конце 1940-х годов, в течение нескольких десятилетий была и остается одной из главных движущих сил экономики США. В 1980-х годах появились первые микроэлектромеханические системы (так называемые МЭМС), показавшие, что новые технологии могут изготавливать механические устройства и изделия с удивительной точностью, недоступной традиционным методам машинной обработки вещества. Например, в 1988 году Фан, Тай и Мюллер [113] сумели создать микроскопический электродвигатель размером около 100 мкм, пользуясь процессами производства МЭМС, основанными на методах изготовления интегральных схем в микроэлектронике. Появление МЭМС в некоторой степени стало знаком «размывания» границ между механикой и электроникой.

Дальнейшее уменьшение размеров устройств до нанометрических масштабов привело к «слиянию» нанотехнологий с биологическими процессами. В частности, когда детали устройств стали близки по размерам к некоторым функциональным макромолекулам (типа ДНК или нуклеиновых кислот) возникла возможность создания совершенно удивительных гибридных механизмов. Например, в работе Сунга и др. [114] описан нанодвигатель, созданный на основе «объединения» митохондриальной АТФазы и металлического наностержня. В этом направлении исследований наблюдается замечательный прогресс, и мы постоянно узнаем о все более неожиданных устройствах исключительно малых размеров. Нанотехнология фактически уничтожает разницу между обычными технологиями и биологическими процессами, создавая новые направления и новую границу исследований и развития.

Целью любых технологический инноваций, включая нанонауку, было и остается улучшение или «обогащение» условий человеческого существования. Нанотехнологии кажутся нам странными лишь потому, что имеют дело с объектами и процессами фантастически малых масштабов (девять порядков разницы величин между метром и нанометром очень трудно представить). Однако, в конечном счете, нанотехнологии изобретаются и должны использоваться людьми, вследствие чего мы обязаны как-то связать эти крошечные масштабы с реалиями человеческой жизни и собственного поведения.

Прежде всего, можно вспомнить, что человеческий организм представляет собой чрезвычайно сложную, самоорганизующуюся, многофункциональную и адаптивную систему, которая развивается и управляется набором некоторых природных процессов, осуществляемых специальными видами молекул (типа ДНК и белков), имеющих именно нанометрические размеры. В изучении и понимании того множества процессов, которые протекают в человеческом организме и определяют его существование, мы очень часто сталкиваемся со сложными проблемами из-за того, что эти процессы имеют самые разные масштабы. Эту идею задолго до возникновения нанонауки, еще в 1972 году выразил П. В. Андерсон в статье, опубликованной в журнале Science: «На каждом уровне сложности системы возникают новые свойства, поведение системы приобретает новые особенности и требует нового исследования. Мне кажется, что изучение каждого уровня сложности имеет фундаментальное значение для понимания природы системы в целом». Строго говоря, нанонаука внесла лишь некоторые дополнительные уровни изучения человеческого организма. Например, нам предстоит еще понять, каким образом клетка может получать, перерабатывать и использовать содержащуюся в ДНК генетическую информацию, используя наномасштабные датчики и «приводы», представляющие собой микроскопические, но весьма сложные, эффективные и автономные «устройства», которые некоторые сравнивают по сложности с целыми заводами.

Человеческому сознанию трудно охватить и оценить все многообразие процессов, происходящих в разных масштабах, отделяющих наномир от привычного нам мира макрообъектов. Еще сложнее представить себе цепочку зависимостей, связывающих процессы на молекулярном уровне с теми конечными свойствами макросистем, которые определяют ценности человеческой жизни. Интеграция отдельных компонент на атомно-молекулярном масштабе, на более высоких уровнях сложности приводит к достаточно сложному поведению, то есть к появлению развивающихся свойств. Это заставляет нас задуматься о том, что в процессах на уровне наномасштабов оказываются объединенными или «слитыми» те характеристики и свойства, которые на более высоких уровнях изучения описываются отдельно биологией, физикой, химией (обобщенно, нанонаукой) и информационными технологиями. Проблема такого слияния наук на наноуровне представляется исключительно важной и может иметь революционное значение для дальнейшего развития науки вообще.