Как нанотехнологии меняют будущее медицины

Мы давно слышали о нанотехнологиях как в научной фантастике, так и в средствах массовой информации, но до сих пор мало что из этого получилось. Тем не менее, новая волна основанной на нанотехнологиях терапии уже на пороге и готова изменить мир медицины.

Нанотехнология, технологическая концепция, впервые предложенная Ричардом Фейнманом в его лекции 1959 года «Внизу много места», была популяризирована Эриком Дрекслером в 1986 году через его книгу «Двигатели творчества». В книге рассказывалось о возможности самоисследования. копирующие, молекулярные машины, способные делать … почти все.

Эта предпосылка вдохновила многие научно-фантастические работы, в том числе «Добычу» Майкла Крайтона и превосходный «Алмазный век» Нила Стивенсона. Потенциалу нанотехнологий потребовалось много времени, чтобы показать свое лицо, но он, наконец, начинает приобретать форму изощренной медицинские вмешательства, которые в корне изменит характер здравоохранения в ближайшем будущем.

Нанотехнологии и медицина

Потенциал для нанотехнологий, в полном смысле Drexlerian, является беспрецедентным. Истинные универсальные ассемблеры, если мы сможем выяснить, как их построить, откроют глубокий сдвиг в состоянии человека. Конечно, есть долгий путь. Во многих отношениях мы даже не близки. В других отношениях прогресс продолжался в некоторых удивительных направлениях — и полезных.

Закон Мура

непрерывно стимулирует прогресс в области нанотехнологий — теперь мы можем производить транзисторы, которые буквально существуют в наномасштабе с диаметрами в сотни атомов.

Как и в медицине, одной из самых больших проблем является наша неспособность правильно нацелить вмешательства. В психоактивной медицине и клинической психологии

например, что врачи действительно хотят сделать, так это стимулировать некоторые области мозга и подавлять другие, чтобы выборочно решать любую проблему, которая есть у пациента. Это просто случайность истории, что лучший способ сделать это прямо сейчас — это вводить лекарства, которые, кстати, во всех бесчисленных способах изменения мозга и тела, имеют некоторые из этих желаемых эффектов.

Если бы хирурги могли вводить провода в мозг людей и избирательно стимулировать определенные области безопасным способом, область психического здоровья могла бы избежать побочных эффектов традиционных психоактивных препаратов. Согласно статье в Neuron, основная техника уже работает при депрессии, суммируя ряд различных клинических испытаний.

Подумайте и о раке — что врачи действительно хотят в онкологии убивать опухолевые клетки. К сожалению, одним из лучших инструментов для уничтожения опухолевых клеток является химиотерапия, которая имеет неблагоприятный побочный эффект также и от убийства обычных клеток. Это также делает пациентов очень больными.

Нанотехнология предлагает способ направлять вмешательства в организм человека, потенциально на уровне отдельных клеток, используя умные элементы управления, которые настолько малы, что они физически не мешают нормальной работе организма. Тонкие пальцы наносят меньше вреда, и машины, меньшие, чем самый тонкий капилляр в теле, могут перемещаться везде, где идет кровь.

Если их можно сделать достаточно умными, такие наномедицинские устройства могут разумно выбрать, где и как вмешаться. Очевидно, что больше будет возможно, когда инженеры смогут создавать роботов, которые будут обладать более сложным поведением (например, способностью передвигаться самостоятельно), но даже относительно примитивные современные наномашины имеют большую ценность.

Нанотехнология и рак

Пользовательские нити ДНК сконструированы таким образом, что они будут складываться в произвольные формы и могут быть связаны с белками и ферментами, позволяя им вести себя разумно и реагировать на изменяющиеся ситуации в организме человека. Даниэль Левнер, биоинженер из Гарварда, считает, что это поведение очень мощное.

Нанороботы ДНК могут потенциально выполнять сложные программы, которые однажды могут быть использованы для диагностики или лечения заболеваний с беспрецедентной сложностью.

Эти машины могут быть использованы для создания клеток, которые могут открываться или закрываться в ответ на химические сигналы — например, отмена химиотерапии только тогда, когда они сталкиваются с белковыми маркерами, специфически связанными с опухолевой тканью.

Это позволит применять направленную химиотерапию, минимизируя или устраняя побочные эффекты. Это также позволит использовать химиотерапию, которая более эффективна, чем существующие, но в настоящее время не может использоваться из-за серьезности побочных эффектов.

Сходный, но другой подход заключается в использовании крошечных наночастиц из кремнезема и золота, которые связываются с опухолевой тканью и насыщают опухоль. Затем можно применять лазеры ближнего инфракрасного диапазона, которые не сильно взаимодействуют с тканями человека, но вызывают нагревание наночастиц золота.

Этот процесс позволяет сжигать определенные участки ткани (заполненные наночастицами и на пути лазерного излучения). Настраивая как лазеры, так и распределение частиц, врачи могут очень избирательно уничтожать раковые ткани. Мертвая ткань может быть удалена или очищена хирургическим путем самой иммунной системой, в зависимости от масштаба заболевания. Вариантом процедуры является использование пустотелых золотых оболочек, которые выделяют полезную нагрузку химиотерапии при нагревании, что позволяет использовать лазеры для дальнейшего уточнения, где используются лекарства (если белки-маркеры опухоли недостаточно специфичны).

Нанотехнология и диагностика

Еще одна область, в которой нанотехнологии могут произвести революцию в области медицины, — это сбор медицинских данных. С помощью нанотехнологий можно распределить по всему телу нано-диагностические приборы, которые обнаруживают химические изменения по мере их возникновения. Это может обеспечить более точное отслеживание состояния здоровья пациента и его состояния способами, которые иначе были бы невозможны.

Вне тела нанотехнологии также можно использовать для ускорения секвенирования генов и химического анализа, используя квантовые точки, прикрепленные либо к частичным последовательностям ДНК, либо к белкам, которые связываются с другими материалами, которые интересуют доктора. Затем вы можете просто посмотреть на распределение светящиеся элементы, чтобы увидеть, что присутствовало в образце.

Это может потенциально сделать его более быстрым, дешевым и более надежным для проведения определенных видов тестирования вне организма — вы можете создать тесты, которые берут небольшой образец ткани и упорядочивают его для фрагментов генома ВИЧ, обнаруживая инфекции раньше и надежнее. Исследователи из Стэнфорда использовали эту технику для поиска поврежденных генов, характерных для некоторых видов рака, в качестве способа более быстрого скрининга опухолевой ткани:

Поскольку qdots могут отслеживать присутствие нескольких молекул в течение длительного периода времени, исследователи стремятся использовать их для создания своего рода оптического штрих-кода, отражающего уровни различных опухолевых маркеров. Штрих-код может указывать на тип и стадию опухоли.

В долгосрочной перспективе, если разработчики нанотехнологий смогут продолжать миниатюризировать детали (или позаимствовать методы изготовления микрочипов), они могут создавать простые микроскопические камеры, меньшие, чем диаметр капилляра (10 микрон или около 100000 атомов в поперечнике). Эти камеры могли наносить на карту все тело, звоня домой результаты.

Все эти данные, синтезированные вместе, могут предоставить полную карту большей части ткани человеческого тела с точки зрения его капилляров, показывая весь человеческий организм с уровнем детализации, что невозможно с помощью рентгеновских лучей или МРТ. Одним из предложений по созданию чего-то подобного является так называемое «Сосудисто-картографическое сканирующее наноустройство», разработанное Фрэнком Бёмом, автором «Наномедицинских устройств и системного проектирования». Бём считает:

Наномедицинская диагностика и терапия работают на клеточном и молекулярном уровнях, именно там, где многие болевые процессы обретают свое происхождение […] [N] аномедицина способна диагностировать и лечить многие состояния превентивно, прежде чем они получат возможность размножаться. […] [I] Возможно, что они будут наделены способностями для высокоточной диагностики и тщательного и тщательного устранения практически любого болезненного состояния, патогенной или токсической угрозы.

Нанотехнология и нейронаука

Нанотехнологии также могут изменить то, как врачи лечат расстройства мозга. Что касается сбора данных, возможно, можно использовать наноразмерные алмазные частицы, которые загораются в ответ на электрическую активность мозга, чтобы преобразовывать активность мозга в частоты света, которые могут покинуть череп и быть зарегистрированы внешними датчики.

Это позволило бы исследователям изучать мозг гораздо более подробно. Способность видеть точные закономерности мозговой активности была бы полезна для выявления динамики судорог и психических заболеваний в отдельном мозге, что позволило бы принять целенаправленные меры для решения проблемы.

С другой стороны, возможно использование углеродных нанотрубок для передачи сигналов к отдельным нейронам и от них. В настоящее время итальянские исследователи применяют эту технологию для переноса электрической активности через мертвую ткань мозга, оставленную инсультом или инфекцией, но ее также можно использовать для создания более тонких и более биосовместимых электродных решеток, чем в существующей технологии, что позволяет более сложные имплантаты при меньшем повреждении исходной ткани.

Это может, в принципе, работать с гораздо более высоким разрешением и в более широком диапазоне, чем традиционные имплантированные электроды, что позволяет использовать новые виды мозговых имплантатов.

и устройства, стимулирующие мозг. Даже при относительно грубой имплантации электродов, доступной сегодня, эффекты стимуляции мозга значительны:

С другой стороны, можно использовать те же методы, которые используются для наноразрешающей химиотерапии, чтобы доставлять другие химические вещества, такие как нейротрансмиттеры и психиатрические препараты, в конкретные области мозга с гораздо большей точностью (включая доставку лекарств внутри отдельных клеток). Наряду с лучшими нейронными кардиостимуляторами это может также охватывать гораздо более широкий спектр методов лечения, включая лечение депрессии, тревоги и даже расстройств личности.

Этот вид терапии также может быть использован для создания более тесных интерфейсов с протезными устройствами и предоставления большего количества возможностей общения для «запертых» пациентов.

Этот вид точно нацеленной технологии может радикально изменить способ, которым практикуется неврологическая медицина. Это может привести к формированию психиатрической медицины, основанной на данных и основанной на прямом вмешательстве, которое будет гораздо более эффективным и более расстроенным (представьте себе первый компьютерный вирус, который может заразить мозговые имплантаты, регулирующие настроение).

Нанотехнология, по мере ее развития, окажет глубокое влияние на состояние человека, что позволит нам восстанавливать клеточные повреждения и лечить различные человеческие недуги новыми и лучшими способами, но при этом также возникает необходимость в более глубоком понимании систем организма. что мы вмешиваемся, а также признание этики, которая сопровождает это.

Что вы думаете о нанотехнологиях в медицине? Чувствуете ли вы, что это новый рубеж для медицинской науки, или он обречен на провал с самого начала? Поделитесь своими мыслями в разделе комментариев ниже.

Изображение предоставлено: наноботы Via Shutterstock, «ДНК может выступать в роли липучки для наночастиц», Argonne National Labs, «Раковые клетки молочной железы B0006421», Эми Дам, «Квантовые точки», Argonne National Labs, «исследование аутизма с помощью нейро-визуализации» «Ян Руотсала,« Life-Hand 2 », Университетский городок, Био-Медико-ди-Рома