Наномедицина – надежды и свершения

Нанотехнологии стали модой. На них возлагают большие, порой самые фантастические надежды, вплоть до быстрого превращения индустриально отсталых стран в передовые. Особенно радужными кажутся перспективы нанотехнологии в медицине. Кое‑кто уже поговаривает о создании «наноботов» – микроскопических «умных» машин, которые будут проникать с кровью в любые закоулки человеческого тела и лечить там любые повреждения. Этим грядущим возможностям были недавно посвящены целых две международные конференции. Пока что, впрочем, таких «умных» машин еще нет, а вот применение обычных наночастиц в прикладной медицине уже открыло весьма многообещающие перспективы. Будучи введены в организм, они благодаря своим исключительно малым размерам легко проникают в нужные места и дольше, по сравнению с крупными частицами, не выводятся из организма. 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 группой ученых Лондонского университета под руководством Молли Стивенс. 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 и 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 обнаружить.

Чтобы реализовать такую возможность, группа Стивенс использовала специальным образом приготовленные наночастицы золота размером порядка десяти нанометров. В состоянии взвеси они были соединены с введенными в раствор цепочками, состоящими из связанных друг с другом аминокислот. Такие цепочки 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 диагностирования рецидивов рака простаты. В марте 2010 года исследователи доложили об успехе эксперимента. Были выявлены мельчайшие следы особого фермента nACT‑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 ранней стадии, потому что количества фермента еще очень мало. Метод группы Стивенс 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. Цвет меняется 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, что 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». Таким образом появляется возможность диагностировать болезнь на самых ранних ее стадиях.

Еще одна медицинская функция наночастиц – это доставка нужных химических веществ в поврежденные места организма и использование их там для лечения. Так, ученые из американского университета Пердью 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, реагирующего на повышенный уровень глюкозы в крови, и жировые микрошарики, содержащие инсулин, которые «по сигналу» этого белка высвобождают инсулин в кровь.

Особенно эффективным представляется – в перспективе – нановоздействие на раковые клетки. Мембраны раковых клеток по ряду причин более «рыхлы», чем мембраны здоровых клеток, и поэтому наночастицы, распознав их, легче проникают внутрь. А проникнув, легче накапливаются, потому что раковые опухоли не имеют той системы лимфатического «дренажа», которой располагают здоровые ткани. Эти особенности позволяют наночастицам достаточно плотно наполнять раковые клетки. Это, с одной стороны, поможет такие клетки (даже одиночные) лучше распознавать при сканировании, а с другой стороны – позволит доставлять прямо в них препараты, способные их уничтожить.

В последнее время на этом пути достигнуты многообещающие результаты. Так, группа американских исследователей под руководством профессора Батта синтезировала наночастицы, которые помогают уничтожать клетки, пораженные раком в толстом кишечнике, не затрагивая здоровые клетки. Эти наночастицы, по форме напоминающие гантели, сделаны, как бутерброд: крупица золота заключена между двумя крупицами окиси железа. Исследователи химически присоединили к этим «гантелям» антитела, способные распознавать специфические молекулы на поверхности раковых клеток. В результате наночастицы входят именно в эти клетки, после чего кишечник облучается лазером, что никак не влияет на здоровые клетки, но воспринимается частицами золота. Это вызывает разогрев и гибель раковых клеток.

Такой метод можно назвать «умной терапией», потому что он нацелен только на определенные – больные – клетки и убивает их и только их. Другой вариант «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 так быстро выделяют энергию, что попросту загораются или даже взрываются. Введя в пробирке множество фуллеренов в культуру раковых клеток и направив на них луч мини‑лазера, исследователи наблюдали, как эти клетки лопаются в результате выделения внутреннего тепла. Дело теперь «за малым» – научиться доставлять такие фуллерены в раковые клетки больного человека.

По другому пути пошел американский исследователь Марк Дэвис, который в том же марте 2010 года 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 замечательной в данном случае особенностью подавлять производство тех или иных 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 – главное орудие 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. Неожиданное недавнее открытие показало, что положительно заряженные наночастицы золота накапливаются в почках, а отрицательно заряженные – в печени и селезенке, что позволяет проводить весьма тонкое изучение состояния этих органов. 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 в будущем совершить скачок в деле диагностики рака, поскольку магнитные свойства таких частиц позволят выявлять места их накопления с помощью метода магнитного резонанса.

В общем фронт поисков расширяется, и это не может не радовать.