В одном из опытов квантовые точки селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с поверхностью клеток раковой опухоли. Квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по организму. Нанокристаллы попадали в опухоль и накапливались там (и практически нигде больше), в результате чего опухоль оказалась хорошо различимой визуально.
Применение квантовых точек может существенно расширить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфическим сочетанием признаков заболевания.
Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точную адресную доставку новых поколений лекарств.
Лаборатория на чипе
А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab-on-chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!
При этом такая кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут.
Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также создаются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро- или нано-"дорожками". Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из крохотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.
Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микросхеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологические или химические реакторы.
Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (" GeneChip") или Agilent ("LabChip"), производящих лаборатории на чипе для генетических анализов.
В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод был изобретен в 1987 г.
Компания CombiMatrix предложила чип размерами с почтовую марку для определения биологической опасности. Устройство, содержащее такой чип, может определить присутствие нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в составе бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix выпустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), который можно использовать в полевых условиях. Прибор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма.
Технология «лаборатория-на-чипе» быстрее, дешевле и точнее, чем обычные технологии. Более того, эти крошечные чипы можно спроектировать для выполнения одновременно нескольких тестов. На рисунке 6.5 показана схема типичной «лаборатории-на-чипе», выполняющей сразу несколько разных тестов.
Особенность нанотехнологий в том, что они позволяют создавать очень небольшие специализированные системы. На рисунке 6.5 показано только 16 анализаторов, но «лаборатория-на-чипе» может содержать сотни и даже тысячи таких анализаторов для тестирования разных химических соединений и их производных. Таким образом, с помощью «лаборатории-на-чипе» пациент может пройти один универсальный тест на наличие почти всех возможных химических веществ. Времена, когда для этого пришлось бы выполнять длительную серию многочисленных анализов, уходят в прошлое.
Наномасштабная «лаборатория-на-чипе» позволит смешивать, разделять, тестировать и обрабатывать биологические образцы для определения их текущего состояния, наличия инфекционных и других болезней. С ее помощью можно будет проследить за взаимодействием клеток: передачей сигналов, работой энзимов и доставкой питательных веществ, образованием клеточных продуктов и многим другим.
IBM создала биочип для диагностики заболеваний
Исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе совместно с медицинским центром Базельского университета (University Hospital of Basel) разработали чип-лабораторию, способную в течение 15 секунд определить 16 различных заболеваний.
Чип использует капиллярный принцип отбора образца крови или сыворотки. Основным преимуществом новинки разработчики считают технологичность производства лаборатории-на-чипе и скорость анализа. Чип размером 10х50 мм изготавливается по стандартной литографической технологии на основе из кремния и содержит набор микрометровых каналов-капилляров для образцов .
Примечательно, что для анализа достаточно всего 7 пиколитров образца, а время вывода результата составляет меньше минуты. Это важный момент в условиях, когда состояние пациента критическое и ухудшается с каждой секундой. К примеру, нарушения сердечной деятельности, как наиболее частый случай, требуют оперативных мер уже в первые минуты кризиса. Исследователи так же отмечают, что, в зависимости от используемых реактивов-индикаторов, разработанный чип может идентифицировать весьма широкий спектр вирусных и бактериологических заболеваний, таких как рак или свиной грипп. Считывание данных анализа с чипа происходит посредством обычного SMOS или CCD-сенсора, такого как в цифровых камерах. Однако в стремлении снизить стоимость чипа-лаборатории и для универсальности решения, разработчики не стали интегрировать сенсор в свой биочип. Коммерческое производство новинки IBM планирует начать совместно с бельгийской компанией Coris BioConcept.
Нанотехнологии против вирусов и бактерий
Нанотехнологии используются не только для диагностики инфекционных заболеваний, но и для уничтожения патогенных микроорганизмов и их элиминации из организма человека. Определенные составы нанопорошков обладают выраженными противомикробными свойствами. Такие порошки состоят из нанокристаллических частиц оксидов нетоксичных металлов с присоединенными к ним активными формами галогенов (например, MgO•Cl2, СаО•Вr2). При контакте этих частиц с патогенными бактериями (например, Escherichia coli, Bacillus cereus, Bacillus globigii) последние гибнут в течение нескольких минут.
Серебро
Как уже отмечалось, свойства у наночастицы серебра на самом деле уникальные.
Во-первых, это феноменальная бактерицидная и антивирусная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы.
Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается!
Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Знахарь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект.
Ткани, модифицированные серебряными наночастицами, являются, по сути, самодезинфицирующимися. На них не может “ужиться” ни одна болезнетворная бактерия или вирус. Наночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п.
Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения. В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.
Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в сотовые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую бытовую технику.
Нанотехнологии в кардиологии
Использование нанотехнологии и наноматериалов в кардиологии приводит к существенному прогрессу в диагностике и терапии сердечнососудистых заболеваний.
Борьба с последствиями артериального и венозного тромбоза остается важнейшей задачей современной кардиологии. В последнее время получены данные о тромболитическом эффекте малоинтенсивного ультразвука. Механизм терапевтического эффекта нанопузырьков включает их прикрепление к тромбу, фрагментацию (после облучения ультразвуком) и механическое разрушение тромба. Эта методика получила название сонотромболизиса (Daffertshofer, Hennerici, 2006).