Наномедицина в жизни

Наномедицина

Грязева А.А

Масштабы объектов в нанобиологии

Различимо глазом

Клетки эукариот

0.1 мм

 10

10 мк

Бактерии

 10

Органеллы

1 мк

 10

Вирусы

Нанобактерии

100 нм

… в оптический микроскоп

Молекулы

 10

10 нм

 10

1 нм

… в электронный микроскоп

Атомы

 10

0.1 нм

Взаимосвязь предметных областей

Пример работы фермента

Молекулярный мотор жгутика бактерии

Принцип работы молекулярного мотора

Молекулярный мотор вируса

Сборка структур из отдельных атомов ( IBM )

Ксенон на никеле

8+8 Цезий+йод на меди

Моноксид углерода на платине

Натрий и йод на меди

Железо на меди

«Квантовый загон»

Различные наноподшипники

Вариант конструкции наноманипулятора

Наномедицина сегодня

• Наноматериалы
• Наночастицы
• Наносенсоры и нанодатчики
• Использование сканирующей зондовой микроскопии
• Автономные микроустройства
• Микропротезы
• Наноманипуляторы

Наноматериал для замены костной ткани

Использование биосовместимого матрикса в инженерии органов и тканей («куртка из живой кожи»)

Молекула дендримера

Наносенсоры и нанодатчики

Скан пурпурной мембраны бактерии Halobacterium salinarium

Микрокапсулы для доставки лекарственных средств

Biomedical Engineering Center at The Ohio State University in Columbus

University of Illinois, Chicago

Современные диагностические микроустройства

Капсула-эндоскоп

Самодвижущийся робот-эндоскоп

Передаваемое изображение

Изображение, полученное с помощью микрокамеры

Раковые клетки в молочной железе. Изображение получено с помощью микрокамеры ~0.1 мм, вводимой через поры соска (Guy's Hospital, Лондон)

«Микросубмарина» германской фирмы microTEC в просвете аорты

«Микросубмарина» конструкции Университета штата Юта

Протез сетчатки

Нанопинцет

Наномедицина завтра

• «Мокрые» нанотехнологии
• Путь «Сверху вниз»
• Путь «Снизу вверх»

Три пути к наномедицине будущего

Респироциты в сравнении с эритроцитами

Сенсоры и молекулярные насосы на поверхности респироцитов

Нанороботы в кровяном русле

Энергетика наноустройств

Получение энергии

• В химической форме (в организме: глюкоза+кислород, АТФ)
• Излучение (звуковое, электромагнитное)

Накопление энергии

• в химической форме
• в механической форме

Управление наноустройствами

Бортовые системы управления на основе:

• Молекулярной электроники
• Наномеханических вычислений
• Квантовых вычислений

Внешнее управление

Прямая связь с ЦНС

Гидрофторполиэтилен как носитель информации

Связь между наноустройствами

• Химические переносчики информации: цитокины, гормоны, нейропептиды, феромоны
• Прямая передача молекул гидрофторполиэтилена
• Ультразвук (распространение по костной ткани)
• Электромагнитное излучение
• Кабельные сети
• Коммунициты

Навигация наноустройств в организме

Абсолютная навигация

• Инерционные сенсоры ускорения, поворота
• Сенсоры электромагнитного поля

Соматографическая навигация

• Взаимоориентация
• Исследование окружения (мембраны, матрикс)
• Навициты

Цитографическая навигация

Диагностика

• Температура, давление, вязкость
• Ph , концентрации различных веществ
• Наличие антигенов, полинуклеотидов, гормонов, нейротрансмиттеров
• Атомно-силовое сканирование
• ОМБП (внешний осветитель; несколько нм; до 30 нм в глубину)
• Акустическая микроскопия («эхолокатор», «томограф»)
• МРТ
• Электромониторинг нейронов и др. клеток
• Химический мониторинг синапсов

Перемещение наноустройств

• Перемещение в жидкости
• -//- по поверхности
• -//- в толще ткани
• Цитопенетрация

Применения (внеклеточные наноустройства)

• Инфекционные болезни и болезни иммунной системы
• Атеросклероз и другие болезни сердечно-сосудистой системы
• Онкологические заболевания
• «Ремонт» межклеточного матрикса
• Инженерия органов и тканей

Применения (внутриклеточные наноустройства)

Размер: ~ 1 μ 3 ( ~ 1 / 1000 от объёма клетки)

• «Ремонт» генетического материала клетки – восстановление разрывов хромосом, удаление встроившихся участков генетического материала вирусов, таких, как герпес, исправление генетических дефектов и приобретённых мутаций, восстановление теломер.
• Перевод молекул белков из неправильной конформации в правильную (ренатурация)
• Разделение «сшитых» молекул белков
• Управление активацией/деактивацией генов (например, с целью перепрограммирования клетки рубцовой ткани и превращения её в полнофункциональную клетку ткани)
• Удаление или обезвреживание молекул вредных веществ (например, соединений тяжёлых металлов)
• Полный «ремонт» клетки, повреждённой внешним воздействием, вплоть до оживления погибшей клетки

• Восстановление клетки после замораживания