Что такое нанотехнология и наномедицина — кратко, области применения и примеры

Серия статей

Нанотехнология — управление веществом на атомном и молекулярном уровне, сравнительно новая наука. Её также определяют как «контроль вещества, хотя бы одно измерение которого составляет от 1 до 100 нанометров». Разнообразие потенциальных медицинских, промышленных и военных применений привело к миллиардным государственным инвестициям. Поскольку определение основано на размере, область широка: науки о Земле, органическая химия, молекулярная биология, физика полупроводников, микропроизводство. Исследования и применения столь же разнообразны. Нанотехнология уже вносит значительный вклад в клиническую медицину, особенно онкологию.

Наноматериалы имеют свойства, идеальные для онкологии. Особенно два — «преимущественное накопление в опухолях и малое распределение в нормальной ткани» — дают преимущество перед малыми молекулами. Эти свойства хорошо изучены в радиационной онкологии и помогают визуализации, планированию и повышению чувствительности к облучению. В серии обсудим подходящие для онкологии наноматериалы и возможную будущую пользу нанотехнологии в лечении рака.

История

Первые питающие нанотехнологию идеи обсуждал известный физик Richard Feynman, участвовавший в создании атомной бомбы, в 1959 году в знаменитой речи «There is Plenty of Room at the Bottom» («Внизу много места»), говоря о синтезе посредством прямого управления атомами.

До 1980-х область оставалась преимущественно теоретической, но в начале 2000-х вырос научный, политический и коммерческий интерес. Государства начали поддержку и финансирование, начиная с американской National Nanotechnology Initiative, создавшей фонд наноразмерных исследований.

Применения нанотехнологии

Нанотехнология вызвала споры о рисках в пищевой промышленности, возможном вреде воздействия наночастиц и прочем. Одновременно началась коммерциализация продуктов наноразмерных технологий. Они ограничены скорее массовым использованием наноматериалов, чем атомным контролем вещества. По оценке Project on Emerging Nanotechnology (Проект по новым нанотехнологиям), публике доступны более 1600 продуктов, каждую неделю выходят новые 3-4 раза. Проект перечисляет их в открытой онлайн-базе. Большинство применений ограничено пассивными наноматериалами «первого поколения»: оксид титана в солнцезащитных кремах, косметике, покрытиях и пищевых продуктах; аллотропы Carbon для gecko tape; серебро в упаковке еды, одежде, дезинфектантах и бытовой технике; оксид цинка в косметике и солнцезащитных средствах; оксид церия как топливный катализатор. Более продвинутые применения продлевают срок службы теннисных мячей, выпрямляют полёт мячей для гольфа, делают шары для боулинга прочнее и твёрже. В брюках и носках нанотехнология повышает долговечность и прохладу летом. В повязках серебряные частицы ускоряют заживление. Автомобили тоже производят с наноматериалами, что в будущем может уменьшить расход металла и топлива. Игровые консоли и персональные компьютеры могут стать дешевле, быстрее и вместительнее.

The Institute for Global Futures называет нанотехнологию областью с наибольшим социально-экономическим влиянием в следующие 10 лет. В 2010 году добавленная стоимость конечных нанотехнологических продуктов мировой экономики составляла 150 миллиардов USD, а в 2014 — 2.6 триллиона USD.

От большего к меньшему: взгляд материаловедения

При уменьшении системы некоторые явления становятся заметнее. На наноуровне материалы отличаются от макроуровня и позволяют уникальные применения: непрозрачное может стать прозрачным (медь), стабильное — горючим (алюминий), нерастворимое — растворимым (золото). Химически инертное (неактивное) в обычном масштабе золото может стать нанокатализатором. Большая часть интереса обусловлена квантовыми и поверхностными явлениями вещества на наноуровне.

От простого к сложному: молекулярный взгляд

Современная синтетическая химия позволяет готовить малые молекулы почти любой структуры. Методы используют для полезных веществ, например лекарств и коммерческих полимеров. Подходы используют молекулярную самосборку и/или супрамолекулярную химию для автоматического преобразования в полезные формы по принципу снизу вверх.

Важная область применения нанотехнологии: медицина

Инженерия вещества на наноуровне даёт наночастицы — наноматериалы меньше 100 nm. Они имеют особые свойства, отличные от малых молекул. Это используют в разработке новых диагностических и лечебных средств. Например, наночастицы оксида железа обладают «суперпарамагнетизмом», отсутствующим у других материалов оксида железа. При внешнем магнитном источнике даже низкие дозы дают парамагнитный сигнал, делая их отличным контрастом для магнитно-резонансной (MR) визуализации.

Другие идеальные для онкологии свойства наноматериалов — «повышенная проницаемость и удержание» (enhanced permeability and retention (EPR) effect), особые биораспределение, фармакокинетика и контролируемое высвобождение. Протекающие сосуды и неэффективные лимфатические пути опухоли пропускают частицы внутрь, но не позволяют вернуться в кровоток. Эффект EPR ведёт к преимущественному накоплению в опухоли, выгодному для диагностики и лечения. Биораспределение отличается от малых молекул: наночастицы не прикрепляются к нормальным сосудам и капиллярам. Поэтому нежелательное накопление препарата в коже, лёгких и сердце очень мало. Многие частицы можно сконструировать для медленного контролируемого высвобождения содержимого, повышающего вероятность воздействия заключённых противораковых препаратов на опухолевые клетки.

Однако большинство онкологических исследований нанотехнологии касается диагностики и доставки химиопрепаратов. Возник сильный интерес к её использованию для улучшения радиационной онкологии.

По теме

- Основы нанотехнологии, статья 2: наночастичные платформы, нанотехнология в визуализации и диагностике