Вопросы иммортологии

Этот рисунок похож на кадр из фильма "Фантастическое путешествие". Маленькое устройство - размерами намного меньше, чем размер клеток - путешествует по кровотоку пациента, охотясь на больные клетки для того, чтобы ввести под их мембрану точные дозы медикаментов.

Только это не Голливуд. Это настоящая наука.

Маленькие капсулы, намного меньшие, чем размер красных кровяных клеток, будут однажды внедрены в человеческую кровь для того, чтобы вылечить человечество от рака или последствий лучевой болезни.

Ученые, финансируемые НАСА, недавно начали проект, воплощающий эту фантазию в жизнь. Если результаты окажутся успешными, то разработанные учеными нанокапсулы (или наночастицы), смогут помочь реализовать другую фантастическую мечту человечества - освоение Марса людьми и их долговременное пребывание в космосе.

Космос - основное планируемое применение нанокапсул, но, вместе с тем, они имеют перспективу развития в медицине, в особенности применительно к онкотерапии. Наночастицы вызвали интерес в медицинских сообществах тем, что они способны доставлять точные дозы медикаментов непосредственно внутрь канцерогенных клеток, не травмируя при этом здоровые, как это часто случается при лечении рака с помощью распространенной сейчас химиотерапии.

"Назначение наночастиц - представить новый тип терапии, которая состоит в проникновении в отдельные клетки для их восстановления или избавлении от них, если они слишком повреждены," - пояснил ученый Джеймс Лири из медицинской ветви Техасского университета. Лири и Стивен Ллойд возглавляют исследования в этой области. В месте с ними работают: Массуд Мотамеди (Техасский университет), Николай Котов (университет Оклахомы) и Юрий Львов (университет Луизианы).

Их проект фокусируется на проблеме, близкой к проблеме рака. Большие дозы радиации получают астронавты, работая в космосе (особенно при путешествиях на Луну или Марс), так как они лишаются естественного защитного зонтика - магнитного поля Земли. Даже специально разработанные материалы не могут полностью изолировать космонавтов от высокоэнергетической космической радиации. Фотоны и другие частицы проникают в тела астронавтов и, как микроскопические пули, повреждают все молекулы на своем пути. Когда ДНК клетки повреждена таким образом, то клетка работает с нарушениями, часто приводящими к онкообразованию.

Высокоэнергетическая космическая радиация может травмировать ДНК и способствовать ракообразованию на клеточном уровне.

"Это очень важная проблема, - говорит Лири. - Если люди собираются долговременно жить в космосе, мы должны знать, как можно их защитить от космической радиации." Ученые решили, что организм астронавтов должен сам сопротивляться гамма-излучению, потому что разработка внешних экранирующих устройств не принесла ожидаемого эффекта. Использование наночастиц - элегантное решение этой проблемы. Эти капсулы для доставки лекарств очень малы, размерами всего несколько сотен нанометров, что меньше размера бактерии и даже меньше длины волны видимого света (1 нанометр - 1/100000 миллиметра). Простая подкожная инъекция может доставить тысячи или миллионы этих частиц в кровеносную систему пациента. Попав туда, наночастицы получают сигналы от естественной клеточной сигнальной системы о наличии поврежденных клеток. Триллионы клеток в человеческом теле идентифицируют друг друга и передают сообщения с помощью сложных молекул, находящихся в их мембранах. Эти молекулы действуют как химические "флаги" для связи с другими клетками или как химические "ворота", контролирующие поступление в клетку молекул из кровотока (например, гормонов).

Когда клетка повреждается гамма-излучением, она производит маркер - определенный класс белков, названный , и помещает их на внешней поверхности мембраны. "Это похоже на то, что клетка говорит другой - я повреждена," - говорит Лири.

Двуслойная мембрана (справа) отделяет содержимое клетки от внешнего окружения. Сложные молекулы во внешнем слое мембраны контролируют взаимодействия с другими клетками.

Если имплантировать на внешнюю поверхность наночастиц молекулы, способные присоединяться к этим маркерам , то ученые смогут "программировать" наночастицы для поиска радиационно поврежденных клеток. Если же клетка слишком повреждена от воздействия радиации, нанокапсулы смогут проникать внутрь нее, выделяя энзимы, разрушающие клетку. Или наоборот, они могут выделять энзимы, восстанавливающие ДНК для восстановления жизнеспособности клетки. Человеческий организм и другие организмы имеют естественные энзимы, способствующие восстановлению ДНК, правда некоторые из них работают лучше, некоторые хуже. "Существуют организмы, которые могут выдерживать большие дозы радиации, чувствуя себя при этом удовлетворительно," - говорит Лири. Изучая эти естественные механизмы восстановления, ученые смогут сконструировать такие энзимы, которые могут быть доставлены с помощью нанокапсул.

Команда Лири изучает также способы присоединения флуоресцентных молекул к наночастицам. Они могут быть использованы для отображения определенных ступеней процесса заражения и восстановления. Для разных ступеней можно будет применять разные цвета. Эти флуоресцентные метки смогут обеспечить мониторинг наночастиц внутри тела. "Для того, чтобы узнать степень поражения от радиации, астронавт должен будет надеть нечто, похожее на очки, только эти очки будут вмонтированы прямо в глазную оболочку, - поясняет Лири. - и вы, таким образом, используете протекание флуоресцентных наночастиц через глазную оболочку, как медицинский инструмент, действующий in vivo" (in vivo значит "в живом организме").

На этом рисунке стенки нанокапсулы растворяются, вбирая внутрь флуоресцентное вещество. Подобные наночастицы могут быть сделаны из ряда "самособираемых" полимеров, таких, как теллурид кадмия.

Подобные технологии уже существуют. Их используют для отображения изменения протекания крови через радужную оболочку, из-за различных болезней. НАСА заинтересована в таких непроникающих инструментах для мониторинга здоровья, так как астронавты во время полетов должны сами обеспечивать себя медицинской помощью. "Естественно, астронавты должны "надевать" такие "очки" только для того, чтобы узнать, что происходит в их кровеносной системе. И если необходима медицинская помощь, они делают подкожную инъекцию подходящих наночастиц." - завершает он. Наночастицы - радикально новый подход в биосенсинге и медицинской доставке лекарств, и, как и всякая технология, требует многих лет развития для ее усовершенствования и надежности. Но это - не пустые фантазии. Все элементы этой идеи представлены порознь - ДНК-восстановительные энзимы, наночастицы, флуоресцентные метки. Фокус в том, как объединить это в одно работающее устройство.

"Это очень трудная проблема, и мы ее не способны разрешить даже за три года, что составляет срок финансирования проекта. Мы пока пытаемся открыть новые области этой науки, а это само по себе большой прогресс," - говорит Лири. "Но над многим еще придется поработать".

Нанокапсулы: фантастика и реальность.