Нанотехнологии в медицине

 

Третий подход представляется наиболее фантастичным, но и наиболее перспективным. Он также восходит к  лекции Фейнмана. Но наиболее полное развитие он получил в работах Эрика  Дрекслера в 1981 - 1992 гг.

Хотя термин "Молекулярная нанотехнология" можно отнести к любой технологии, основанной на конструировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперед свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены - шары и нанотрубки из 5 - и 6-угольных колец атомов углерода. Разумеется там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.

По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей - шестеренок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показывают, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом не "слипаясь".

Предполагается, что подобного  рода молекулярные конструкции могут  быть построены с использованием механосинтеза - прямой сборки из малых молекул и, даже, отдельных атомов.

Сама по себе возможность  такой сборки продемонстрирована с  использованием сканирующих зондовых микроскопов.

Рассмотрим возможный  способ построения алмазоподобных структур из углерода. На первом этапе с помощью сканирующего зондового микроскопа к создаваемой детали подносится молекула винилиденкарбена, имеющая в своём составе выступающий и относительно слабо связанный атом углерода. Между этим атомом и деталью возникает химическая связь. Затем острие сканирующего зондового микроскопа поворачивается на 90°, что приводит к разрыву p-связи и поднимается, разрывая оставшуюся s-связь. Атом углерода остается на заготовке детали.

Сборка готовых деталей  в работоспособную конструкцию  может осуществляться либо с использованием сканирующего зондового микроскопа, либо путем самосборки с использованием прикрепленных к деталям биологических макромолекул, способных избирательно соединяться друг с другом.

Устройство (пока гипотетическое) для такой сборки наномеханизмов Дрекслер назвал ассемблером. Теоретически, ассемблер может быть очень небольшим - микронных размеров. Поскольку из отдельных атомов можно собрать все, что угодно, такой ассемблер может изготовить и собственную копию. С одной стороны, это открывает путь к изготовлению неограниченного количества ассемблеров и - с их помощью - любых других наноустройств. Такой подход может использоваться, например, для терраформирования планет - глобальной их перестройки с целью сделать пригодными для проживания человека.

С другой стороны, может возникнуть опасность выхода размножения ассемблеров  из-под контроля в результате случайной  или намеренной порчи их систем управления. Расчет показывает, что теоретически такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные  часы (правда, без учета времени  на перемещение по поверхности планеты). Эта опасность получила название "проблема серой слизи" (Grey goo problem). Предварительный анализ показывает, что ассемблер может быть сделан достаточно надежным, чтобы вероятность появления самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малым. Однако трудно исключить возможность преднамеренного программирования ассемблера маньяком или хулиганом, подобным современным создателям компьютерных вирусов.

Гипотетические наноустройства, способные к перемещению в окружающей среде и снабженные бортовой системой управления получили название нанороботов. Они смогут быть использованы для решения огромного количества задач - диагностики и лечения любых болезней, включая старение, перестройки организма человека "по заказу", изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов "Земля - орбита" и, даже, "Земля - Луна", терраформирования других планет и т.д.

Идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является лауреат Нобелевской премии 1996 г. по химии Ричард Смайли. В ходе ряда дискуссий в печати с Э. Дрекслером Смайли признал некоторые из ранее критиковавшихся им положений молекулярной нанотехнологии; некоторые другие расхождения можно будет, вероятно, разрешить только путем эксперимента.

Вообще, именно невозможность  в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. Нужно сказать, что современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения таких наноустройств может дать только эксперимент.

Кроме того, что окончательная  конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии ее изготовления. Пока не ясно, приведет ли это к серьезным ограничениям.

Еще один открытый вопрос - характер влияния на функционирование молекулярных наноустройств квантовомеханических эффектов. В современных моделях детали рассматриваются, в основном, как классические объекты. Фактически, однако, на молекулярном масштабе уже необходимо учитывать законы квантовой физики. Рассмотрим влияние квантовых эффектов на вращение пары сцепленных шестерен. Из квантовой механики известно, что полный момент количества вращения любой системы должен быть кратен постоянной Планка h.

 

I_i·w_i = m_i·h  (1)

 

где I_i - момент инерции, а w_i - угловая скорость i-й шестерни; m_i - целые числа.

Однако, угловые скорости сцепленных шестерен связаны между собой:

 

n_iw_i = n₂w₂  (2) 

 

где n_i - число зубцов i-й шестерни. Эти уравнения не имеют нетривиального решения для произвольных параметров I_i и n_i. На первый взгляд, любая пара неодинаковых шестерен окажется "запертой". Более подробное рассмотрение, учитывающее энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия между шестернями, показывает, что отдельные шестерни нельзя рассматривать как изолированные системы, и условие кратности момента количества вращения постоянной h истинно только для их суммарного момента.

Другим квантовомеханическим явлением может оказаться туннельный эффект, который может привести к "проскакиванию" зубцов шестерен и нарушению равенства (2).

Эти примеры показывает, что учет квантовомеханических эффектов может существенно повлиять на работу устройства с деталями молекулярных размеров, значительно усложняя задачу их конструирования. В то же время, образно говоря, мир квантовой механики значительно богаче, чем мир классической. Использование квантовомеханических эффектов вместо борьбы с ними может обеспечить молекулярные наноустройства возможностями, нереализуемыми в классических механизмах. Примером такого рода возможностей является реализация квантовых вычислений которая, если она будет достигнута, позволит решать задачи, не разрешимые за разумное время или, даже, в принципе неразрешимые на классических компьютерах.

Можно сказать, что молекулярная нанотехнология - одно из наиболее спорных, но и едва ли не наиболее многообещающее направление в современной науке. Вопрос о реализуемости ее идей будет, вероятно, решен в течение ближайших десятилетий, а возможно, и раньше.

Рассмотрим некоторые  наноустройства медицинского назначения, которые могут быть изготовлены с использованием молекулярных нанотехнологий:

Респироциты

 

Респироцит представляет полую сферу, внутри которой находится сжатый кислород. Расчеты показывают, что сфера диаметром около 1 мк. с запасом по прочности способна выдержать давление кислорода более 1000 атм. Для сравнения, равновесное давление кислорода в гемоглобине крови составляет всего 0.5 атм., из которых доступно для выделения в ткани лишь 0.13 атм.

В простейшем случае суспензия  респироцитов может быть инъецирована в кровеносную систему организма при нарушении нормального снабжения тканей кислородом. Расчеты показывают, что полная потребность организма в кислороде может быть обеспечена при вливании всего 0.5 мл взвеси респироцитов в минуту.

Более совершенный вариант  респироцита может быть снабжен молекулярными насосами, способными запасать кислород в условиях его избытка и выделять его в условиях недостатка. Такие же респироциты могут переносить из тканей углекислый газ; либо один и тот же респироцит может попеременно заполняться то кислородом, то углекислым газом.

Клоттоциты

 

Клоттоциты представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. По конструкции они напоминают респироцит, но внутри у него в свернутом состоянии находится волокнистая масса. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают свое содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается. Расчеты показывают, что при ране длиной 1 см и глубиной 3 мм кровопотеря составит ~ 6 мм³, что составляет всего 1/10 одной кровяной капли.

 

 

Нанороботы

 

Более сложные устройства могут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, "охота" за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических  отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток. Рассмотрим более  подробно некоторые проблемы, которые  могут встать при конструировании  реальных нанороботов и наметим подходы к их решению:

1. Энергетика нанороботов. Наноустройства могут использовать для своей работы химическую энергию, запасенную в растворенных в крови глюкозе и кислороде. Также возможна передача энергии от внешнего источника в виде электромагнитного или акустического излучения. Внутри устройства энергия может накапливаться в химической либо в механической форме.
2. Управление наноустройством. В качестве систем управления для нанороботов могут быть использованы устройства наноэлектроники такие, как транзисторы на основе отдельных молекул или нанотрубок, возможность изготовления которых сейчас уже успешно продемонстрирована. Но еще большей степени миниатюризации можно достичь, используя чисто механические компоненты.

Молекулярная нанотехнология может также позволить достичь огромной плотности записи информации. Дрекслер предлагает использовать в качестве ее носителя линейные молекулы частично фторированного полиэтилена - цепочку атомов углерода, с которыми соединены два атома углерода, два атома водорода или по одному атому того и другого. Каждое звено такой цепочки несет чуть больше полутора бит информации (в случае использования только двух типов звеньев - -CH2 - и - СHF - ровно один бит), а полная плотность записи достигнет фантастического значения в ~15 бит/нм³, т.е., ~15Ч1021 бит/см³.

Связь между нанороботами. В живой природе внутри организма используются в основном химические переносчики информации - цитокины, гормоны, нейропептиды, феромоны. Наноустройства, однако, смогут использовать и более быстрые каналы передачи информации, например, ультразвук, электромагнитное излучение.

3. Диагностика. Для диагностики наноустройства могут использовать довольно большое количество разнообразных методов:
• измерение макроскопических параметров среды (температуры, давления, вязкости).
• измерение химических параметров (Ph, концентрации кислорода, углекислого газа, наличия антигенов, полинуклеотидов, гормонов, нейротрансмиттеров).
• атомно-силовое сканирование поверхности клетки.
• оптическая микроскопия ближнего поля
• акустическая микроскопия (по принципу эхолокатора; акустического томографа).
• магнито-резонансная томография.
• электромониторинг активности нейронов, мышечных клеток и др.
• химический мониторинг синапсов.

Можно предположить, что  в будущем будут придуманы  и другие, еще более эффективные  методы диагностики.

По прогнозам исследовательской  корпорации Форрестер [21], в период с 2005 по 2010 г. основное развитие нанотехнологии будет определяться медицинскими предложениями. В этот период медицинские товары приблизят нанотехнологии к рядовому потребителю.

Потребители нуждаются в  совершенствовании диагностики. Работодатели и страховые компании озабочены  состоянием здоровья сотрудников, поэтому  последние, в свою очередь, нуждаются  в более совершенной диагностике и терапии - не только тех болезней, которые у них уже есть, но и тех, к которым они предрасположены.

Наносенсоры станут звеном перехода к индивидуализированной медицине. Используя свои нанотехнологические средства - GeneEngine - компания Дженомикс из США уже обнаружила вариации генов на цепочках ДНК, это 200000 основных пар в длину. Компания прогнозирует возможность расшифровки всего генома человека, состоящего из 3 млн. пар. При этом будут использоваться возможности индивидуализированной терапии с применением нанотехнологической доставки лекарств (компании БиоСанте Фармасьютиклз или С Сиксти).

Создание новых линий  производства приведет к снижению цен. Сегодня такие компании как Роше Дайагностикс используют технологию цепной реакции полимеразы для диагностики и выявления таких заболеваний как ВИЧ и гепатит. Система диагностики, созданная из нанокристаллов, подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для полупроводниковой промышленности [2].