«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
Наночастицы и дендромеры помогают космонавтам 22.10.2009

Наночастицы и дендромеры помогают космонавтам

Вскоре наши глаза смогут служить в качестве многофункционального диагностического монитора. Исследователи из Мичиганского университета разработали методику, с помощью которой можно «на лету» установить дозу радиоактивного облучения, полученного человеком. Первыми испытателями этого метода «на себе» будут космонавты, которым необходимо все время контролировать степень облучения.

Исследования по разработке простого, эффективного, а главное, быстрого мониторинга состояния тела космонавта финансирует, в первую очередь, NASA. Команда из Мичиганского университета получила грант в размере $3 миллиона долларов на проведение соответствующих исследований. Работы по мониторингу состояния космонавтов велись разными командами давно.

В 2000-м году различные команды ученых разработали ряд наночастиц, содержащих флуоресцентные вещества, активирующиеся в том случае, если степень облучения организма была велика. Расскажем подробнее о прошлых достижениях мониторинга, чтобы было понятно, что придумали в Мичиганском университете.

«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 Джеймс Лири из медицинской ветви Техасского университета. Ученые Джеймс Лири и Стивен Ллойд возглавляют исследования в области наномедицины с использованием наночастиц. Вместе с ними работают Массуд Мотамеди (Техасский университет), Николай Котов (университет Оклахомы) и Юрий Львов (университет Луизианы).

 

высокоэнергетическая космическая радиация может травмировать ДНК и способствовать ракообразованию на клеточном уровне

Их проект фокусируется на проблеме, близкой к проблемам онкологических заболеваний. Большие дозы радиации получают астронавты, работая в космосе (особенно, если будут пилотируемые полеты 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. Частицы с высокой энергией проникают в тела астронавтов и, как микроскопические пули, повреждают все молекулы на своем пути. Когда ДНК клетки повреждена таким образом, клетка работает с нарушениями, часто приводящими к образованию раковых опухолей.

«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.

Одно из решений этой проблемы — использование наночастиц в качестве посредников между больными клетками и устройствами мониторинга. Эти капсулы для доставки лекарств очень малы, размерами всего несколько сотен нанометров.

Простая подкожная инъекция может доставить тысячи или миллионы этих частиц в кровеносную систему пациента. 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 «CD-95», и помещает их на внешней поверхности мембраны. «Это похоже на то, что клетка говорит другой — я повреждена», — сказал Лири.

 

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

Если поместить на внешнюю поверхность наночастиц молекулы, способные присоединяться к белковым маркерам «CD-95», то ученые смогут «программировать» наночастицы для поиска клеток, поврежденных радиацией. И, возможно, использовать наночастицы для доставки специальных восстанавливающих энзимов к отдельным клеткам.

Человеческий организм и другие организмы имеют естественные энзимы, способствующие восстановлению (репарации) 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 получат возможность сконструировать такие энзимы, которые могут быть доставлены с помощью нанокапсул.

 

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

Команда Лири изучает также способы присоединения флуоресцентных молекул на поверхность наночастиц. 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.

Все элементы этой идеи представлены порознь: ДНК-репарационные энзимы, наночастицы, флуоресцентные метки. Фокус в том, как объединить это в одно работающее устройство.

«Это очень трудная проблема, и мы не способны разрешить ее даже за три года — 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».

Через четыре года после изысканий Джеймса Лири команда Мичиганского университета поставила себе более тривиальную задачу: маркирование лейкоцитов, пострадавших от гамма-излучения, простыми флуоресцентными наночастицами. Суть технологии проста: пациенту вводят раствор наночастиц, которые соединяются с лейкоцитами, пострадавшими от воздействия радиации. Далее, облучая сетчатку глаза высокочастотным лазерным лучом, на цитометре можно будет подсчитать количество лейкоцитов, содержащих метки-наночастицы, и по их количеству установить, насколько серьезную дозу облучения получил космонавт.

 

Принцип действия нового метода, использующего дендромеры

Наночастицы, предложенные доктором Джеймсом Баркером, представляют собой дендромеры, к которым исследователи прикрепили молекулы с высокой степенью адгезии к больным лейкоцитам и флуоресцентные молекулы красителя.

Теперь космонавту не нужно будет даже сдавать кровь на анализ — степень облучения можно узнать с помощью лазерного сканнера, который, сканируя сосуды сетчатки, считает количество флуоресцентных меток в протекаемой через сосуды сетчатки крови.

Новый цитометр, способный считать количество вспышек от флуоресцентных частиц «на лету», был построен профессором Теодором Норрисом из команды исследователей.

В предполагаемом путешествии пилотируемого корабля к Марсу люди проведут около двух лет, постоянно получая дозы радиации. «NASA сказало, что большинство из команды корабля получит билет в один конец, — сказал Норрис. — Поэтому если команда не будет пользоваться методами ранней диагностики лучевой болезни, на Землю может никто не вернуться».

Исследователями уже проведены эксперименты на мышах, в ходе которых была продемонстрирована эффективность дендромерного мониторинга. Как говорят ученые, им необходимо еще два года, чтобы сделать работоспособную методику диагностики для человека.

Источники:

1. University of Michigan:  Molecular Biophysics and Bioengineering  

2. Nanotechnology-Now: Astronaut's eyes may become windows on the bloodstream


Исходная статья: old.nanonewsnet.ru
Авторы:  Свидиненко Юрий