Газета «Новости медицины и фармации» 6 (357) 2011

Самособирающиеся наночастицы: терминаторы ищут, перехватывают и уничтожают устойчивые к антибиотикам бактерии

Бактерии, несмотря на свои небольшие размеры, отличаются высокой жизнестойкостью. Всякий раз, когда их подвергают обработке новым препаратом, погибает около 99,99 % всех бактерий, но оставшиеся 0,01 % успешно размножаются, и ситуация возвращается к началу, с разницей лишь в том, что новые бактерии абсолютно нечувствительны к новому препарату. Как правило, темпы разработки новых лекарственных препаратов не успевают за темпами появления новых видов бактерий, таким образом, медицинский арсенал нуждается в новом «оружии» для борьбы с бактериями.

Ученые из IBM Research и Сингапурского института биоинженерии и нанотехнологий (Singapore’s Institute of Bioengineering and Nanotechnology) объединились для того, чтобы разработать новые самособирающиеся наночастицы, которые могут выборочно обнаружить и уничтожить даже самые стойкие к лекарственным препаратам виды бактерий. Не прибегая к помощи химических соединений, воздействующих на ДНК микроорганизмов, наночастицы уничтожают бактерии, просто разрывая в клочья ткань оболочек бактерий.

Проверка работоспособности новой технологии борьбы с бактериями проверялась на бактериях вида MRSA, бактериях, которые очень стойки к воздействию лекарственных препаратов и убивают десятки тысяч людей в год. На представленном рисунке можно четко увидеть то, что делают наночастицы-терминаторы с этими бактериями.

Наночастицы изготовлены из специального полимерного материала. Когда их вводят в кровоток, они самособираются в капли величиной 200 нанометров. Эти капли имеют небольшой положительный электрический заряд и благодаря этому притягиваются к бактериям, которые имеют отрицательный электрический заряд, чем они и отличаются от клеток человеческого организма. Эти нанокапли обволакивают мембраны оболочек бактерий и пробивают в них большие отверстия, через которые бактерии «выпускают кишки», и они погибают. После этого нанокапля «отправляется» на поиски нового объекта уничтожения.

Так как каждая нанокапля может поразить множество целей, нет необходимости использовать их в высокой концентрации. Через несколько дней наночастицы разлагаются на углекислый газ и неядовитые примитивные спиртовые соединения, которые выводятся из организма естественным путем.

Трудно сказать, является ли разработанный метод началом «нанотехнологической смерти» для инфекционных заболеваний. Пока еще до конца не ясно, не повернется ли это оружие против самого человеческого организма, поражая клеточные ткани и клетки крови. Но в любом случае новый метод поиска и физического нападения на бактерии и микроорганизмы является чрезвычайно многообещающим способом борьбы с заболеваниями. В дальнейшем ученые IBM Research будут проводить испытания, в ходе которых будет выясняться, насколько новое нанооружие безопасно для человеческого организма.

Человеческая кровь является жидким мемристором

Профессор Коста (S.P. Kosta) из университетского городка Changa в Гуджарате, Индия, вместе со своими коллегами опубликовал в журнале International Journal of Medical Engineering and Informatics работу, в которой он указывает, что человеческая кровь может изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. И этот эффект «запоминания» сопротивления сохраняется по крайней мере в течение пяти минут. Такое необычное свойство человеческой крови делает ее мемристором, четвертым типом фундаментальных электронных устройств.

Напомним, что мемристоры были открыты в 1971 году, а в 2008 году старший научный сотрудник компании Hewlett-Packard Стэнли Уильямс (Stanley Williams) и его коллеги продемонстрировали первый работающий образец мемристора, изготовленного из диоксида титана. В отличие от других электронных компонентов мемристор способен менять свое сопротивление под воздействием электрического тока и «помнить» его даже тогда, когда через мемристор не течет электрический ток. Такое свойство мемристора делает его хорошим кандидатом на устройство хранения информации, которое не теряет информацию при отсутствии напряжения питания.

То, что кровь обладает мемрезистивными свойствами, не первое свидетельство связи мемристоров с биологическими объектами. Оказывается, что и связи между нервными клетками — нейронами тоже обладают ярко выраженными подобными свойствами, что позволяет рассматривать мемристоры как основу создания электронных схем, подражающих функционированию нервных систем.

Профессор Коста и его коллеги видят в своем открытии большой потенциал для различных терапевтических методов лечения заболеваний. «Это открывает новые перспективы в лечении заболеваний человека «жидкими» электронными схемами, созданными на основе тканей самого организма», — пишут ученые в журнале. В дальнейшем ученые будут пытаться создать отдельные малогабаритные мемристорные устройства, распространяющиеся по донному кровеносному сосуду. А затем ученые попытаются объединить несколько таких устройств в схему, которая сможет выполнить логические функции.

ДНК-бот — программа и исполнитель одновременно

Новый крошечный робот, изготовленный из цепочек ДНК, может стать родоначальником нового класса мини-машин, которые смогут «нырнуть» в глубины человеческого организма и выполнить там заложенную в них программу. Попытки создания микророботов на основе ДНК продолжаются уже достаточно давно, но этот новый робот является первым, который успешно удалось изготовить и запрограммировать на выполнение конкретных действий. Программа в виде последовательности инструкций, закодированная в виде последовательностей цепочек ДНК, позволяет этому роботу действовать совершенно самостоятельно, без какой-либо помощи извне, как утверждает Эндрю Терберфилд (Andrew Turberfield), ведущий исследователь этого проекта, профессор Оксфордского университета.

Как и роботы на основе ДНК, которые были созданы Терберфилдом в прошлом, новый робот состоит из последовательностей цепочек ДНК, имеющих различное информационное и функциональное назначение. Ключевым компонентом нового робота является так называемая топливная цепочка — молекула, содержащая инструкции программы этого робота. Эта «топливная цепочка» является также источником химической энергии, которая используется для движения данного робота к заданной точке и для выполнения других операций.

Возможность управлять перемещением такого робота означает, что данный метод может служить для транспортировки фармацевтических препаратов или других материалов в человеческом организме, для выполнения микрохирургических вмешательств и многого другого. Но пока эта технология приобретет такой широкий потенциал, должны быть преодолены многие другие, пока еще не решенные проблемы. Основной из них является окончательная сборка сложного робота из различных элементов на основе цепочек ДНК. Эти элементы, представляющие собой «управляющий компьютер», инструментарий и двигатель, уже существуют и функционируют по отдельности, но в единое целое собрать их не удавалось еще никому. Второй нерешенной проблемой является защита сложного ДНК-механизма от воздействия других материалов и химикатов, находящихся внутри организма, которые могут привести к искажению генетической информации (программы) робота, что в лучшем случае приведет к полному выходу последнего из строя, а в худшем случае — к совершенно непрогнозируемым последствиям.

Детальные результаты исследований опубликованы в журнале Nano Letters.

Подготовила Е. Приймак