Серия сообщений-1 о работах, проводимых в области нанотехнологии, наномедицины и лучевой онкологии

Нанотехнологии представляют собой контроль вещества на уровне атома и молекул, это новое направление в науке. Нанотехнологии также описываются в качестве контроля вещества величиной минимум 1 нанометр до 100 нанометра. Из-за многообразия потенциальных медицинских практик (включая медицину, промышленность и военную сферу), государства инвестировали миллиарды долларов для исследований в области нанотехнологий. В связи с тем, что нанотехнологии описываются в размерах, она включает такие сферы науки, как изучение земли, органическая химия, молекулярная биология, физика полупроводников, микро фабрикация, поэтому область нанотехнологий очень велика. Соответствующие исследования и практики также разнообразны.

Нанотехнологии стали вносить серьезный вклад в клиническую медицину, особенно, в онкологию. Наноматериалы обладают различными характерными особенностями, идеальными для применения в онкологии. Особенно эти две характеристики: «желательное накопление в опухолях и малое распределение в здоровой ткани» позволили занять более преимущественное положение наноматериалов, по сравнению с другими мелкими молекулами. Над этими характеристиками (желательное накопление в опухолях и малое распределение в здоровой ткани) были проведены подробные работы на практике лучевой онкологии, и благодаря этим характеристикам был внесен вклад в визуализацию, в планирование лечения, в радиационное лечение, что позволило увеличить точность лечения. В этой серии статей мы хотели обсудить вероятную пользу наноматериалов, которые подходят для онкологической практики и в будущем в лечении рака.

История

Первые понятия, которые легли в основу нанотехнологий, обсуждались во время известного выступления в 1959 году под названием «There is Plenty of Room at the Bottom» (внизу есть еще много места) знаменитого физика Ричарда Фейнмана, принявшего активное участие в разработке атомной бомбы; в своей речи он говорил о возможности синтеза посредством прямого контроля атомов.

В 1980-х годах эта тема обсуждалась больше с теоретической точки зрения, а в начале 2000-х годов нанотехнологии вызвали к себе интерес в научной, политической и коммерческой сферах. Государства, исследований нано-масштаба в Америке, начали поддерживать и финансировать исследования, проводимые в области нанотехнологий, начав с инициативы Национальных нанотехнологий, основавшей фонд.

Применение нанотехнологий

Нанотехнологии сопровождались обширными обсуждениями (риски применения нанотехнологий в пищевом секторе, вероятное воздействие на здоровье в связи с тем, что организм человека подвергается воздействию наночастиц и пр.). В это время началась коммерциализация товаров, основанные на развитии в сфере нанотехнологий. Эти товары ограничены применением вливания наноматериалов, больше, чем контроль атомов вещества. Согласно прогнозам Проекта экстренных нанотехнологий (новый разработанный проект в сфере нанотехнологий), обществу доступно более 1600 нанотехнологических товаров. В неделю на рынок поставляется по 3-4 новинок. Данный проект выводит все товары для народного потребления через базу данных в режиме онлайн. Большинство применений ограничено применением пассивных наноматериалов «первого поколения».

Эти пассивные наноматериалы содержат окись титана в солнцезащитном креме, косметике, поверхностном покрытии и в некоторых продовольственных продуктах. Кроме того, углеродные аллотропы, которые используются для производства Gecko пленок, используются в пищевых упаковках, в одежде, дезинфицирующих средствах, в домашних приборах; в косметике и солнечных кремах используется оксид цинка; оксид церия содержится в катализаторе топлива. Более продвинутые работы позволят повысить прочность теннисных мячей, более прямому полету мяча для гольфа, повысить сопротивление и сделать более прочной поверхность шаров для боулинга. Нанотехнологии используются для того, чтобы брюки и носки служили еще больше, и чтобы в жаркое летнее время позволяли чувствовать людям прохладу. В бандажах используются частицы серебра для того, чтобы ускорить заживление ран. Машины также производятся с использованием наноматериалов, благодаря этому в будущем может понадобиться меньше металла и топлива. Благодаря нанотехнологиям, видео игровые пульты и персональные компьютеры могут стать более дешевыми, более быстрыми и иметь больше объем памяти.

Нанотехнологии демонстрируются институтом глобального будущего в качестве сферы, на которую будет оказано самое большое социально-экономическое воздействие в следующие 10 лет. В 2010 году добавленная стоимость последних товаров с основой нанотехнологий в глобальной экономике составила 150 миллиардов Долларов США, данное значение уже в 2014 году выросло до 2.6 триллионов Долларов США.

От большего к меньшему: взгляд на материалы

По мере уменьшения величины системы, некоторые события становятся более очевидными. Материалы, которые переводятся в наномасштаб, дают возможность бесподобному применению, и по сравнению с характеристиками, которые проявляются в макро-масштабе, они могут обладать различными свойствами. Например, непрозрачные (матовые, не пропускающие свет) вещества могут становиться прозрачными (медь), твердые вещества могут становиться горючими (алюминий), нерастворимые вещества могут становиться растворимыми (золото). Химически инертное (неактивное) вещество в нормальных масштабах, подобное золоту, может выполнять функцию потенциального химического катализатора в нано-масштабе. В основном, интерес к нанотехнологиям связан с квантовыми поверхностными событиями, которые проявляет вещество в нано-масштабе.

От простого к сложному: взгляд на молекулы

Современная синтетическая химия достигла точки, при которой стало возможным готовить маленькие молекулы для всех структур. Данные методы используются в производстве многих полезных химикатов, например, медицинские лекарства или коммерческие полимеры. В этих подходах применяется супрамолекулярная химия или собственный сбор молекул для того, чтобы молекулы могли самостоятельно автоматически собираться снизу вверх для перехода в полезные формы.

Одно из важных сфер применения нанотехнологий: медицина.

Инженерия вещества в нано размере может подарить нам наночастицы (наноматериалы размером менее 100 нм). Эти наночастицы обладают присущими для них характеристиками, отличающимися от маленьких молекул. Эти характеристики были использованы в новой медицине для того, чтобы разработать лекарство с целью диагностики и лечения (в терапевтических целях). Например, «железо-оксидные наночастицы» обладают «суперпарамагнитными» характеристиками, которые отсутствуют в других железо-оксидных материалах. При наличии внешнего магнитного источника, железо-оксидные наночастицы даже в малых дозах могут обеспечивать парамагнитными сигналами; данную особенность проявляют железо-оксидные наночастицы - великолепное контрастное вещество при магнитно-резонансной визуализации (МРТ).

Кроме того, наноматериалы обладают различными характеристиками, идеальными для применения в области онкологии. Среди них: «повышающаяся проводимость и удерживающее действие» (enhanced permeability and retention (EPR) effect), различное биораспределение, фармакокинетика и контролируемая выработка. Проходящие сосуды, присущие опухоли, и неэффективная лимфатика позволяют протекать наночастицам внутрь опухоли, но не позволяют совершить обратный возврат. Этот процесс называется воздействием EPR, и завершается желательным накоплением наночастиц именно внутри опухоли. Данное желательное накопление дает преимущества как для диагностики, так и для лечения. Кроме того, наночастицы, по сравнению с маленькими молекулами, обладают биораспределением, свойственным для них. При сравнении с маленькими молекулами, наночастицы не прилипают к здоровым сосудам и паховым артериям. Данное свойство обеспечивает очень низкое нежелательное накопление лекарства в здоровых органах (в коже, легких и сердце). В результате многие наночастицы могут быть разработаны на медленный и контролируемый ход, чтобы они могли под контролем высвободить содержимое. Благодаря этому контролируемому высвобождению, повышается возможность подвергания клеток опухоли воздействию антиракового лекарства, которое содержится внутри наночастиц.

Несмотря на это, большинство исследований, направленных на нанотехнологии в области онкологии, связаны именно с диагностикой и переносом химиотерапевтических препаратов. Для того, чтобы развить радиационную онкологию, образована прочная связь с использованием нанотехнологий.

Мы продолжим объяснять, каким образом применяются нанотехнологии, особенно в сфере радиационной онкологии, с того места, на котором остановились…