«Био/мол/текст»-2016

Эта работа заняла первое место в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.

---

Спонсор номинации — Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано.

---

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

---

Спонсор публикации этой статьи — Светлана Михайловна Чубарова.

Нанотехнологии и жизнь

Если заглянуть в словарь, то можно обнаружить, что «нано» — это приставка, используемая в Международной системе единиц (СИ) и означающая одну миллиардную часть какой-либо единицы измерения. Другими словами, если к измеряемой единице прибавить приставку «нано», то получится произведение исходной единицы и числа 10^–9. Например, метр, умноженный на 10^–9, станет нанометром (нм).

То есть, спросите вы, получается, что нанотехнологии — это одна миллиардная часть обычных технологий? Логично, однако не совсем так. Нанотехнологии — это методы и приемы, основанные на использовании материалов или устройств, обладающих очень маленькими размерами — в районе 100 нм и меньше. Такие технологии очень востребованы в наше время, так как обладают совершенно уникальными свойствами по сравнению с технологиями традиционными . Сложно найти область человеческой жизни, где нанотехнологии не проявили бы себя: это и космическая промышленность, и государственная оборона, и компьютерная техника, и телекоммуникации, и видеоустройства, и медицина... Всё перечислить невозможно. Перед глазами встает картина далекого будущего, где вместо автомобилей люди передвигаются на летающем транспорте, повсюду сворачиваются и разворачиваются жидкокристаллические прозрачные экраны и никто не болеет раком. Да ну, такое не под силу даже нанотехнологиям, усмехнетесь вы. Соглашусь, может, всё будет совсем не так. Кто знает, как пойдет развитие транспортной инфраструктуры и мобильных технологий...

Нанотехнологии уже давно освоила Природа, и человеку приходится какие-то конструкторские идеи заимствовать у нее. Много интересного предлагают, например, насекомые — «Может ли муха стать нанотехнологом?» [1], — да даже простые молекулы ДНК, оказывается, могут работать не хуже сложной техники: «Нано-pH-метр» [2]. Только вот уникальные свойства нанообъектов предполагают и особенный характер взаимодействия с объектами биологическими. О том, что происходит в области непосредственного контакта наночастиц со структурами живого организма, повествует материал «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [3]. — Ред.

Только вот что с онкологическими заболеваниями? Можно ли их излечить, используя нанотехнологии, или это из области несбыточных мечтаний? Однозначного ответа, конечно, нет, однако ученые по всему миру работают над этим вопросом. И уже даже есть результаты.

Квантовые точки — мал да удал!

Охватить всё разнообразие идей деятелей науки невозможно, поэтому хотелось бы остановиться на одном нанообъекте, имеющем потенциал в области диагностики и терапии онкологических заболеваний — квантовых точках (англ. quantum dots).

Этот наноматериал был открыт в 1981 году русским физиком Алексеем Ивановичем Екимовым (рис. 1) [4].

Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы (рис. 2), обладающие благодаря своему малому размеру (1–20 нм) особыми оптическими и электронными свойствами. Именно особенность кристаллов потрясающе малого размера — квантовый размерный эффект — отразил Марк Рид в названии этих объектов в 1988 году [5–7].

Особый интерес к квантовым точкам вызвала их способность изменять свои оптические свойства в зависимости от размера и формы. Чем меньше нанокристалл, тем больше расстояние между его энергетическими уровнями. Таким образом, при возбуждении квантовой точки и последующем переходе электрона на более низкий энергетический уровень появляется возможность регулировать энергию испускаемого фотона, а следовательно, и длину волны испускаемого квантовой точкой света. Благодаря невероятной яркости свечения и удобству регулировки его цвета, квантовые точки приобрели популярность в научно-технической среде и даже за ее пределами. И правда, кто сможет устоять (рис. 3).

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать

Конечно же, ученые-медики и биологи тоже не остались в стороне. Уже довольно давно в медицине и лабораторной диагностике используются разнообразные красящие агенты. Например, в гистологических исследованиях тонкую пластинку человеческой ткани окрашивают специальными красителями — гематоксилином и эозином, — благодаря чему становятся видны клетки и их содержимое (рис. 4). В основе популярного метода исследования клеточных суспензий, который называется проточной цитометрией (рис. 5), лежит принцип мечения клетки светящимся веществом с последующей ее визуализацией в специальном приборе [8]. Человеку всегда хочется «увидеть» болезнь, ее «расположение» в организме, изменения, которым она подвергает ткани, ее распространение. Такой подход очень эффективен, ведь так врач сможет поставить диагноз наиболее точно, ему не придется действовать вслепую.

Квантовые точки очень ярко светятся при сáмом слабом облучении, что, конечно же, сразу натолкнуло ученых на мысль использовать их для визуализации различных процессов, протекающих в человеческом организме. Итак, что же конкретно мы можем с их помощью увидеть и как это поможет людям взять контроль над ужасной болезнью — раком?

За диагностикой — будущее

В клинических лабораториях уже несколько десятилетий проводятся анализы на так называемые онкологические маркеры [9], [10]. Они появляются в организме в ответ на злокачественную трансформацию клеток и циркулируют в крови заболевшего человека, что очень упрощает раннюю диагностику рака. Иногда онкомаркеры появляются в крови незадолго до начала роста опухоли, и по ним можно предсказать развитие болезни. Однако эти исследования довольно дорогие и трудоемкие, и это, к сожалению, не позволяет использовать их часто и для всех нуждающихся. Вот тут-то на помощь и приходят квантовые точки.

Вспомним мечту о будущем: летающие машины, небоскребы... Почему бы не добавить в эту картину моментальную диагностику рака? Да еще в лаборатории, умещающейся на ладони? С помощью квантовых точек создание такой системы становится возможным.

Традиционно для определения раковых маркеров используется метод иммуноферментного анализа (ИФА), в основе которого лежит следующая схема молекулярных взаимодействий (рис. 6). На пластик (обычно — полистирольный планшет со множеством лунок), покрытый антителами к искомому антигену (онкомаркеру), наносится сыворотка крови пациента. Затем к полученной смеси добавляется еще одно антитело, меченное органическим флуорофором или молекулой пероксидазы. Молекулы пероксидазы окрашивают субстрат в определенный цвет, что позволяет с помощью спектрофотометра определить, есть ли в данной сыворотке раковый маркер и в каком количестве.

Весь процесс занимает около шести часов и требует особой аккуратности и дорогих расходных материалов. Как же можно его ускорить и облегчить?

Квантовые точки благодаря своей яркости и маленькому размеру позволяют гораздо быстрее и проще получать ответ о присутствии в крови пациента тех или иных раковых маркеров. Для этого ученые предлагают кодировать квантовыми точками маленькие полимерные микросферы (рис. 7), к которым прикреплены антитела к онкомаркерам [11], [12]. Кодировать — значит помещать в структуру таких микросфер квантовые точки разного размера и цвета .

О таких микросферах в частности и способах конструирования биоаналитических наносенсоров в целом рассказывает другая конкурсная статья — «Молекулярные биосенсоры на базе полимеров с начинкой из квантовых точек» [13]. — Ред.

Так как микросферы не прикреплены ни к какой поверхности и могут нести на своей поверхности любые антитела к раковым маркерам, то даже в одной пробирке можно сформировать систему, в которой различные онкомаркеры будут прикрепляться к соответствующим антителам, и при облучении ярким светом такие комплексы будут светиться за счет квантовых точек, содержащихся в микросферах. Чтобы определить, к каким именно сферам и каким именно антителам прикрепляется искомая молекула, в систему необходимо добавить еще одно антитело с флуорофором — детектирующее (рис. 8). Засечь свечение от квантовых точек и от флуорофора можно с помощью проточного цитометра за считанные секунды. Таким образом, чтобы определить, есть ли в крови пациента тот или иной онкомаркер, врачу-лаборанту требуется всего лишь взять пробирку, добавить в нее микросферы с пришитыми к ним антителами, сыворотку крови пациента и детектирующее антитело с флуорофором и поместить эту смесь в проточный цитометр [14].

Если в будущем такая технология будет в лаборатории каждой больницы, то проверить свою кровь на раковые маркеры сможет каждый желающий за небольшую плату. Только представьте себе, сколько жизней можно будет спасти, «поймав» рак на ранней стадии ! Конечно, всё не так просто, как хотелось бы: самое сложное — найти молекулы, присущие только какому-то определенному типу опухоли, нелегко составить оптимальный набор онкомаркеров для каждого конкретного пациента. Но квантовые точки позволяют нам хотя бы немного приблизиться к мечте о том, что такую жестокую болезнь, как рак, можно будет диагностировать быстро, дешево и надежно.

Наночастицы способны оказать человеку неоценимую помощь не только в диагностике рака и прочих недугов, но и в профилактике инфекций (как компонент вакцин) — «Вакцинация в контексте „нано“» [15], — и даже в терапии любых (!) заболеваний — ведь с помощью наночастиц в организм можно доставлять любые лекарства: «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц» [16], «Наномеханика для адресной доставки лекарств — насколько это реально?» [17]. — Ред.

Литература

1. Может ли муха стать нанотехнологом?;
2. Нано-pH-метр;
3. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
4. Екимов А.И. и Онущенко А.А. (1981). Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников. Письма в ЖЭТФ. 34 (6), 363–366;
5. Alivisatos A.P. (1996). Semiconductor clusters, nanocrystals and quantum dots. Science. 271 (5251), 933–937;
6. Herron N., Calabrese J.C., Farneth W.E., Wang Y. (1993). Crystal structure and optical properties of Cd₃₂S₁₄(SC₆H₅)₃₆. DMF₄, a Cluster with a 15 Angstrom CdS core. Science. 259 (5100), 1426–1428;
7. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
8. Видеозапись пятого семинара СМУ, посвященного современным технологиям в проточной цитометрии. Сайт ИБХ;
9. Лектины — новые инструменты в диагностике и терапии злокачественных опухолей;
10. Геном, транскриптом, метилом и... фрагментом — российские ученые на пути становления новой биомаркерной концепции;
11. Brazhnik K., Sokolova Z., Baryshnikova M., Bilan R., Efimov A., Nabiev I., Sukhanova A. (2015). Quantum dot-based lab-on-a-bead system for multiplexed detection of free and total prostate-specific antigens in clinical human serum samples. Nanomedicine. 11 (5), 1065–1075;
12. Han M., Gao X., Su J.Z., Nie S. (2001). Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules. Nat. Biotechnol. 19 (7), 631–635;
13. Молекулярные биосенсоры на базе полимеров с начинкой из квантовых точек;
14. Sukhanova A., Susha A.S., Bek A., Mayilo S., Rogach A.L., Feldmann J. et al. (2007). Nanocrystal-encoded fluorescent microbeads for proteomics: antibody profiling and diagnostics of autoimmune diseases. Nano Lett. 7 (8), 2322–2327;
15. Вакцинация в контексте «нано»;
16. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц;
17. Наномеханика для адресной доставки лекарств – насколько это реально?;
18. Gao X. and Nie S. (2004). Quantum dot-encoded mesoporous beads with high brightness and uniformity: rapid readout using flow cytometry. Anal. Chem. 76, 2406–2410.