Знание-сила, 2006 № 10 (952)

НАУКА: ШАГ В БУДУЩЕЕ

Будущее медицины, какое оно, кто это может знать? В первую очередь это конечно же великие врачи. С вершин, достигнутых в настоящем, будущее виделось им таким:

"Чем зрелее практический врач, тем более он понимает могущество гигиены и относительную слабость лечения, терапии...". Г. Захарьин.

"Задача врача не столько лечить болезни, сколько предупреждать их".

М.Я. Мудров.

"Я верю в гигиену, вот где заключается истинный прогресс человечества. Будущее принадлежит медицине предупредительной".

Н.И. Пирогов.

"Главнейшие и существенные задачи практической медицины — предупреждение болезней". С.П. Боткин. "Идеалом медицины является не умение распознавать и лечить болезни, а предупреждать возможность их развития, уничтожая причины и условия".

З.П. Соловьев.

Итак, все они видели, что будущее здравоохранения есть предупредительная или профилактическая медицина. Предупредительная скорее всего понималась ими как направленное предупреждение возникающих болезней, а не просто в терминах "не пить", "не курить", "жить без стрессов", "питаться ангельской пищей". В общем, дышать чистым воздухом, потреблять чистую воду и продукты питания, вести разме

ренный образ жизни и много чего другого. Это наводит на мысль, звучащую абсурдно — " жить-то, в общем, вредно".

"Врач должен обладать глазом сокола, руками девушки, мудростью змеи и сердцем льва", — таковы требования к врачам, которые сформулировал Авиценна еще в далеком прошлом, тем не менее они остаются справедливыми и как требования к современным врачам, правда, с несколько другим смыслом. Тут надо заметить, что и практикующие, и будущие врачи слышать о профилактике не горят желанием. В разговоре с преподавателем кафедры гигиены услышал: нынешние студенты-медики не любят предмет гигиену, они нацелены на лечение. Все они, по сути, есть нынешние и будущие слуги фармпромышленности, проводники ее корыстолюбивых планов. В этом они видят залог своего благополучия и процветания. Окажется ли верным соображение "на наш век хватит" — совсем не очевидно. Фармация сейчас, если судить по многим высказываниям медиков на этот счет, практически зашла в тупик. Исчерпал себя сам принцип создания и применения лекарств, его кпд — не более одного процента. С целью вырваться из этого тупика уже сейчас ведутся работы по многим направлениям, призванные принципиально иными способами решать лечебные задачи. Одно из направлений разрабатывает уже сегодня протеомика — новая наука, изучающая белки, основу жизни. Определяя набор белков в больном органе пациента (снимая белковое фото органа) с помощью специальных биочипов на основе нанотехнологий (по затратам времени это минутное дело), можно создавать для него индивидуальное лекарство, которое может быть доставлено к его пораженным клеткам, опять-таки, на основе использования нанобиотехнологических подходов.

Юрий Михайлович Петренко, доктор биологических наук, профессор Российского Медицинского Университета, размышляет о будущем медицины в свете последних открытий в области нанотехнологий

Термин "нанотехнологии" предложил в 1974 году японский физик Норис Танигучи, работавший в Токийском университете. Нанотехнологию он определил как процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой. Звучит захватывающе. Часть слова нано (от греческого слова "нано" — карлик), входящая в этот термин, является производной от меры длины — нанометр. Один нанометр равен одной миллиардной части метра. Много это или мало? Еще в 1905 году Эйнштейн доказал, что такой размер имеют молекулы сахара. На длине в один нанометр можно расположить примерно 10 атомов.

Хотя термин был придуман в 1974 году, днем рождения нанотехнологий считается все же 29 декабря 1959 года. В этот день профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат по физике 1965 года) в своей лекции *Как много места там внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц. Важной вехой на пути становления нанотехнологий стало также одно знаменательное событие. В 1985 году трое американских ученых Ричард Смэлли, Роберт Карл и Харольд Крото открыли фуллерены — сложные молекулы углерода, имеющие специфическую структуру. За это открытие все трое позже ( в 1996 году) стали Нобелевскими лауреатами. Но что же такое фуллерены и почему их открытие считается знаменательным в становлении нанотехнологий? Фуллерены — это новые структурные формы углерода, существующие наряду с такими известными углеродными структурами, как алмаз и графит.

По своей структуре фуллерены могут рассматриваться как трехмерные аналоги ароматических соединений, напоминающих по форме футбольный мяч, т.е. это практически сферические углеродные молекулы. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76,78,84,90 и даже нескольких сотен атомов углерода, с разнообразными структурными модификациями. Фуллерены названы так в честь американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, создавшего знаменитый "Геодезический купол" — полусферу, собранную из тетраэдров.

Фуллерены относятся к самоорганизующимся структурам, и, хотя эти материалы пока еще мало известны за пределами ученых кругов, они находятся в стадии интенсивных и многообещающих исследований. Помимо того, что фуллерены очень интересны с теоретической точки зрения, они представляют и огромный практический интерес. В принципе их можно использовать для создания новых материалов с магнитными и сверхпроводящими свойствами, обладающих малым трением, новых химических реагентов и биологически активных веществ. Область возможного применения фуллеренов крайне широка. Это экологически чистые источники электроэнергии, электроники, квантовые компьютеры, химическая промышленность, строительная индустрия, механизмы (твердая смазка), ракеты и даже медицина. Возможно, что этот перечень неполный.

Модель фуллерена

Сейчас происходит подлинный "фуллереновый бум", и можно ожидать, что уже в недалеком будущем фуллерены найдут еще более захватывающие сферы применения.

Они уже применяются в микроэлектронике, используются в качестве добавки к смазочным материалам, применяются в косметике и, наконец, ведутся исследования по вопросу применения их в медицинских целях. Ученые обнаружили, что фуллерены хорошо защищают нервные клетки от необратимых повреждений, вызываемых радикалами. Они приклеивают свободные радикалы к своей наружной поверхности и не позволяют им взаимодействовать с нейронами. Показано, что течение нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера, можно облегчить при помощи фуллеренов.

Использование фуллеренов в медицине в настоящее время базируется на представлении о них как адаптогенах и иммуномодуляторах широкого спектра действия. Кроме этого, их действие может быть связано с сорбционной способностью: в фуллеренах все связи не насыщены и каждая молекула является электроотрицательной и гидрофобной. В результате она способна к сильному взаимодействию с адсорбатами ароматической природы, и тем лучше взаимодействует с адсорбатом, чем более он гидрофобен и менее отрицательно заряжен.

Фуллерены можно с помощью магнитных устройств перемещать по плазме человека и фиксировать в определенной части человеческого организма, например в районе скопления раковых клеток. Фуллерен может аккумулировать на себе лекарства, которые будут концентрироваться в той или иной конкретной точке организма. На повестке дня стоит вопрос производства кремниевых фуллеренов, а затем и кремниево-углеродных, расширяющих спектр возможностей в плане использования материалов с новыми самыми разнообразными свойствами. В частности, фуллерены на основе углерода проявляют сверхпроводящие свойства при относительно высоких температурах (117 К). Указанное свойство представляет интерес уже сейчас для технического применения. Для медицинских целей такие температуры, естественно, неинтересны, но есть надежда, что фуллереновые технологии позволят близко подойти к температурам, интересным и для медицины.

Дальнейшее развитие нанотехнологий в ретроспективном плане было связано со следующими важными событиями. В 1986 году вышла в свет книга Э. Дрекслера под названием "Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий". В 1991 году японский профессор Сумио Лиджима, работающий в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нанометров. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.

Открылась удивительная возможность собирать из этих нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками. В настоящее время во всем мире растет производство фуллеренов на основе макромолекул углерода.

В этом же 1991 году в США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. В это же время Япония развернула программу своих нанотехнологических исследований. В Европе серьезная поддержка нанотехнологических исследований на государственном уровне началась только в 1997 году. В 1992 году Сиз Деккер, соединив углеродную трубку с ДНК, получил единый наномеханизм, что послужило основой для развертывания работ в сфере уже нанобиотехнологий. Позже ученый Гинжевский из исследовательской лаборатории фирмы IBM построил из десяти рядов фуллеренов (по десять молекул в каждом ряде) атомный абак, счеты древних арабов. Теоретики доказали, что подобный абак может запасти в миллиард раз больше информации, чем обычный компьютерный чип.

Необходимо заметить, что, по последним данным, одна из американских фирм уже приступает к производству энергонезависимых запоминающих устройств (NRAM) на основе фуллеренов, и интерес к перспективным устройствам проявили такие фирмы, как Intel, Motorolla. В 1997 году Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

От уникальных биочипов и биосенсоров, создаваемых на основе нанотехнологий, уже может закружиться голова. Но возможности, открывающиеся перед медициной и другими сферами человеческой деятельности в случае реального осуществления промышленной сборки наноустройств и даже, более того, самовоспроизводящихся наносуществ, как это постулирует Эрик Дрекслер, превышает все, о чем до сих пор писали фантасты. Однако сомнения в принципиальной возможности такого все же имеются, и насколько они оправданы — пока не понятно.

Поводом серьезного философского спора последних лет послужила уже упоминавшаяся книга Эрика Дрекслера. Под термином "Машины созидания" Дрекслер ввел в рассмотрение молекулярные самовоспроизводящиеся роботы, способные производить сборку (ассемблирование) молекул, их декомпозицию, запись в память нанокомпьютера программ воспроизведения и, наконец, реализацию этих программ, т.е. самовоспроизведение (размножение). Они будут способны строить с абсолютной точностью и без погрешностей. Они изменят лицо мира, подарят человечеству что-то приближающееся к бессмертию и обеспечат возможность колонизации Солнечной системы.

Одним словом, был сделан фантастический прогноз развития нанотехнологий, рассчитанный на многие десятилетия, и который, к удивлению, начиная уже с 1989 года, начал сбываться прямо на глазах с заметным опережением по времени. Появились надежные прогнозы касательно медицины; уже в 2010 году в практику войдет молекулярная нанохирургия и наноремонт биологических клеток. И к этому имеются определенные основания — неспроста ведь конгресс США в 2000 году принял 10-летнюю программу под названием "Национальная нанотехнологическая инициатива", которая была возведена в ранг национального приоритета. Национальные программы по нанотехнологиям существуют в Японии, Корее, Германии Великобритании, Франции, Италии и некоторых других странах.

В то же время нашелся человек, имеющий другой взгляд на возможности нанотехнологий, который публично выступил с опровержением возможности создания самовоспроизводящихся роботов. Это Ричард Смэлли, один из трех Нобелевских лауреатов 1996 года за открытие фуллеренов. Р. Смэллей, как и Э. Дрекслер, верит, что потенциал нанотехнологий для человечества является почти беспредельным, но он имеет свою концепцию для нанотехнологий, где нет места молекулярным сборщикам. Разгорелся публичный и открытый спор между Э. Дрекслером, являющимся председателем Совета директоров Foresigt Institute (Калифорния), организации, призванной подготавливать общество к предвидению возможностей продвинутых технологий, с одной стороны, и профессором Смэлли — с другой.

Кто из них прав, остается загадкой и по сей день, несмотря даже на то, что в этом споре незримо присутствовал сам Ричард Фейнман, признанный авторитет в области квантовой механики. Именно он еще в 1959 году сделал предположение о возможности молекулярного производства и указал, как оно будет осуществляться — "через использование производительной машинерии -фабрик для построения меньших производств, приводящих в конечном счете к наномашинам, строящих продукты с атомной точностью".

Итак, в чем суть спора — понятно. Смогут ли нанороботы воспроизводить себя с атомной точностью. Были ли и естьли критерии истинности или ложности в этом споре и кто из спорящих все же прав?

Реальность создания самовоспроизводящихся наноботов пока под вопросом, но уже сейчас достижения в сфере нанотехнологий (в первую очередь в плане создания фантастических по свойствам бночипов и биосенсоров) выглядят впечатляюще.

Биосенсоры и биочипы — это сложнейшие системы, создаваемые в том числе на основе фуллеренов. Биосенсорами называют большой класс электрохимических устройств, которые предназначены для анализа химических соединений в жидких и газообразных средах. До недавнего времени основу биосенсоров составляли ферментные электроды. В них собственно сенсорной частью, реагирующей с определяемым веществом, были ферменты, прикрепленные к поверхности подложки некоторой пластинки, например полимерной или гелевой пленки. Свойства биосенсоров в большой степени определяются подложкой. Следует заметить, что термин биосенсор из обихода постепенно исчезает, он вытесняется более общим термином — биочип. Важно, что биочипы, биосенсоры компонуются в пространстве наноразмерноетей.

Биологические чипы во многом схожи с электронными компьютерными — и те, и другие собирают и обрабатывают огромное количество информации на малой поверхности. И те, и другие состоят из огромного количества миниатюрных элементов, ячеек, скомпонованных в сложнейшие полифункциональные системы. Но есть пока между ними и существенные различия, касающиеся в основном принципов их внутреннего устройства, конструирования и функционирования.

Выделяют различные виды биочипов: ДНК-чипы, белковые чипы и чипы для определения низкомолекулярных химических веществ. Все они в определенном смысле в миниатюре воспроизводят специальную химико-аналитическую лабораторию, т.е. это своего рода "лаборатория в чипе". Соорудить в пространстве чипа камеры и каналы, насосы и клапаны, нагреватели, миксеры и датчики очень непросто, так как все это должно быть очень маленьким, должно работать слаженно и, естественно, автоматически. Современные биочипы уже могут практически все — за короткое время определять несколько тысяч аллергенов, онкогенов, различных биологически активных веществ и даже генетических дефектов. Они заменяют целые иммунологические лаборатории, в тысячу и десятки тысяч раз увеличивают производительность большинства диагностических методов. Уже в самое ближайшее время при помощи белковых чипов, несущих молекулы, чувствительные к различным низкомолекулярным соединениям, можно будет определять наличие широкого спектра лекарственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов, пестицидов практически в любом анализируемом материале. Являясь биочипами процедурного типа, в том смысле, что результат анализа на их основе получается после совершения необходимого набора определенных процедур, все это они могут или смогут делать пока только за пределами организма, обследуемого человека. Но это пока. Открытие фуллеренов сказочно расширяет возможности биочипов не только процедурного типа, но и на основе других принципов, например, прямого анализа, причем даже с исключением из них ферментной основы.

Появляется возможность их имплантации в организм человека и животных. Это позволит врачам контролировать и своевременно корректировать физико-химические характеристики внутренних органов и сред организма. Возможно, отпадет необходимость в специалистах-терапевтах клинического звена, ведь появится возможность сразу, не доводя дело до развития болезни, устранять ее причину. Например, биочип, анализирующий и нормализующий содержание холестерина в крови, может существенно сократить "фронт работ" кардиологов. То есть нет повышенного холестерина — нет ишемической болезни сердца — нет инфаркта миокарда. Своевременная информация о заражении инфекционными и инвазионными болезнями позволит не только успешно лечить их, не допуская развития хронических патологий (ВИЧ, гепатит С, малярия), но и сведет эпидемический процесс на нет. Возможно применение нанотехнологий в травматологии, что позволит ускорить заживление ран и ушибов мягких тканий, переломов костей. Не об этом ли говорили и мечтали столпы медицины прошлого?

Петр Ростин