Биодатчики (биосенсоры)

Принцип работы биодатчика изображен на рисунке 9.1. В качестве вещества, осуществляющего молекулярное распознавание, используются антитела, ДНК, ферменты и некоторые сложные химические соединения. Основной проблемой является быстрая потеря способности биодатчиков к молекулярному распознаванию, сейчас химики успешно продвигаются по пути синтеза «долгоиграющих» молекул. Для увеличения стабильности ферментов на биосенсорах их включают в полимерные или гелевые пленки или же связывают с подложкой ковалентными связями, чем достигается их многократное использование.

Широко используемым практическим достижением микро и нанотехнологии являются «лаборатории на чипе», проводящие экспресс-анализ ДНК и других биомолекул. Такое аналитическое микроустройство на кремниевом или стеклянном чипе потребовало разработки новых методик обработки и передачи информации, а также новых источников питания. На поверхность чипа или наночастиц можно наносить белковые маркеры, комплементарные к определенным вирусам. Когда вирус связывается со «своим» маркером, меняются характеристики наночастицы, что можно зафиксировать за несколько минут анализа. На рисунке 9.2 дана в качестве примера схема детектирования одиночного вируса гриппа. Нанопроволока 2 после обработки способна захватить вирус; 1 - нейтральна к вирусам. При захвате (адсорбции) всего одного вируса фиксируется падение электропроводности нанопроволоки 2, при его десорбции значение электропроводности восстанавливается. Графики на рисунке показывают, как проводимость кремниевых НП приборов реагирует на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса.

Сегодня уже разработаны системы диагностики ВИЧинфекции на шесть порядков точнее традиционных. Новейший сенсор определения глюкозы срабатывает за 12 с. Через 3-5 лет вся процедура анализа крови принципиально изменится и не будет требовать высокой квалификации.

Особо можно выделить такие мультисенсорные системы, как «электронный нос» и «электронный язык», функции которых ясны из их названий [24*, 25*].

В качестве биологических датчиков и экспресс-анализаторов предлагается, в частности, использовать микроорганизмы, управляемые электрическим полем.

В последние годы ряд биосенсоров созданы на углеродных нанотрубках. Фотонный кристалл на поверхности «умной» чашки Петри позволяет фиксировать изменения в рассеянии света, вызванные заменой здоровых клеток на раковые или поврежденные токсинами.

Уже упоминалось использование квантовых точек в качестве флюорофоров. Если связать квантовые точки разных размеров (и следовательно, излучающие разные цвета) с маркерами, которые предназначены для определенных мишеней (пептидов, белков, ДНК), то мы получим многоцветное детектирование разных биообъектов (работы Института биоорганической химии РАН). Таким образом, одновременно детектируется много параметров изучаемой биологической системы. Квантовые точки - флюорофоры - стабильны, и в течение ряда дней или даже недель можно следить за эволюцией биосистемы.

Разные квантовые точки можно включить в микросферу, которая становится лабораторией на микросфере. Такая структура содержит код быстрого и целевого определения конкретного объекта и применима для диагностики рака и различных воспалительных заболеваний.

Объемные или пленочные наноразмерные датчики могут вводиться внутрь организма или подсоединяться к некоторым органам и вести непрерывный «репортаж» об их состоянии на молекулярном уровне. Информационный терминал, с которого можно считывать информацию, внешне может выглядеть, например, как серьга в ухе.

«Умные» устройства в медицине

Следующим естественным шагом должно быть создание «умных» микро и наноустройств, которые по результатам мониторинга в случае необходимости могут обратиться к врачу или самостоятельно инициировать ввод в организм нужных препаратов.

Прогнозируется появление в ближайшее время медицинского устройства размером с почтовую марку. Наложенное на рану, оно будет самостоятельно делать анализ крови, определять необходимые медикаменты и впрыскивать их.

Изготовлен чип, в котором используются живые клетки печени, органа, очень чувствительного к ядам и различным вирусам. Чип представляет собой две ультратонкие пластины из кремния, в его микронных ячейках располагаются клетки печени. Через чип циркулирует вода с питательными веществами, и клетки (их около 1,5 млн) через некоторое время самоорганизуются в структуру, характерную для живой печени. Такой чип, в частности, будет использован в оборудовании солдата будущего (см. гл. 11). Получив сигнал о наличии в организме вредных веществ, чип передаст его на медицинский компьютер, и либо солдат (космонавт) примет сам соответствующие меры, либо автоматически ему будут введены нужные лекарства.

Планируется создание персональных нанотерминалов с учетом особенностей ДНК данного человека.

Для развития нанотехнологии исключительно важными оказались результаты огромного международного проекта «Геном человека» (1990-2000), в результате которого удалось найти способ расшифровки генетической информации человека и тем самым открыть путь к созданию лекарств на принципиально иной основе (геномика). В XXI в. лекарства будут выпускаться на основе индивидуальной генной информации буквально для каждого человека («лечение по заказу»). В процессе работы над проектом возник и начал развиваться перспективный раздел - биоинформационная технология, изучающая особенности функционирования белков в живых организмах, механизмы взаимодействия и обмена информацией на молекулярном уровне.

Новые имплантаты

Создание чипов, комбинирующих неорганические вещества и живые клетки, тесно связано с созданием имплантатов таких жизненно важных органов, как печень или поджелудочная железа.

Искусственная поджелудочная железа размером в половину однокопеечной монеты уже успешно испытана на крысах, страдавших диабетом.

Несколько лет назад была разработана методика восстановления хрящевой ткани без донорных клеток больного. Специальный гель, содержащий хрящевые клетки, с помощью артроскопа можно вводить через небольшие наружные надрезы. Новая ткань растет и интегрируется с нормальным хрящом, а гель саморазрушается через запрограммированный промежуток времени. Основу геля составляют пептиды, способные формировать витые волокна всего 10-20 нм в диаметре. Искусственная природа этих наночастиц исключает возможность заражения пациента.

Другой пример методики, находящейся на грани нано и биотехнологии, - создание искусственной работоспособной сосудистой системы. Искусственная кожа и хрящи уже успешно работают, но полноценный искусственный орган, такой как печень или почки, нельзя создать без развитой сложной системы кровоснабжения. Сеть артериальных и венозных капилляров диаметром от 10 мкм до 3 мм была выгравирована на кремниевой пластине, имеющей размер в поперечнике 15 см. Была создана зеркальная копия этой структуры, затем их сложили, введя внутрь биоразрушающийся полимер. Между слоями разместили микропористый мембранный слой, через который с одной стороны ввели клетки эндотелия, с другой - клетки ткани печени (почек). Клетки эндотелия выстелили внутреннюю поверхность сосудов, а биоразрушающийся полимер распался. Первые эксперименты на свиньях и кроликах оказались успешными.

Активно разрабатывается проект «искусственной сетчатки» глаза, в которой используются биологически совместимые НЭМС и МЭМС имплантаты. На линзе очков установлена миниатюрная камера, передающая изображение на микропроцессор, находящийся в дужке очков. Микропроцессор превращает сигнал с камеры в набор электрических импульсов и передает их с помощью вмонтированной в линзу очков радиоантенны. Принимающая антенна расположена вокруг радужной оболочки глаза. Она связана с крохотным имплантатом, который электродами соединен с глазным нервом. С помощью имплантата и происходит передача сигнала в мозг пациента.

Среди потребителей первых шести моделей - человек, который был слеп 50 лет. В клиническую практику усовершенствованную «искусственную сетчатку» предполагали ввести в 2007 г.

Разработаны нанопокрытия имплантатов, позволяющие живым клеткам расти быстрее. В будущем имплантаты станут самолечащимися. Они будут иметь покрытие из наносенсоров, которые смогут идентифицировать конкретный вид микробов, выделить из своего резервуара нужное количество определенного препарата и затем с помощью тех же сенсоров проконтролировать эффективность лечения. Правда, появление первых «интеллектуальных» имплантатов ожидается только лет через десять.