Раневой процесс: нанобиотехнологии оптимизации - Коллектив авторов

В мировой литературе в настоящее время серьезное внимание уделяется развитию и внедрению наноразмерных объектов и частиц, размеры которых находятся в пределах приблизительно от 1 до 100 нм. Современная тенденция к миниатюризации позволила выявить, что вещества, использующиеся в данном диапазоне, способны приобретать ранее не установленные свойства. Показано, что материалы, созданные на основе наночастиц, могут найти и уже находят применение в различных областях научного знания, в том числе и медицине (Алфимов М. В., Разумов В. Ф., 2007; Balshaw D. M., 2005; Borm P. J., 2006).

Поскольку вещество в виде наночастиц обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в виде макроскопических дисперсий или сплошных фаз, наноматериалы представляют собой уникальный класс веществ, на основе которых возможно создание новых фармакологически активных препаратов (Тюнин М. А., 2009).

Многие авторы первое упоминание методов, которые впоследствии были названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением в 1959 г. Ричарда Фейнмана «В том мире полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom») в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Р. Фейнман предположил, что механически возможно перемещать одиночные атомы. По крайней мере, такой процесс, по его мнению, не противоречил бы известным на тот день физическим законам. Им также было высказано следующее предположение: «По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов».

Впервые термин «нанотехнология» употребил в 1974 г. Норио Танигучи, профессор Токийского университета (Taniguchi N., 1974). Этим термином он назвал процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой. В 1980-е гг. данный термин в своих книгах использовал Эрик К. Дрекслер («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology» & «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation»). Центральное место в исследованиях К. Дрекслера занимали математические расчеты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

В дальнейшем последовал ряд открытий, связанных с наночастицами углерода. В частности, в 1985 г. – открытие фуллерена С60 (H. Kroto (Англия), J. Hit, S. O’Brien, R. Curl, R. Smalley (США)),отмеченное Нобелевской премией по химии (1996 г.). В 1991 г. японский профессор Сумио Лиджима использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм (рис. 1). В начале нового века – открытие графена (англ. graphene), который можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла (А. К. Гейм и К. С. Новоселов – Нобелевская премия по физике, 2010 г.) (рис. 2). Как оказалось, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Рис. 1. Углеродная нанотрубка

Рис. 2. Гексагональная кристаллическая решетка графена

Перспективность и необходимость изучения и развития нанотехнологий в России закреплены на законодательном уровне. В соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 г. № 1662-р (ред. от 08.08.2009 г.) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» в ближайшее десятилетие ожидается переход развитых стран к формированию новой технологической базы экономических систем, основанной на использовании новейших достижений в области биотехнологий, информатики и нанотехнологий, в том числе в здравоохранении и других сферах.

Для России наличие научно-исследовательского потенциала и высокотехнологичных производств может создать условия для обеспечения технологического лидерства по ряду важнейших направлений, формирования комплекса высокотехнологичных отраслей и расширения позиций на мировых рынках наукоемкой продукции, увеличения стратегического присутствия России на рынках высокотехнологичной продукции и интеллектуальных услуг и пр.

В то же время отставание в развитии новых технологий последнего поколения может снизить конкурентоспособность российской экономики, а также повысить ее уязвимость в условиях нарастающего геополитического соперничества.

На 2013 – 2020 гг. запланирован рывок в повышении глобальной конкурентоспособности российской экономики на основе ее перехода на новую технологическую базу (информационные, био- и нанотехнологии), улучшения качества человеческого потенциала и социальной среды, структурной диверсификации экономики.

Интенсивное технологическое обновление всех базовых секторов экономики, опирающееся уже на новые информационные нанои биотехнологии, является важнейшим условием успеха инновационного социально ориентированного развития и успеха страны в глобальной конкуренции.

Термин «нанотехнологии» введен в практику федеральных нормативных документов РФ с марта 2002 г. (Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года). Нанотехнологией принято считать совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании, производстве и применении наноструктур, устройств и систем, интеграции и взаимодействии составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше). Объектами нанотехнологий могут быть непосредственно низкоразмерные структуры – наноэлементы с характерными размерами как минимум по одному измерению (наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), отдельные элементы устройств и систем. При этом под устройствами или системами, изготовленными с использованием нанотехнологий, понимаются такие, в которых даже один компонент является объектом нанотехнологий.

В повседневную практику в настоящее время входит понятие «наноматериалы». Наноматериалы представляют собой разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Использование нанотехнологий в биологических системах прежде всего предполагает создание новых биосовместимых наноразмерных материалов и комплексное исследование их биологических свойств. Существенное значение при этом имеют природа наночастиц, а также реализованные механизмы их стабилизации. Использование природных полимеров в качестве наностабилизирующих матриц привело к созданию раздела наноразмерного материаловедения – нанобиокомпозитам (Помогайло А. Д., 2000).

Серьезные достижения последних лет в области молекулярной биологии и патофизиологии позволили более глубоко раскрыть ранее неизвестные механизмы патогенеза воспалительного и, в частности, раневого процесса. Показано, что причиной нарушения регуляции заживления ран, его осложненного течения, перехода ран в разряд долго не заживающих является вторичная альтерация, в основе которой лежит нарушение баланса систем продукции активных форм кислорода и эндогенной антиоксидантной защиты (Толстых М. П., 2002; Shukla A., 1997). В то же время, несмотря на достаточно большое количество известных химических соединений, обладающих антиоксидантными свойствами, арсенал эффективных препаратов для местного лечения ран с такой активностью существенно ограничен (Парамонов Б. А., 2000).

Известно, в частности, использование с этой целью дибунола (Берченко Г. Н., 1997; Шальнев А. Н., 1996), диэтона (Машковский М. Д., 2008), мексидола (Жинко Ю. Н., 1999), á-токоферола (витамин Е), витамина А, желчных кислот, липоевой кислоты (Парамонов Б. А., 2000). Большие перспективы связывают с разработкой антиоксидантов на основе СОД (Зиновьев Е. В., 2003; Клебанов Г. И., 2005). В то же время липофильность некоторых антиоксидантов является их значительным недостатком, так как делает невозможным их применение в первой фазе раневого процесса (Даценко Б. М., 1985; Назаренко Г. И., 2002). В связи с этим предпринимаются попытки создания водорастворимых форм липофильных антиоксидантов, например á-токоферола (Galeano M., 2001).

Использование в лечебных целях антиоксидантов стабилизирует собственную многокомпонентную систему антиоксидантной защиты и тормозит развитие свободнорадикального перекисного окисления липидов, клеточных и капиллярных мембран, предотвращая повреждение клеток и тканей, ограничивая распространение воспалительных изменений и вторичного некроза тканей (Тюнин М. А., 2009). При этом значительно усиливается фагоцитарная активность макрофагов и повышается неспецифический иммунитет (Берченко Г. Н., 1997; Толстых М. П., 2002). Применение антиоксидантов при лечении огнестрельных ран через 1 ч после ранения уменьшает количество иссекаемых тканей при первичной хирургической обработке в 1,3 – 1,85 раза (Шальнев А. Н., 1996).