НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Нанонаука и нанотехнология в процессах создания биологических тканей (тканевая инженерия)

Д. Дж. Одде[55]

Одним из перспективных направлений исследований в области нанотехноло­гий является изучение строения и механизмов работы живых клеток, размеры которых лежат между -10 мкм (типичные размеры крупных живых клеток) и
~ 5 нм (белковые молекулы). Успехи в исследовании поведения клеток позво­ляют вести работы по созданию искусственных биологических тканей, кото­рые представляют собой искусственные конструкции, образованные клетка­ми и входящими в их состав молекулами. Такие конструкции предназначены для того, чтобы компенсировать утраченные организмом функции. В настоя­щее время коммерческие предприятия затрачивают на исследования, разра­ботку, производство и маркетинг таких тканей около 500 млн. долл. в год. В 1998 г. два первых продукта тканевой инженерии прошли аттестацию Уп­равления по пищевым и лекарственным препаратам и поступили в продажу [5]. Оба продукта представляют собой заменители кожной ткани. Кроме того, на различных стадиях разработки и клинической проверки находятся много­численные образцы тканей другого типа. Безусловно, что применение разно­образных нанотехнологий в тканевой инженерии облегчит разработку новых видов биологических тканей. В качестве примеров применения нанотехноло­гий в тканевой инженерии здесь представлены четыре работы.

В работе [6] сканирующий зондовый микроскоп использовался для изуче­ния строения белковых молекул в нанометровом масштабе. Исследование по­казало, что они содержат структуры двух типов (внутри - и внеклеточные), свя-

Рис. 8.6. Лазерно-направляемый перенос отдельной клетки спинного мозга вдоль полого оптического во­локна (диаметр клетки 9 мкм, интервал времени меж­ду снимками 300 мс). Лазерное излучение падает слева и придает клетке мощный импульс. Изменяя направ­ление лазерного луча, можно осадить клетки на повер­хности, создав из них требуемую конфигурацию. Ана­логично можно управлять движением субклеточных частиц (-100-500 нм).

Занные трансмембранными рецепторами, что обеспечивает механическую прочность волокон и тканей. В работе [7] изучалось функционирование нано­размерных белковых моторов с использованием «лазерного пинцета» с целью выяснения механизмов сокращения и растяжения мышечной ткани. Далее, проводились работы по изготовлению биоматериалов, наноразмерные харак­теристики которых повторяют свойства некоторых специфических белков [8]. Такие материалы позволят создать высокостабильные биоспецифические по­верхности, которые можно будет применять, например, для долговременной эксплуатации заменителей тканей. И наконец, следует отметить разработку процесса «лазерно-направляемой прямой записи», при котором движение на - но - и микрочастиц (живые клетки, бактерии и частицы коллоидального золо­та размером ~ 100 нм) может управляться оптическими средствами. Частицы в результате могут осаждаться в требуемых точках произвольной трехмерной структуры. На рис. 8.6 показано, как лазерный луч создает стационарный по­ток из отдельных клеток спинного мозга. Этот метод позволяет комбинировать клетки разных типов из разных биоматериалов и создавать произвольные трех­мерные клеточные системы, строение и состав которых близки к строению и составу тканей естественных органов [9, 10].