Технологии будущего

Громко стартанув в 2009 году, программа нанотехнологического развития страны тихо почила в бозе. СМИ больше не пестрят заметками о победах Роснано и выпускаемой ими нанопродукции. Между тем ниву нанотехнологий продолжают терпеливо вспахивать в академических институтах обычные ученые за малые деньги. Только в Институте теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН, что в подмосковном Пущино, с которым мне приходится тесно сотрудничать, есть несколько нанотехнологических проектов для биологии и медицины.

Один из самых известных ИТЭБовских проектов последних лет — нанофильтры. Их изобрел доктор физико-математических наук Виктор Морозов, руководитель лаборатории наноструктур и нанотехнологий. Нанофильтры представляют собой тончайшую капроновую паутину, созданную методом электропрядения. Изначально такие фильтры придумали делать в американском атомном проекте, чтобы улавливать радиоактивные частицы из воздуха.

Работая в США в течение 12 лет, Виктор Морозов усовершенствовал эту технологию и собственноручно сделал установку для производства нанофильтров [1]. Полимерные волокна, из которых они состоят, в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса. Тем не менее фильтр способен задерживать наноаэрозоли и бактерии. Его можно использовать для анализа воздуха, к примеру, в самолетах, летящих из зон эпидемий; в метро; в тюрьмах, где распространен туберкулез.

При поддержке Фонда содействия инновациям ученый запустил стартап для производства носовых фильтров, где используется его разработка. Нанофильтры Морозова легли в основу устройства для сбора выдыхаемого воздуха. В выдыхаемом воздухе всегда содержится какое-то количество микрокапелек легочной жидкости [2]. Если ее собрать и проанализировать, то можно выявить, к примеру, мельчайшие концентрации биомаркеров туберкулезной микобактерии.

Другое перспективное направление, разрабатываемое в лаборатории Виктора Морозова, — наноаэрозоли. Вещества в форме наноаэрозолей удивительны тем, что они действуют при концентрациях в сотни и тысячи раз меньших, чем, допустим, их концентрации в таблетках. Создать установку для распыления наноаэрозолей ученым также помог Фонд содействия инновациям, а учрежденная ими компания BioNanoSpray, которая пытается привлечь инвестиции для продвижения наноаэрозолей в медицине, стала резидентом Сколково.

Полезные свойства наночастиц диоксида церия исследуют в лаборатории роста клеток и тканей ИТЭБ РАН под руководством младшего научного сотрудника Антона Попова. Если эти наночастицы особым образом синтезировать, как это умеют делать в Институте общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова, то они становятся биоактивными и приобретают ряд полезных свойств. К примеру, снимают окислительный стресс в культуре стволовых клеток и побуждают их быстрее расти. Антон Попов с коллегами показали это на питательной среде для культур первичных фибробластов, взятых у мышиных эмбрионов [3].

Активность наночастиц CeO₂ проверяли и на живых мышах. Последним делали инъекции золя наночастиц, а затем облучали смертельной дозой рентгеновского излучения [4]. Выживали 60% подопытных животных. Оказалось, что клетки костного мозга у тех мышей, которым ввели наночастицы, лучше сохранялись. Чтобы объяснить механизм действия наночастиц CeO₂, авторы исследования выдвинули три предположения. Согласно одному из них, наночастицы диоксида церия преобразуют свободные радикалы в более безопасные для клеток соединения.

Возможно также, что эти наночастицы поглощают излучение своей поверхностью и снижают вред, наносимый клеткам. Не исключено также, что наночастицы CeO₂ усиливают собственный защитный механизм клетки, который включается после облучения. Эта идея нашла подтверждение в эксперименте: если мышам вводили наночастицы CeO₂ после облучения, выживали 40% подопытных. Ученые предположили, что вещество каким-то образом участвует во внутриклеточных сигнальных путях, приводящих к восстановлению ДНК.

Группа Попова участвовала в исследовании органических наночастиц — углеродных наноточек (у-точек). Углеродные наноточки — это частицы размером 1–100 нанометров, состоящие из атомов углерода. Их получали путем нагрева пищевой лимонной кислоты в расплаве мочевины. У-точки отлично подходят на роль люминесцентных меток. Их изучение вылилось в большой проект при участии ученых из Института микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного НАН (Киев), Института биохимии имени А. В. Палладина НАН (Киев), Физико-химического института имени А. В. Богатского НАН (Одесса), Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова (Москва) и Томского госуниверситета [5].

Задача ученых из Пущино состояла том, чтобы соединить у-точки с микрокапсулами из полиэлектролитов, которые служат средством доставки лекарств в клетку. Микрокапсулы с у-точками добавляли к макрофагам мышей и мезенхимальным стволовым клеткам человека, а затем отслеживали их проникновение. Благодаря у-точкам выяснилось, что отнюдь не все микрокапсулы проникали в клетки.

В крупном международном исследовании кремниевых наночастиц участвует сотрудник лаборатории цитотехнологии и лаборатории тканевой инженерии Андрей Кудрявцев [6]. Идея работы состоит в том, чтобы ввести противоопухолевый препарат в кремниевые наночастицы, завернуть их в термополимер и доставить в опухоль. Метод испытали на культуре клеток, которые после введения наночастиц нагревали до 37 °С. Термополимер плавился и выпускал лекарство из пор кремниевых наночастиц. Таким образом эффективность доставки препарата многократно повышалась. Эксперимент ставили и на мышах с привитой карциномой.

Конечно, многое еще неясно относительно механизмов и последствий воздействия наноаэрозолей и наночастиц на живой организм. Тем не менее некоторые из описанных выше проектов могут быть превращены в технологии уже в обозримом будущем. Что отрадно, наши институты развития готовы их поддерживать. А дальше — слово за бизнесом.

Татьяна Пичугина,
научный журналист

1. Как в Пущино развивают нанотехнологии // «МК» в Серпухове от 25 января 2017.

2. Morozov V. N., and Mikheev A. Y. A collection system for dry solid residues from exhaled breath for analysis via atomic force microscopy // Journal of breath research. 2017. 11 (1): 016006.

3. Popov A. L., et al. Cerium oxide nanoparticles stimulate proliferation of primary mouse embryonic fibroblasts in vitro // Materials Science and Engineering: C. 2016. V. 68. P. 406–413.

4. Popov A., Zaichkina S., Popova N., Rozanova O., Romanchenko S., Smirnov A., Ivanova O., Mironova E., Selezneva I. and Ivanov V. Radioprotective effects of ultra-small citrate-stabilized cerium oxide nanoparticles in vitro and in vivo // RSC Advances. 2016. Is. 108.

5. Zholobak N. M., et al. Facile fabrication of luminescent organic dots by thermolysis of citric acid in urea melt, and their use for cell staining and polyelectrolyte microcapsule labelling // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2016. 7.1. P. 1905–1917.

6. Tamarov K., Xu W., Osminkina L., Zinovyev S., Soininen P., Kudryavtsev A., Gongalsky M., Gaydarova A., Nеrvаnen A., Timoshenko V., Lehto V.-P. Temperature responsive porous silicon nanoparticles for cancer therapy – spatiotemporal triggering through infrared and radiofrequency electromagnetic heating // Journal of Controlled Release. 2016. 241. P. 220–228.