Рис.  Умное трико для военных, спортсменов и медиков

Новая одежда будет также использоваться в мирных отраслях, например, в медицине. Тут «умное» нижнее белье само проверит состояние больного и вовремя сделает необходимые инъекции. Это будет хорошим решением для больных диабетом, которым необходимо делать постоянные инъекции.

Исследователи из другой группы в университете Беркли, США, заняты еще одной проблемой  одежды нового тысячелетия. Это проблема хранения и передачи данных от одежды к персональным компьютерам их хозяев. Например, Electronics Group создает матрицы транзисторов, которые будут составлять ткань одежды. Затем при необходимости матрицы будут организовываться в структуры хранения или передачи данных. Таким образом, одежда будет представлять собой целую компьютерную сеть, которая сможет легко взаимодействовать с локальными сетями и Интернетом с помощью беспроводных технологий.

Рис. Матрица  «транзисторной» ткани на основе алюминиевых волокон

Исследователи использовали новый подход для интеграции транзисторов в ткань. Они изготовили ряд тонких алюминиевых нитей, покрытых специальным материалом. Далее исследователи  совместили несколько слоев хлопка и матрицы нитей, получив ткань, состоящую из миллиона транзисторов. Правда, для массового выпуска такой одежды необходимо разработать дешевый способ ее производства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.1 Микрофагоциты: искусственные иммунные клетки

  Респироциты – искусственные красные клетки крови – один из ответов на этот вопрос. Их функциональность во много раз превосходит существующие эритроциты: это и возможность переносить больше кислорода, чем природный аналог, и высокая долговечность, и возможность перепрограммирования (что вообще в данное время не может реализовать биотехнология), и высокое быстродействие. В живых системах быстродействие играет основную роль. Наномедицина предлагает мощные инструменты для борьбы с человеческими заболеваниями и для потенциального улучшения человеческого организма. Выполненные из алмазоида медицинские нанороботы могут внести улучшения возможностей нашего организма выше природных. Клоттоциты, например, заменяя «родные» человеческие тромбоциты достигают прекращения кровотечения (искусственный быстродействующий гемостазис) за 1 секунду, причем кровотечение может быть довольно обширным (физическое повреждение тканей) или небольшим внутренним. При этом концентрация искусственных тромбоцитов меньше натуральных в 100 раз. То есть, клоттоциты в 10000 раз эффективней природного аналога, т.к. время нормального тромбогенеза колеблется от 5 до 17 минут.

Еще одно составляющее «механизированной крови» – механических фагоцитов или микрофагоцитов. На самом деле, микрофагоцитами можно назвать целый класс нанофагоцитов. Различные представители этого класса выполняли бы различные функции в организме – от линии первого реагирования в крови (внутривенные) до внутритканевых и внутрицереброспинных. Но общая цель подобных устройств – уничтожение микробиологических патогенов, найденных в организме человека, используя метод «перевари-и-выброси».

Сепсис, известный также как заражение  крови – это наличие в крови патогенных микроорганизмов. Если размножение микроорганизмов не контролировать, то инфекция будет прогрессировать. Бактеремия – наличие бактерий в кровеносной системе человека. Хоть в крови и много веществ, которыми могут питаться бактерии, однако кровь обычно не содержит микроорганизмов (бактерий). Основная противомикробная защита кровеносной системы – циркулирующие нейтрофилы и моноциты (белые кровяные тельца), способные к фагоцитозу (захвату и перевариванию других клеток) и продукции иммуноглобулина, формируя иммунный ответ.

Однако, несмотря на это, в кровеносной системе  человека может присутствовать небольшое  количество бактерий. Чистка зубов, например, вызывает небольшое их движение в гнездах, что приводит к попаданию микроорганизмов, находящихся в ротовой полости, в кровеносную систему. Бактерии также могут попадать в кровь через раны на коже, деснах, языке. Бактерии также попадают в кровь в течении хирургических операций, лечения зубов, а также после инъекций, цитоскопии, анализа крови и даже при замене клапана сердца на искусственный. Эти бактерии обычно уничтожаются лейкоцитами (а также ретикулоэндотелиальными фагоцитами печени, легких и лимфатической системы). Однако некоторое количество вирулентных (вредных для человека, смертоносных) бактерий все же могут обойти естественную защиту. Центр Здравоохранения утверждает, что около ~25,000 граждан США ежегодно умирают от бактериального сепсиса. В настоящее время используют ряд антибиотиков для подавления сепсиса, принимая их в количестве нескольких миллиграмм в день. Такой метод лечения длится иногда недели или даже месяцы для того, чтобы уничтожить патогенные бактерии, такие, как, например, Pseudomonas aeruginosa или Salmonella.

Комплекс  наноустройств, способный быстро очищать  кровь человека от патогенов при  сравнительно небольшой концентрации нанороботов, был бы желательным  дополнением в современном терапевтическом  арсенале. Такой робот назовем микрофагоцитом, или искусственным механическим белым кровяным телом.

Микрофагоцит – это сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно расположенных атомов, плюс около 150 биллионов молекул газа или воды, когда резервуары устройства будут заполнены. Размеры наноробота – 3.4 мкм в диаметре вдоль главной оси, и 2.0 мкм вдоль оси, перпендикулярной к главной. Такие размеры дают наноустройству возможность беспрепятственно проникать в мельчайшие капилляры, диаметр которых ~4 мкм. Его сравнительно большой для наноустройства объем (12.1056 мкм³) дает возможность разместить внутри наноробота два пустых внутренних резервуара объемом 4 мкм³. Наноустройство потребляет 100–200 пВт (пикоВатт) мощности при работе и может полностью «переварить» микробов, находящихся во внутреннем резервуаре наноустройства со скоростью 2 мкм³ за 30-секундный цикл. Как и в предыдущих проектах нанороботов (прим. перев. – проектах Роберта Фрайтаса), для того, чтобы гарантировать надежную работу наноустройства, микрофагоцит спроектирован с десятикратным запасом по всем основным характеристикам, исключая большие пассивные структурные элементы (такие, например, как корпус). Масса «пустого» устройства – 12.2 пикограмм.

Рис. Предполагаемый вид микрофагоцита (взято из аномедицинской Галереи Института Предвиденья), автор: Vik Olliver 

В течение  каждого цикла операций, выполняемых  устройством, патогенная бактерия прилипает  к поверхности наноробота, как  муха на липкую ленту, благодаря специальным  обратимым «присоединительным гнездам» . Затем телескопические наноманипуляторы, изготовленные по примеру «руки робота», выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и, достигнув жесткого прикрепления к мембране бактерии, транспортируют микроорганизм к входному порту на передней части устройства, где бактерия оказывается в умертвительном резервуаре объемом 2 мкм³. После интенсивного механического перемалывания бактерии (или бактерий) органические остатки выдавливаются специальным поршнем в «дигестальный» резервуар объемом 2 мкм³, где остатки перевариваются с помощью запрограммированной последовательности 40 специально сконструированных энзимов, которые сменяются около шести раз. В результате полученные остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека. Далее они выбрасываются в кровеносную систему пациента. Все эти операции происходят в течение 30-секундного цикла.

Рис. Микрофагоцит, захватывающий бактерию для фагоцитоза (взято из Наномедицинской Галереи Института Предвиденья), автор: Forrest Bishop 
 
 

Этот  протокол, названный автором «перевари-и-выброси», практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище – продукты механических микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ. Например, всем известные макрофаги после фагоцитоза патогенных микроорганизмов выбрасывают в кровь биологически активные вещества, в то время как продукты фагоцитоза микрофагоцитов будут биологически неактивными и не представляющими угрозу для человека.

Обычные фагоциты больше по объему в 100–1000 раз, чем искусственные, при этом они  потребляют на фагоцитоз столько же энергии. Например, изменение теплоэнергии от обычных человеческих нейтрофилов при фагоцитозе составляет 19 пикоВатт. Это число растет с увеличением частиц, которые захвачены фагоцитом. Т-лимфоцит объемом около 400 мкм³ при иммунном ответе потребляет ~45 пикоВатт.

Захват  микроорганизмов натуральными фагоцитами длится недолго – порядка нескольких минут; зато полный цикл переваривания и экскреции может длиться часами. В то время как макрофаги могут захватить и переварить около ~25% их объема в час, механические микрофагоциты могут обработать ~2000% своего объема в час. Это значит, что механические фагоциты эффективнее обычных в ~80 раз. Другими словами, аналогичный объем нанороботов может переварить патогенные бактерии в 80 раз быстрее натуральных фагоцитов.

Жизненный цикл многих естественных фагоцитов (например, нейтрофилов), колеблется от нескольких часов в крови или нескольких дней в тканях. В одном эксперименте 1–100 патогенов S. aureus или S. faecalis bacteria были помещены к отдельному нейтрофилу, который уничтожил большую их часть при такой высокой концентрации. При повышении концентрации патогенов (100:1) нейтрофилы могли уничтожить около 9 S. aureus bacteria за цикл фагоцитоза, в то время как нейтрофилы при хроническом заболевании грануломатозе могут уничтожить около 14 S. faecalis bacteria за цикл фагоцитоза. Для сравнения, один механический микрофагоцит может уничтожить до ~3000 микроорганизмов P. aeruginosa bacteria в день, при этом жизненный цикл механических устройств практически не ограничен.

Рис. Микрофагоцит по сравнению с эритроцитом (взято  из Наномедицинской Галереи Института  Предвиденья), автор: Forrest Bishop 
 
 
 
 

В более  детальном описании микрофагоцитов представлена простая математическая модель фармакокинетических свойств  определенной дозы устройств, инъектированных в человеческую кровеносную систему. Результаты математической модели были следующими: при терапевтической дозе наноустройств в 1-теработ (1012 устройств) можно устранить легкую бактеремию (0.1×106 патогенных единиц (ПЕ) на 1 мл) от 5.4×108 ПЕ в кровеносной системе человека, до <1 ПЕ за 460–5400 секунд (8–90 мин), если при этом необходимо 1–10 столкновений бактерии с микрофагоцитом для достижения «прилипания» патогена к поверхности наноробота.

Средняя бактеремия (100×106 ПЕ/мл) будет устранена за 620–7300 сек (10–120 мин). При этом необходимо заметить, что 1-теработ внутривенная доза ( ~ 12 см³ инъекция) микрофагоцитов, составит концентрацию наноустройств в крови взрослого человека (нанокрит) Nнанокрит ~ 0.2%, выделяя тепловой энергии около 100–200 Вт, что составляет максимальную терапевтическую дозу по теплогенному действию на организм для медицинских наноустройств.

В то время  как микрофагоциты могут полностью  устранить сепсис за минуты или часы, естественные защиты организма (даже подкрепленные антибиотиками) могут достичь того же результата за недели или даже месяцы. Поэтому иммунитет, построенный на микрофагоцитах, будет в ~1000 более быстродействующим, чем естественные защиты.

Еще одно полезное сравнение: многие антибактериальные агенты (например, против E. coli) могут повысить LD50 этого патогена ~500-раз, используя антибиотики или ~850-раз, используя антитела. Например, LD50 млекопитающих для E. coli составляет ~0.1–1×106 ПЕ/мл, а в присутствии антибиотиков это число возрастает до ~108 ПЕ/мл. Используя 1-теработ терапевтическую дозу микрофагоцитов, даже такая высокая концентрация бактерий в кровеносной системе, как ~1011 ПЕ/мл (~20% крови при этом будет заражено микроорганизмами объемом ~2 мкм³), может контролироваться микрофагоцитами, что дает суммарную эффективность в ~1000 раз перед естественными фагоцитами. И эта эффективность будет достигнута с помощью наномедицины.

С минимальными дополнениями к конструкции микрофагоцит может быть использован для лечения  боевой токсемии – распространения в человеческом теле патогенов, вырабатываемых бактериями. Например, у подопытных обезьян наблюдался септический шок с использованием бактерии E. coli с концентрацией 425×106 ПЕ/мл. При этом концентрация патогенного бактериального липополисахарида (ЛПС) в их крови выросла от 0.076 нанограмм/мл (нормальное количество) до максимальной концентрации 1.130 нг/мл. При проведении другого исследования, уровень эндотоксина, в течение бактериальной инфекции, вырос от 0.2 до 2 нг/мл в крови подопытной свиньи. Для устранения ~2 нг/мл ЛПС эндотоксина из крови, необходимо изолирование и энзимная переработка ~8×1014 ЛПС молекул из кровяного объема в ~5400 см3, или около ~800 ЛПС молекул на 1 наноустройство, предполагая терапевтическую дозу в 1 теработ модифицированных нанофагоцитов..