Нанотехнологии в биологии

Нанобиотехнологии -это раздел в нанотехнологиях, посвященный изучению воздействия нано-частиц на живые системы, а также разработке способов применения биологических наноструктур в медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях экономики.

В настоящее время оформились два направления в создании и  развитии биотехнологий. Первое направление рассматривает создание новых материалов, биосенсоров, биоэлектронных устройств, наномашин с биологическими компонентами, биороботов для внутриклеточных манипуляций и доставки веществ (гормонов, ферментов и др.) внутрь клетки. Второе направление предполагает разработку методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, технических материалов и интерфейсов в мир биосистем с целью их инструментального исследования, диагностики состояния (норма, предпатология, патология) и лечения заболеваний.

1 картинка

Новые методы и оборудование

биореактор для выращивания клеток и тканей, мультифункциональный биохимический анализатор, автоматический секвенатор

 

2 картинка

Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

3 картинка

Идёт преобразование живого на всех уровнях, начиная с ноночастиц на основе вирусов, заканчивая человеком и животными нового поколения

4 картинка

БИОМОЛЕКУЛЫ

5 картинка

Биомолекулы — это органические вещества, которые синтезируются живыми организмами. В состав биомолекул включают белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, а также более мелкие компонентыобмена веществ. Биомолекулы состоят из атомов углерода, водорода, азота, кислорода, а также фосфораи серы.                                                                    6 картинка

Искусственные бтомолекулы, обратите внимание на их конструкцию, перед вами Наноантитело –флуоресцентный белок, Липид –полимер –Флуоресцеин, Молекулярная

ДНК-конструкция

 

 

 

7 картинка

Разработаны многофункциональные, или так называемые динамические наноплатформы (наносомы), и текто-дендримеры, состоящие из соединяемых друг с другом наномодулей, каждый из которых выполняет определенную функцию. Одни наночастицы могут нести лекарственные вещества, другие — молекулы узнавания и адресной доставки, третьи наноструктуры в составе наносомы могут выполнять роль биосенсоров

 

8 картинка

Переходя к рассмотрению перспектив создания иммунобиопрепаратов нового поколения, необходимо указать, что одной из основных задач современной биологии и медицины является более успешная борьба с продолжающими ускоряющее шествие по планете раковыми заболеваниями

9 картинка

Датские ученые перешли к конструированию трехмерных объектов и создали настоящую наношкатулку. Собирают эту конструкцию из одной длинной молекулы ДНК, которую скрепляют при помощи коротких синтетических олигонуклеотидов, придавая желаемую форму. Особый шик шкатулке придает нанозамочек. Он представляет собой два комплементарных фрагмента ДНК. Первая половина замочка связана с крышкой, вторая – со стенкой шкатулки. В мечтах они уже поместили в наношкатулку и рибосомы, и ферменты, и вирусы. 

10 картинка

ВИРУСЫ

 

 

11 картинка

В журнале Science, опубликован отчет нескольких ученых, которым удалось синтезировать вирус полиомиелита. Необходимые цепочки генов были заказаны по почте, а инструкции по их соединению, как утверждают исследователи, были скачены из интернета. Полиомиелит - острое инфекционное заболевание, обусловленное поражением серого вещества спинного мозга. "Рукотворный" вирус полиомелита оказался совершенно идентичен своему естественному аналогу. В доказательство ученые заразили искусственным вирусом нескольких мышей. Вскоре их парализовало, и животные умерли. В ответ на замечания, что результатами таких исследований могут воспользоваться террористы, ученые говорят, что пока только очень ограниченное число людей обладают достаточными познаниями в этой области. Хотя создать вирус полиомиелита оказалось чрезвычайно просто.

 

12 картинка

 

Искусственные вирусы для лечения  и диагностики 

• (a) – изменение или полная замена вирусной ДНК/РНК с целью удаления «болезнетворных» генов вируса и внедрения в него «полезных генов»;

• (b) – введение в вирус лекарственных веществ и наночастиц для терапии и диагностики;

• (c) – изменение липидной оболочки вируса;

• (d) – привязка к вирусу лигандов направленной

 

13 картинка

КЛЕТКА

 

14 картинка

 

На пути к искусственной  клетке.  В 2010 году ученым удалось  синтезировать искусственный геном  и пересадить его в чужеродную бактерию, получив при этом полноценную  «синтетическую клетку», управляемую  только этим геномом. Полученный «франкенштейн» ожил, стал размножаться и вообще повел себя как обычная бактерия Mycoplasma .Первые искусственные клетки нашли применение в процессе гемоперфузии  –эффективной очистки крови от содержащихся в ней токсинов. Такие клетки представляют собой частицы активированного угля, заключенные в полимерную полупроницаемую  оболочку толщиной около 500Å.

15 картинка

Искусственная клетка от природной отличается одним геном.

Синтетический геном искусственных  клеток содержит фермент, окрашивающий клетки (А). Природные клетки не содержат такой фермент (В)

 

16 картинка

Много внимания уделяется  фосфолипидным наночастицам - липо-сомам как переносчикам лекарственных средств к клеткам-мишеням. Липосомы - это везикулы (пузырьки), образующиеся из фосфолипидов и предназначенные для направленного транспорта веществ. Диаметр «одно-стенных» липосом составляет обычно от 20 до нескольких сотен нанометров. Внутри липосомы находится водный раствор и содержится лекарственное вещество или, например, молекула ДНК в случае генной терапии. Ученые продолжают совершенствовать липосомы, делая их поверхность сильно гидрофильной, в результате чего повышается время существования липосомы в кровотоке.

 

 

 

17 картинка

 

Клетка, подключенная к электронной микросхеме. На этих фотографиях показаны:

1)Нейрон крысы, выращенный на электронной микросхеме и контактирующий с ней посредством электрических импульсов,

2)Группа нейронов улитки на электронной микросхеме

 

18 картинка

Кремниевые нанопровода (нано-стержни, или квантовые провода), которые являются следующим этапом развития кремниевой электроники. Как и нанотрубки, нанопровода могут образовывать сложные конфигурации из сверхмалых транзисторов, но они не обладают сверхвысокой прочностью нанотрубок. Нанопровода могут образовывать сложные системы с другими материалами. Однако кремний – не единственный материал, пригодный для создания нанопроводов. Для разных целей могут применяться металлические или многослойные нанопровода из золота, меди или марганца. Нанопровода диаметром 12 нм можно использовать для оптических и электромагнитных систем, включая сенсоры и солнечные батареи.

 

19 картинка

Кремниевый чип с электродами, размером с таблетку, был вживлен  в моторную часть коры пациентки, у которой из-за инсульта в спинном  мозге развилась тетраплегия - неспособность мозга посылать сигналы ни конечностям, ни голосовым связкам. Через 1000 дней после вживления электрода ученые провели ряд тестов, чтобы оценить его функционирование. Женщина выполнила ряд заданий, в которых нужно было навести курсор мышки и кликнуть по некоторому объекту при помощи воображаемых движений своей руки. Успешность выполнения заданий составила 91%.

 

20 картинка

 

ТКАНИ И ОРГАНЫ

21 картинка

Тканевая инженерия — создание новых тканей и органов для терапевтической реконструкции поврежденного органа посредством доставки в нужную область опорных структур, клеток, молекулярных и механических сигналов для регенерации. Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей. Целью тканевой инженерии является восстановление биологических (метаболических) функций, т. е. регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

22 картинка

Исскуственное лёгкое

Особое внимание следует  уделить клиническим аспектам применения полимерных материалов и устройств, которые могут быть с успехом использованы для создания органов, выполняющих роль биологических фильтров. Это позволит в перспективе уменьшить зависимость больных от острого дефицита донорских органов. Значительный интерес представляют искусственные мембраны, которые смогут применяться для фильтрации и очистки жидкостей организма от вредных веществ и вирусов, а также для выделения и очистки биологически активных веществ.

Процесссозданияискусственноголегкого:

A.Очищениелегочнойтканиотфункциональныхлегочныхклеток;В.Бесклеточныйкаркаспослеочищения;С.Выращиваниевбиореактореновыхтканейнакаркасе;D.После4-8часоввреакторетканьготовакимплантациирецепиенту(Е).

 

 

23 картинка

Искусственная печень.

1. Камера для перфузии культивируемого  органа 

2. Перистальтический насос 

3. Оксигенатор

4. Система трубочек 

 

24 картинка

Искусственное сердце

Перед вами :

Засев полученного каркаса сердца новыми клетками, Очищение от клеток сердца крысы-донора.

25картинка

Наноинженерные каркасы органов

Внутренняя наноструктура биополимерных каркасов, Биополимерный каркас клапана сердца для тканевой инженерии

26 картинка

Наноинженерные каркасы, «засеянные» клетками

27 картинка

Учёные из университета Гранады успешно испытали кожу-имплантат, выращенную на основе арагозо-фибринного биоматериала при помощи современных методов тканевой инженерии.

При создании кожи использовался человеческий фибрин из плазмы здоровых доноров. Затем была добавлены транексамовая кислота .Также для получения биоматериала исследователи позаимствовали небольшие фрагменты человеческой кожи, проведя биопсию пациентам отделения пластической хирургии (разумеется, с их согласия). После анализа развития культуры в лабораторных условиях учёные провели «контроль качества» путём прививания тканей на спины обритых мышей.

28 картинка

Ученые разработали метод  получения искусственных кровеносных  сосудов, пересадка которых пациенту не приводит к их отторжению иммунной системой и может быть проведена  в любое время без долговременной подготовки к операции. В настоящее  время в этих целях используются собственные сосуды пациента, извлеченные  из других частей тела, например, ног.  
 
Для этого ученые использовали полимерные заготовки с необходимой толщиной стенки, внутренним диаметром и длиной, применив в качестве материала биоразлагаемый полимер - полигликолевую кислоту. Заготовки помещались в питательную среду, содержащую клетки гладких мышц человеческого организма, взятые у произвольного донора. 
 
В процессе размножения и роста эти клетки выделяют коллаген, который приходит на смену постепенно разлагающемуся полимеру, заменяя собой каркас сосуда. Когда процесс полностью завершен, ученые удаляют клетки с помощью специальной процедуры и в итоге получают сосуд, изготовленный из биополимера "человеческого происхождения". 
Наиболее важно то, что заранее заготовленные сосуды могут храниться в клинике в течение года. Это означает, что в случае экстренной необходимости у хирургов всегда будет под рукой необходимое количество разных типов сосудов для пересадки 

29 картинка 

Преимущество нового метода в том, что такая основа вообще не требуется — форму сосуда, кусочка печени или сердечной мышцы задаёт сам принтер. А ведь любой «каркас» для клеток, попавший в организм в составе имплантата, это потенциальный инициатор воспаления.

Сначала специальное  устройство нарезает заранее культивированную ткань (не являющуюся, однако, органом) или, точнее, плотную клеточную суспензию  на микроскопические цилиндрики с соотношением диаметра и длины 1 : 1 .Далее цилиндрики эти скругляют в питательной среде, формируя микросферы – «биочернила». Диаметр её составляет 500 микрометров. Оранжевый цвет ей придаёт специальный краситель, введённый в мембраны клеток . 
Картридж принтера содержит микропипетки, заполняемые такими микросферами одна за другой. Трёхмерный принтер может по очереди выдавать эти шарики (учёные также называют их «сфероиды») с микронной точностью. Микропипетки и область работы печатающей головки исследователи могут наблюдать в реальном времени при помощи камер, встроенных в принтер. Важную роль играет скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Он нужен будущему органу, чтобы сохранить свою форму до того момента, когда целевые клетки срастутся между собой.

Нанесённые вперемешку с гелем сфероиды (с тысячами клеток каждый) постепенно объединяются в нужную ткань, гель же удаляется 

 

30 картинка

 На сегодняшний день ученые во всем мире разрабатывают несколько видов имплантатов, в теории способных вернуть зрение, утерянное в результате дегенеративных болезней или происшествий. В одних случаях биологи экспериментируют со стволовыми клетками или отдельными клетками сетчатки, в других - физики и биотехнологи пытаются приспособить различные электронные приборы к работе с мозгом человека и животных. Но до сих пор ни в одном исследовании не было достигнуто существенных успехов.

 

31 картинка

Называется такой искусственный  глаз бионическим, и состоит он из видеокамеры и процессора. Видеокамера вставляется в глазницу, а процессор помещается за ухо. Электроды процессора вживляются за ухом так, что раздражают рецепторы в мозгу человека и человек начинает видеть. 
 
На настоящий момент учёные-офтальмологи не могут осуществить пересадку целого настоящего глаза слепым пациентам, так как сосуды и нервы этого органа настолько микроскопичны, что на сегодняшний день не представляется возможным их соединить.  

32 картинка

Как видит искусственный  глаз.

33 катринка

Искусственная рука, протез руки мысленно управляемый  пациентом