Гипотетические наноустройства, способные к перемещению в окружающей среде и снабженные бортовой системой управления получили название нанороботов. Они смогут быть использованы для решения огромного количества задач - диагностики и лечения любых болезней, включая старение, перестройки организма человека "по заказу", изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов "Земля - орбита" и, даже, "Земля - Луна", терраформирования других планет и т.д.

     Идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является лауреат Нобелевской премии 1996 г. по химии Ричард Смайли. В ходе ряда дискуссий в печати с Э. Дрекслером Смайли признал некоторые из ранее критиковавшихся им положений молекулярной нанотехнологии; некоторые другие расхождения можно будет, вероятно, разрешить только путем эксперимента.

     Вообще, именно невозможность в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. Нужно сказать, что современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения таких наноустройств может дать только эксперимент.

     Кроме того, что окончательная конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии ее изготовления. Пока не ясно, приведет ли это к серьезным ограничениям.

Нанороботы

     Более сложные устройства могут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, "охота" за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток. Рассмотрим более подробно некоторые проблемы, которые могут встать при конструировании реальных нанороботов и наметим подходы к их решению:

• Энергетика нанороботов. Наноустройства могут использовать для своей работы химическую энергию, запасенную в растворенных в крови глюкозе и кислороде. Также возможна передача энергии от внешнего источника в виде электромагнитного или акустического излучения. Внутри устройства энергия может накапливаться в химической либо в механической форме.
• Управление наноустройством. В качестве систем управления для нанороботов могут быть использованы устройства наноэлектроники такие, как транзисторы на основе отдельных молекул или нанотрубок, возможность изготовления которых сейчас уже успешно продемонстрирована. Но еще большей степени миниатюризации можно достичь, используя чисто механические компоненты.

     Молекулярная нанотехнология может также позволить достичь огромной плотности записи информации. Дрекслер предлагает использовать в качестве ее носителя линейные молекулы частично фторированного полиэтилена - цепочку атомов углерода, с которыми соединены два атома углерода, два атома водорода или по одному атому того и другого. Каждое звено такой цепочки несет чуть больше полутора бит информации (в случае использования только двух типов звеньев - -CH2 - и - СHF - ровно один бит), а полная плотность записи достигнет фантастического значения в ~15 бит/нм³, т.е., ~15Ч1021 бит/см³.

• Связь между нанороботами. В живой природе внутри организма используются в основном химические переносчики информации - цитокины, гормоны, нейропептиды, феромоны. Наноустройства, однако, смогут использовать и более быстрые каналы передачи информации, например, ультразвук, электромагнитное излучение.
• Диагностика. Для диагностики наноустройства могут использовать довольно большое количество разнооб-разных методов:
• измерение макроскопических параметров среды (температуры, давления, вязкости).
• измерение химических параметров (Ph, концентрации кислорода, углекислого газа, наличия антигенов, полинуклеотидов, гормонов, нейротрансмиттеров).
• атомно-силовое сканирование поверхности клетки.
• оптическая микроскопия ближнего поля
• акустическая микроскопия (по принципу эхолокатора; акустического томографа).
• магнито-резонансная томография.
• электромониторинг активности нейронов, мышечных клеток и др.
• химический мониторинг синапсов.

     Можно предположить, что в будущем будут придуманы и другие, еще более эффективные методы диагностики.

     По прогнозам исследовательской корпорации Форрестер [21], в период с 2005 по 2010 г. основное развитие нанотехнологии будет определяться медицинскими предложениями. В этот период медицинские товары приблизят нанотехнологии к рядовому потребителю.

     Потребители нуждаются в совершенствовании диагностики. Работодатели и страховые компании озабочены состоянием здоровья сотрудников, поэтому последние, в свою очередь, нуждаются в более совершенной диагностике и терапии - не только тех болезней, которые у них уже есть, но и тех, к которым они предрасположены.

     Наносенсоры станут звеном перехода к индивидуализированной медицине. Используя свои нанотехнологические средства - GeneEngine - компания Дженомикс из США уже обнаружила вариации генов на цепочках ДНК, это 200000 основных пар в длину. Компания прогнозирует возможность расшифровки всего генома человека, состоящего из 3 млн. пар. При этом будут использоваться возможности индивидуализированной терапии с применением нанотехнологической доставки лекарств (компании БиоСанте Фармасьютиклз или С Сиксти).

     Создание новых линий производства приведет к снижению цен. Сегодня такие компании как Роше Дайагностикс используют технологию цепной реакции полимеразы для диагностики и выявления таких заболеваний как ВИЧ и гепатит. Система диагностики, созданная из нанокристаллов, подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для полупроводниковой промышленности [2].

Наноманипуляторы

     Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

     В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.

     В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.

     Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

     Микро - и наноустройства В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.

     Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

     Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т.д. [1].

Современные перспективы наноустройств в медицине

     Самособирающиеся контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

     Исследователи из медицинского центра Джона Хопкинса разработали самособирающиеся контейнеры кубической формы, по размерам не превышающие пылинку. Такие контейнеры могут служить для доставки лекарств в организме человека. Они являются относительно недорогими, и могут производиться в массовом порядке в процессе, объединяющем технологию изготовления чипов с простой химией. Кроме того, благодаря своей металлической структуре, положение контейнеров внутри тела может отслеживаться с помощью магнитного резонанса.

     Методика создания таких контейнеров, а также результаты успешных лабораторных испытаний были опубликованы в декабрьском выпуске журнала Biomedical Microdevices. В экспериментах контейнеры удерживали и отпускали микрокапли веществ и живые клетки, то есть то, что широко используется в медицинском лечении.

     Новый процесс создания трехмерных контейнеров для захвата отдельных клеток и доставки медикаментов это принципиальное новое устройство, которое приведет к поколению 'умных таблеток'.

     Микроконтейнеры, разработанные в лаборатории, в будущем будут содержать и электронные компоненты. Это позволит им действовать в качестве биосенсоров в теле человека или же высвобождать лекарства в ответ на поступивший извне радиосигнал.

     Чтобы создать контейнеры, лучше всего начать с методик, применяемых в микроэлектронике: осаждение тонких пленок, фотолитография и электроосаждение

     Затем исследователи поместили на края квадратов 'крючки' из металлического припоя для того, чтобы скрепить их. При быстром нагревании припой плавился, и его поверхностное натяжение стягивало соседние квадраты вместе, тем самым, образуя куб. После охлаждения припой застывал, и форма куба сохранялась. Чтобы быть уверенными в том, что наша заготовка действительно свернулась в куб, мы должны располагать 'крючки' очень точно. Но зато такая самоорганизующаяся методика позволяет создавать большое количество контейнеров одновременно и достаточно дешево'.

     Созданные контейнеры покрыты ультратонким слоем золота, так что они вряд ли смогут вызвать токсический эффект в теле человека. Пока не проводилось тестов по их введению в живые организмы, но ученые уже провели лабораторные исследования, показавшие, как микроконтейнеры могут работать в медицине.

     Ученые использовали микропипетки для введения внутрь кубов суспензии, содержащей микрокапли лекарств. Было показано, что высвобождение содержимого может выполняться через колебания куба. Кроме того, исследователи помещали внутрь и человеческие клетки, которые продолжали там жить.

     Для определения местоположения контейнеров с использованием магнитного резонанса были проведены исследования под руководством Баржо Гими (Barjor Gimi). В эксперименте контейнеры двигались по S-образному каналу. Было установлено, что врачи могут использовать неинвазивную методику для того, чтобы определять, где находятся контейнеры с лекарством. Наконец, некоторые контейнеры, содержащие никель, могут направляться под действием магнитного поля в заданную область человеческого тела [3].

Наночипы

     Наночипы к атомно-силовому микроскопу используются для диагностики инфекционных и соматических заболеваний. Метод атомно-силовой микроскопии основан на мониторинге сил Ван-дер-Ваальса между измерительным элементом-иглой микроскопа (размер чувствительного элемента имеет порядок 1-10 нм) и сканированной поверхностью макромолекулы. Анализ взаимодействия позволяет получить изображение макромолекулы, определить ее размеры и выявить комплексы молекул зондов с маркерами заболеваний - например, белок-партнер, антиген-антитело. В России производятся серийные одноканальные атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие проводить исследования структуры материалов. Биологические макромолекулы, в том числе и макромолекулярные маркеры заболеваний, активизируются в узких диапазонах температур, давлений и влажности. Поэтому для создания наночипов к одноканальному АСМ с иммобилизованными в определенном порядке биомолекулами (антигенами, антителами, аптамерами, олигонуклеотидными зондами), которые могут селективно захватывать маркеры заболеваний из биологической жидкости на уровне единичных молекул, что очень важно для ранней диагностики, например, онкологических, инфекционных и других заболеваний, необходимо адаптировать серийный атомный силовой микроскоп.