Нанотехнологии для регенерации

Исследователи используют нанотехнологии для восстановления мозговых функций

Нанотехнологии для регенерации

Ученые используют наночатицы для доставки корректирующих белков для восстановления функций мозга, – пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Neuroscience.

Ученые используют наночастицы для доставки корректирующих белков для восстановления функций мозга, – пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Neuroscience.

Работая с мышиной и человеческой тканью, исследователи из Johns Hopkins Medicine сообщают о новых доказательствах того, что белок, выкачиваемый из некоторых, – но не всех – популяций “вспомогательных” клеток в мозге, называемых астроцитами, играет особую роль в управлении формированием связей между нейронами, необходимых для обучения и формирования новых воспоминаний.

Используя мышей, генетически сконструированных и выведенных с меньшим количеством таких соединений, исследователи провели эксперименты с проверкой концепции, которые показали, что они могут доставлять корректирующие белки с помощью наночастиц, чтобы заменить недостающий белок, необходимый для «ремонта участка дороги» на дефектной нервной магистрали.

Поскольку такие соединительные связи теряются или повреждаются из-за нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, или определенных типов умственных недостатков, таких как болезнь Норри, исследователи говорят, что их результаты продвигают усилия по восстановлению цепей и нормальной функции мозга.

«Мы изучаем фундаментальную биологию того, как функционируют астроциты, но, возможно, мы обнаружили новую цель для потенциального вмешательства в нейродегенеративные заболевания с помощью новой терапии», – говорит Джеффри Ротштейн, доктор медицинских наук, профессор неврологии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса.

«Хотя в мозге все астроциты выглядят одинаково, у нас было предположение, что они могут играть специализированную роль в мозге из-за региональных различий в функции мозга и из-за наблюдаемых изменений при некоторых заболеваниях, – говорит Ротштейн.

– Есть надежда на то, что обучение использованию индивидуальных различий в этих различных популяциях астроцитов может позволить нам направить развитие мозга или даже обратить вспять последствия определенных состояний мозга, и наши текущие исследования усилили эту надежду».

В мозге астроциты являются опорными клетками, которые действуют как направляющие для новых клеток, способствуют химической передаче сигналов и удаляют побочные продукты метаболизма клеток мозга.

Команда Ротштейна сосредоточилась на конкретном астроцитарном белке – глутаматном транспортере-1, который, как предполагали предыдущие исследования, отсутствовал в астроцитах определенных частей мозга с нейродегенеративными заболеваниями.

Подобно биологическому пылесосу, белок обычно всасывает глутамат химического «посыльного» из промежутков между нейронами после того, как сообщение отправлено в другую клетку, что необходимо для прекращения передачи и предотвращения накопления токсичных уровней глутамата.

Когда эти переносчики глутамата исчезают из определенных частей мозга – таких как моторная кора и спинной мозг у людей с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) – глутамат слишком долго остается между нейронами, посылая сообщения, которые перевозбуждают и убивают клетки.

Чтобы выяснить, как мозг решает, какие клетки нуждаются в транспортерах глутамата, Ротштейн и его коллеги сосредоточили внимание на области ДНК перед геном, которая обычно управляет включением-выключением, необходимым для производства белка. Они генетически модифицировали мышей, чтобы они светились красным цветом в каждой клетке, где активирован ген.

Обычно транспортер глутамата включен во всех астроцитах. Ученые анализировали от 1000 до 7000-битные сегменты кода ДНК из двухпозиционного переключателя для глутамата, и все клетки мозга светились красным, включая нейроны.

Только когда исследователи попробовали самую большую последовательность 8,300-битного кода ДНК из этого места, исследователи начали видеть некоторый отбор в красных клетках.

Все эти красные клетки были астроцитами, но только в определенных слоях коры головного мозга у мышей.

Поскольку исследователи могли идентифицировать эти «8,3 красных астроцита», они думали, что у них может быть специфическая функция, отличная от других астроцитов в мозге.

Чтобы точнее выяснить, что эти 8,3 красных астроцита делают в головном мозге, исследователи использовали машину для сортировки клеток, чтобы отделить красные астроциты от неокрашенных в корковой ткани головного мозга мыши, а затем определили, какие гены работали на гораздо более высоком уровне по сравнению с неокрашенными клеточными популяциями. Исследователи обнаружили, что 8,3 красных астроцита включают высокий уровень гена, который кодирует другой белок, известный как норрин.

Команда Ротштейна взяла нейроны из нормального мозга мыши, обработала их норрином и обнаружила, что в этих нейронах растет больше «ветвей» – или расширений – используемых для передачи химических сообщений между клетками мозга. Затем, по словам Ротштейна, исследователи изучили мозг мышей, сконструированных так, чтобы в них отсутствовал норрин, и увидели, что у этих нейронов было меньше ветвей, чем у здоровых мышей, которые вырабатывали норрин.

В другом эксперименте исследовательская группа взяла код ДНК для норрина плюс 8 300 «локационных» ДНК и собрала их в доставляемые наночастицы.

Когда они вводили наночастицы норрина в мозг мышей, сконструированных без норрина, нейроны у этих мышей начали быстро выращивать гораздо больше ветвей – процесс, предполагающий восстановление нейронных сетей.

Они повторили эти эксперименты с человеческими нейронами тоже.

Ротштейн отмечает, что мутации в белке норрин, которые снижают уровни белка у людей, вызывают болезнь Норри – редкое генетическое заболевание, которое может привести к слепоте у младенцев и умственной отсталости. Поскольку исследователи смогли вырастить новые ветви для общения, они полагают, что когда-нибудь можно будет использовать норрин для лечения некоторых типов умственных расстройств, таких как болезнь Норри.

Для своих следующих шагов исследователи изучают, может ли норрин восстанавливать связи в мозге животных моделей с нейродегенеративными заболеваниями, и в рамках подготовки к потенциальному успеху Миллер и Ротштейн подали патент на норрин.

[ eurekalert.org, Juan Gaertner: ru.123rf.com]

Источник: https://scientificrussia.ru/articles/issledovateli-ispolzuyut-nanotehnologii-dlya-vosstanovleniya-mozgovyh-funktsij

10 нанотехнологий с удивительным потенциалом

Нанотехнологии для регенерации

Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод».

А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения — нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи.

Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.

Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.

За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».

«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», — делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.

Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.

Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава.

И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов.

Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.

Нанопластыри

Трипанофобы, возрадуйтесь! В самом ближайшем будущем вам, возможно, больше не придется бояться иголок. Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов.

Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма.

Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.

Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле — раком.

В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect».

Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.

Остается лишь понадеяться, что нанопластыри доведут до ума, выпустят в продажу и не в коем случае не совместят эту разработку с технологией жидкого металла, о которой мы писали выше.

Нанофильтр для воды

Помните катастрофу, связанную со взрывом нефтяной платформы BP и разливом нефти в Мексиканском заливе, которая произошла в 2010 году? В будущем подобные аварии помнить не будут, если у исследователей из штата Огайо все получится.

И все благодаря специальной разрабатываемой пленке толщиной несколько нанометров. При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.

Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства.

Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза.

Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.

Очиститель воздуха для подводных лодок

Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа.

А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз.

Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом.

Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул.

Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны.

Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.

Нанопроводники

Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях.

Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами.

Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.

Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего.

Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.
Помимо этого, нанопроводник имеет и другой потенциал использования и может стать своеобразным трехмерным мостом между различными технологиями.

Благодаря тому, что его совместимость может быть запрограммирована, он обладает удивительной адаптивностью.

Нанотехнологическое зарядное устройство

Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость.

Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения.

Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.

Официальное название этого устройства — «наногенератор».

Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды — гаджеты будут заряжаться прямо в нем.

Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.

Искусственная сетчатка

Будущее искусственного зрения видится настолько ярким, что здесь не обойтись без солнцезащитных очков… или специальной нанопленки, предназначающейся для имитации сетчатки ваших глаз.

Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.

Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать.

Nano Retina — не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.

И последнее. Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.

Светящаяся одежда

Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды.

Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок.

В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.

Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.

Как бы там ни было, ученые считают, что можно рассмотреть варианты использования таких ниток в биомедицине. А что касается мытья, то из нанониток вполне можно будет создавать вещи, которые обычно не так часто подвергаются стирке, вроде сигнальных жилетов и бейсболок.

Наноиглы для восстановления внутренних органов

Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.

Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность.

Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются.

При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.

Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов.

Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.

Другим способом применения этих игл может стать «перепрограммирование» поврежденных во время ожогов клеток на быстрое самовосстановление и возвращение их функций. При этом без каких-либо шрамов.

Трехмерная химическая печать

Только представьте себе 3D-принтер, способный работать сразу со множеством различных материалов. Химик Иллинойского университета Мартин Берк — настоящий Вилли Вонка из мира химии.

Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами».

Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.

Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.

Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства.

Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями.

Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.

Источник: https://Hi-News.ru/technology/10-nanotexnologij-s-udivitelnym-potencialom.html

Наномедицина открывает путь к регенерации нервных клеток

Нанотехнологии для регенерации

ru_nanobiotechkibuchin

Всем известно, что поврежденные нейроны центральной нервной системы (ЦНС) не восстанавливаются, но в чем причина наверняка никто сказать не может. Возможно, зрелые клетки ЦНС имеют недостаток в собственной способности восстановления или окружающие нервные ткани ЦНС образуют неблагоприятную среду для прорастания поврежденных.

Для разрешения проблем, связанных с регенерацией клеток ЦНС Доктор Морис Н. Де Сильва предлагает основанный на нанотехнологиях метод использования магнитных наночастиц и магнитных полей.

По его мнению, “сообщая механическое напряжение к повторно растущему аксону, мы можем увеличить его скорость восстановления аксона in vivo”.

Считается что такой механически обусловленный процесс роста клеток, может обойти эффекты замедления регенерации аксонов, вызванные присутствием внешнего клеточного интерфейса.

Используя глазной нерв и ткани спинного мозга в качестве модели in vivo, а также отделенные нейроны нервного узла, относящегося к сетчатке глаза, как модель in vitro, Де Сильва и его коллеги в настоящее время исследуют возможность включения наночастиц в поврежденные нейроны и аксоны.

Хотя, это исследование на данный момент находится только в предварительной стадии, уже сейчас можно сказать, что работа имеет огромный потенциал для задач восстановления травм спинного мозга с выходом в клиническую практику. Иной метод относится задачам лечения ран периферических нервов. По статистике это затрагивает 2.

8% пациентов с травмами и часто кончается для них пожизненной неспособностью. В связи с тем, что периферические нервы проводят сигналы между мозгом и остальной частью тела, повреждение этих клеток кончается потерей сенсорной и моторной функций. Один только паралич конечностей затрагивает более чем 300 000 человек ежегодно в США.

Самая серьезная форма травмы периферического нерва – его полный разрыв. Тем не менее, порванный нерв можно восстановить; нервные волокна от нервного окончания, наиболее близкого к спинному мозгу, могут расти поперек разрыва раны, входить в сегмент другого нерва и восстанавливать передачу нервных импульсов.

Обычно, когда промежуток между разорванными окончаниями нерва больше чем несколько миллиметров, нерв не может восстановиться самостоятельно. Если оставить эту ситуацию без оперативного вмешательства, результатом становится пожизненный сенсорный и моторный паралич.

 Сейчас, наиболее прогрессивная методика лечения предполагает пересадку участков здорового нерва (аутотрансплантата) от другой части тела пациента.

Несмотря на явные преимущества, процедура аутотрансплантата имеет значительные недостатки, такие как потерю функции на участке донора, многократные операционные вмешательства и, весьма часто, не возможность найти подходящий нерв для донорства.

Хотя на данный момент существуют возможности прививки синтетического нерва, но эффект от них хуже чем от аутотрансплантата, к тому же они полностью исключают случаи соединения промежутков разрыва больших чем 4 сантиметра.

 В калифорнийском Университете Беркли исследователи создали технологию, которая может стать лучшей альтернативой существующим методам прививки синтетических нервов. Новый метод основан на новом материале для трансплантации, который состоит из выровненных на наноуровне волокон полимера. Эти волокна действуют как физические направляющие для регенеративного роста нервных клеток.

Исследователи также разработали способ модификации этих нанонитей биологически активными стимуляторами роста. Таким образом, биоактивные нанонити подобно аутотрансплантату нерва обеспечивают физические и биохимические стимулы для направленного роста нервных волокон.

 Технология была протестирована на выращенной ex vivo ткани нерва крысы в присутствии каркаса биологически активных нановолокон. Когда ткань нерва была выращена на неупорядоченных нановолокнах, направленного роста нервных клеток не наблюдалось. Однако, в случае применения упорядоченных нанонитей, волокна нерва быстро прорастали вдоль ориентации биологически активного каркаса.

В течение всего пяти дней, благодаря биологически активному каркасу из нановолокон, нервные клетки удлинились на 4 миллиметра. Для того чтобы сделать технологию клинически жизнеспособной, исследователи в своей лаборатории также разработали инновационный метод создания биохимических трансплантантов.

Их способ изготовления полимерных нановолокон заключается в использовании электрического поля. Хотя эта методика, использующаяся для изготовления нановолоконных каркасов в виде листов и труб, не нова и ее обычно называют электроспринингом (electrospinning), ученые внесли в нее ключевое новшество, которое позволяет изготовить трубчатый каркас нерва, полностью состоящий из полимерных нанонитей, выровненных вдоль труб. Помимо этого их технология позволяет также управлять параметрами длины, диаметра, и толщины полимерных трубчатых нанокаркасов. Как говорит главный разаработчик технологии, Шиям Патэль (Shyam Patel), “Скорость является ключом к успешной регенерации нервов и наши упорядоченные нановолокна имеют в этом координальное преимущество, потому что самое короткое расстояние между поврежденными окончаниями нерва это прямая линия. Волокна направляют рост нерва вдоль этой прямой и не позволяют им отклониться от кратчайшего пути к соединению”.  В настоящий момент эта технология патентуется калифорнийским Университетом Беркли для последующей передачи лицензии NanoNerve, Inc. 

Источник: sciencedaily.com

Источник: https://ru-nanobiotech.livejournal.com/27131.html

VDoktors.Ru
Добавить комментарий