Мікрофагоціти: штучні імунні клітини

Свідіненко Юрій

Люди часто запитують про приклади тих унікальних можливостей, які нанороботи можуть принести медицині. Чи правда, що деякі прості речі, що виконуються нанороботи, не можуть бути реалізовані за допомогою біотехнологій? Респіроціти -- штучні червоні клітини крові - одна з відповідей на це питання. Їх функціональність у багато разів перевершує існуючі еритроцити: це і можливість переносити більше кисню, ніж природний аналог, і висока довговічність, і можливість перепрограмування (що взагалі зараз не може реалізувати біотехнологія), і високу швидкодію. У живих системах швидкодію відіграє основну роль. Наномедицина пропонує потужні інструменти для боротьби з людськими захворюваннями і для потенційного покращення людського організму. Виконані з алмазоіда медичні нанороботи можуть внести поліпшення можливостей нашого організму вище природних. Клоттоціти, наприклад, замінюючи "рідні" людські тромбоцити досягають припинення кровотечі (штучний швидкодіючий гемостазіс) за 1 секунду, причому кровотеча може бути досить великим (фізична ушкодження тканин) або невеликим внутрішнім. При цьому концентрація штучних тромбоцитів менше натуральних в 100 разів. Тобто, клоттоціти в 10000 разів ефективніше природного аналога, тому що час нормального тромбогенеза коливається від 5 до 17 хвилин.

Розглянемо далі ще одну складову "механізованої крові" - механічних фагоцитів або мікрофагоцітов. Насправді, мікрофагоціатмі можна назвати цілий клас нанофагоцітов. Різні представники цього класу виполняліби різні функції в організмі - від лінії перший реагування в крові (внутрішньовенні) до внутрішньотканинний і внутріцереброспінних. Але загальна мета подібних пристроїв - знищення мікробіологічних патогенів, знайдених в організмі людини, використовуючи метод "перевари-і-викинь", детально описаний автором в [1]. Повна версія інженерного опису мікрофагоцітов може бути прочитана в [4], ресурс англійською мовою.

Сепсис, відомий також як зараження крові, це наявність в крові патогенних мікроорганізмів. Якщо розмноження мікроорганізмів не контролювати, то інфекція буде прогресувати. Бактеремія - наявність бактерій у кровоносної системи людини. Хоч у крові і багато речовин, якими можуть харчуватися бактерії, однак кров звичайно не містить мікроорганізмів (бактерій). Основна протимікробна захист кровоносної системи - циркулюючі нейтрофіли і моноцити (білі кров'яні тільця), здатні до фагоцитозу (захоплення і переварюванню інших клітин) і продукції імуноглобуліну, формуючи імунний відповідь.

Однак, незважаючи на це, в кровоносної системи людини може бути присутнім невелике кількість бактерій. Чищення зубів, наприклад, викликає невелика їх рух у гніздах, що призводить до потрапляння мікроорганізмів, що знаходяться в ротовій порожнини в кровоносну систему [5]. Бактерії також можуть потрапляти у кров через рани на шкірі, яснах, мовою [6]. Бактерії також потрапляють в кров на протязі хірургічних операцій, лікування зубів, а також після ін'єкцій, цітоскопіі, аналізу крові, і, навіть, при заміні клапана серця на штучний [6]. Ці бактерії, звичайно, знищуються лейкоцитами (а також ретикулоендотеліальної фагоцитами печінці, легенях і лімфатичної системи). Однак деяка кількість вірулентних (шкідливих для людини, смертоносних) бактерій все ж таки можуть обійти природний захист. Центр Охорони здоров'я стверджує, що близько ~ 25,000 громадян США щорічно вмирають від бактеріального сепсису. В даний час використовують ряд антибіотиків для придушення сепсису, беручи їх в кількості декількох міліграмів на день. Такий метод лікування триває іноді тижня, або навіть місяці, для того щоб знищити патогенні бактерії, такі як, наприклад, Pseudomonas aeruginosa або Salmonella.

Комплекс нанопристроїв, здатний швидко очищати кров людини від патогенів при порівняно невеликій концентрації нанороботів, був би бажаним доповненням в сучасному терапевтичному арсеналі. Такий робот назвемо мікрофагоцітом, або штучним механічним білим кров'яним тілом.

Мікрофагоціт - Це сфероїдальної наномедіцінское пристрій, що складається з 610 більйонів точно розташованих атомів, плюс близько 150 більйонів молекул газу чи води, коли резервуари пристрої будуть заповнені. Розміри нанороботи - 3.4 мкм в діаметрі уздовж головної осі, і 2.0 мкм уздовж осі, перпендикулярної до головної. Такі розміри дають нанопристроїв можливість безперешкодно проникати в найдрібніші капіляри, діаметр яких ~ 4 мкм [1]. Його порівняно великий для нанопристрої обсяг (12.1056 мкм3) дає возможнть розмістити всередині нанороботи два порожніх внутрішніх резервуара, об'ємом 4 мкм3. Нанопристрій споживає 100-200 ПВт (пікоВатт) потужності при роботі, і може повністю "переварити" мікробів, що знаходяться у внутрішньому резервуарі нанопристрої зі швидкістю 2 мкм3 за 30-секундний цикл. Як і в попередніх проектах нанороботів (прим. перекл. - проектах Роберта Фрайтаса) [2], для того, щоб гарантувати надійну роботу нанопристрої, мікрофагоціт спроектований з десятикратним запасом за всіма основними характеристиками, виключаючи великі пасивні структурні елементи (такі, наприклад, як корпус). Маса "порожнього" пристрою - 12.2 пікограмм (див. рис. 1).

Опишемо роботу нанопристрої. Протягом кожного циклу операцій, що виконуються пристроєм, патогенна бактерія прилипає до поверхні нанороботи, як муха на липку стрічку, завдяки спеціальним оборотним "приєднувальним гнізд "[1]. Далі, телескопічні наноманіпулятор, виготовлені за Наприклад "руки робота", висуваються з спеціальних гнізд на поверхні мікрофагоціта, і, досягнувши жорсткого прикріплення до мембрани бактерії, транспортують мікроорганізм до вхідного порту на передній частині пристрої, де бактерія виявляється в умертвітельном резервуарі об'ємом 2 мкм3 (див. рис. 2). Після інтенсивного механічного перемелювання бактерії (або бактерій) органічні залишки видавлюються спеціальним поршнем у "дігестальний" резервуар обсягом 2 мкм3, де залишки перетравлюються з допомогою запрограмованої послідовності 40 спеціально сконструйованих ензимів, які змінюються близько шести разів. В результаті, отримані залишки будуть являти собою прості амінокислоти, мононуклеотид, гліцерин, воду, жирні кислоти і прості цукри, абсолютно нешкідливі для організму людини. Далі, вони викидаються в кровоносну систему пацієнта. Всі ці операції відбуваються протягом 30-секундного циклу.

Цей протокол, названий автором "перевари-і-викинь" [1] практично ідентичний процесів перетравлення та фагоцитозу, які використовують натуральні фагоцити. Однак штучний процес фагоцитозу буде набагато швидше і чистіше - продукти механічних мікрофагоцітов не будуть містити шкідливих для людини речовин. Наприклад, усім відомі макрофаги, після фагоцитозу патогенних мікроорганізмів, викидають в кров біологічно активні речовини [7], у той час як продукти фагоцитозу мікрофагоцітов будуть біологічно неактивними, і не становлять загрозу для людини.

Звичайні фагоцити більше за обсягом в 100-1000 разів, ніж штучні, при цьому вони споживають енергії на фагоцитоз стільки ж. Наприклад, зміна теплоенергії від звичайних людських нейтрофілів при фагоцитозі становить 19 пікоВатт. Це число зростає із збільшенням часток, які захоплені фагоцитів [8]. Т-лімфоцит обсягом близько 400 мкм3, при імунній відповіді споживає ~ 45 пікоВатт [9].

Захоплення мікроорганізмів натуральними фагоцитами триває трохи - порядку декількох хвилин; зате повний цикл перетравлення та екскреції може тривати годинами. У той час як макрофаги можуть захопити і переварити близько ~ 25% їх обсягу в час [10], механічні мікрофагоціти можуть обробити ~ 2000% свого обсягу на годину. Це означає, що механічні фагоцити ефективніше звичайних в ~ 80 разів. Іншими словами, аналогічний обсяг нанороботів може переварити патогенні бактерії в 80 разів швидше натуральних фагоцитів.

Життєвий цикл багатьох природних фагоцитів (наприклад, нейтрофілів), коливається від кількох годин у крові, або декількох днів у тканинах. В одному експерименті [11], 1-100 патогенів S. aureus або S. faecalis bacteria були поміщені до окремому нейтрофіли, який знищив більшу їх частину за такої високої концентрації. При підвищенні концентрації патогенів (100:1), нейтрофіли могли знищити близько 9 S. aureus bacteria за цикл фагоцитозу; в той час як нейтрофіли при хронічному захворюванні грануломатозе, можуть знищити близько 14 S. faecalis bacteria за цикл фагоцитозу. Для порівняння, один механічний мікрофагоціт може знищити до ~ 3000 мікроорганізмів P. aeruginosa bacteria на день, при цьому життєвий цикл механічних пристроїв практично не обмежений.

В більш детальному описі мікрофагоцітов [4] представлена проста математична модель фармакокінетичних властивостей певної дози пристроїв, ін'ектірованних в людську кровоносну систему. Результати математичної моделі були наступними: при терапевтичній дозі нанопристроїв в 1-теработ (1012-пристроїв) можна усунути легку бактеремію (0.1 x 106 патогенних одиниць (ПЕ) на 1 мл) від 5.4 x 108 ПЕ в кровоносної системи людини, до