Медицинский Университет
Астана
Наноэлектроника. Сенсорика.
Биочипы. Информационные технологии.
Подготовил: Еримбетов А.Б.
336-ОМ.
План:
- Ведение
- Наноэлектроника
- Информационные технологии
- Сенсорика
- Биочипы
- Заключение
- Источники
- Наноэлектроника (англ. nanoelectronics) — область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.
Современное состояние и
тенденции развития нанотехнологий
в мире и России являются толчком для развития
наномедицины. Уже созданы
- наномоторы (диаметр 500 нм), которые могут использоваться в наноробототехнике в качестве двигателей;
- наножидкостные и наноэлектронные системы, работающие в "лаборатории-на-чипе", проводящие экспресс-анализ ДНК, РНК, белка;
- производятся наноматериалы для искусственных протезов конечностей с хорошей адгезией к живым тканям;
- внедряются наноустройства, выполняющие определенные медицинские операции;
- разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в теле человека.
- Фармакология уже имеет в своем арсенале наночастицы, которые содержат лекарства и могут доставлять их в клетки.
- Широко применяются липосомы - сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества.
- Ученые во главе с Адриано Кавальканти (Adriano Cavalcanti) недавно предложили на рассмотрение всему миру трехмерную систему (3D) для изучения нанороботов, их поведения и взаимодействия с виртуальными биомолекулами в артериальных сосудах. Эту систему назвали NCD (Nanorobot Control Design). Можно сказать, что это – революционный прорыв в области медицины. С помощью данной системы представится возможность визуализации процессов работы нанороботов внутри человеческого организма. Благодаря NCD, будет ускорен процесс разработки и внедрения в тело человека медицинских нанороботов.
- Что же представляет собой подобный механизм наноробота и как он выглядит? В данном современном устройстве есть мотор, а также пластины, благодаря которым он перемещается. Наличие распознающего или, другими словами, сортировочного винта даст возможность ориентироваться в среде, которую он попал. С помощью винта происходит распознание клеток, которые необходимо лечить. Конусы его голубого цвета, они показывают радиус действия сенсоров. Предполагается, что контроль над такими нанороботами будет осуществляться при помощи мобильных телефонов, который будет поддерживать радиочастоты.
- Уже долгие годы ученые придумывают все новые и новые методы борьбы с раковыми клетками, имеющие свои плюсы и минусы, биологические, хирургические и т.д. Как известно в последнее время интенсивно стали развиваться нанотехнологии, и их участие в медицине, и без участия в методах лечения рака здесь конечно не обошлось.
- Наночастицы – идеальное средство для доставки лекарств внутрь клетки. Но до сих пор ученые не могли разместить на них маркеры, позволяющие доставить лечебный груз наночастицы точно в цель
- внутрь больной клетки. Да и само производство наночастиц дорого стоит и занимает много времени. Благодаря новой технологии наночастицы смогут стать одним из самых распространенных препаратов для лечения различных заболеваний.
- Исследования в 2007 году дали поводы предположить что для уничтожения раковых опухолей так же можно использовать свойства плазмонов. Введенные в кровоток наносферы (частички кварца диаметром 100 нм, покрытые тонким слоем золота) концентрируются в быстрорастущей опухоли. Свет инфракрасного лазера проходит через кожу и разогревает наносферы, возбуждая в них резонансные колебания электронов. Высокая температура убивает клетки опухоли, а окружающие здоровые ткани остаются нетронутыми
- В 2008 году в результате многочисленных исследований, наконец, российские ученые создали новый препарат, побеждающий рак, аналогов которому нет в мире. И этот препарат – нанопорошок (вещество, уменьшенное в миллионы раз, называется нановеществом, Размер одной наночастицы более чем в 10 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!)...
В ходе опытов физики выяснили, что свойства вещества зависят от его размеров. Если уменьшить любое твердое тело, оно приобретает новые свойства. В качестве исходного вещества для нанопорошка, применяемого для лечения рака, используются железо и никель. Никель дешев и почти безотходен: из 1,3 грамма никеля в процессе синтеза получается 1 грамм нановещества.
Что же происходит при использовании нанопорошка? Раковые клетки по своей структуре очень рыхлые и пористые, а нановещество, наоборот, обладает огромной поглощательной способностью. Этими свойствами решили воспользоваться учёные: «накормить» прожорливые раковые клетки микроскопическими наночастицами.
Введенный в организм порошок мгновенно всасывается больными клетками. Дальнейшая схема действия наночастиц гениальна и проста. Скопления нанопорошка облучаются лазером. Сгорая, они попутно уничтожают и раковую опухоль. Электропроводимость тканей организма намного меньше, чем у нанопорошка, поэтому лазер не приносит вреда здоровым клеткам. Он убивает лишь раковые клетки, напичканные нанопорошком, и опухоль исчезает за считанные дни.
Первые испытания уральские ученые провели совместно с московскими коллегами из Института общей физики и Онкологического центра имени Блохина. В кровь мышей, предварительно зараженных раковой клеткой, через вену вводились нанокомпозиты, покрытые углеродной оболочкой. Во время испытаний мышей облучали один раз в день по 15 минут. Результаты превзошли самые смелые ожидания ученых: через 20 дней раковая опухоль полностью рассосалась!
- В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять “молекулярную хирургию” с помощью наноботов.
- Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.
- Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток.
- Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.
- Неизвестно, будет ли медицина широко использовать подобные результаты исследований. Ведь лечение такими препаратами выльется в большие деньги. Однако, так или иначе, нанотехнологии - это новое слово в науке
Фонокардиография — метод исследования и диагностики
нарушений деятельности сердца и его клапанного
аппарата, основанный на регистрации и
анализе звуков, возникающих при сокращении
и расслаблении сердца.
Эхокардиография — метод ультразвуковой диагностики, направленный на исследование
морфологических и функциональных изменений
сердца и его клапанного аппарата. Основан
на улавливании отражённых от структур
сердца ультразвуковых сигналов.
Современные методы диагностики
в кардиологии.
Электрокардиография — методика
регистрации и исследования электрических
полей, образующихся при работе сердца.
Электрокардиография представляет собой
относительно недорогой, но ценный метод
электрофизиологической инструментальной
диагностики в кардиологии.
Биопсия — метод исследования, при
котором проводится прижизненный забор
клеток или тканей из организма и последующее
их микроскопическое исследование. Биопсия
является обязательным методом подтверждения диагноза при подозрении на наличие онкологических заболеваний.
Онкологические заболевания.
Капсульная эндоскопия— процедура
исследования пациента с помощью эндоскопической видеокапсулы, то есть встроенной в капсулу видеокамеры, совмещённой с передатчиком
видеосигнала.В процессе прохождения ЖКТ капсула делает в течение нескольких
часов несколько десятков тысяч снимков
Ирригоскопия — рентгенологическое исследование толстой кишки с ретроградным
введением в неё рентгеноконтрастного
препарата. В ходе исследования выполняются
рентгеновские снимки (ирригография).
Эндоскопия.
Компьютерная томография (КТ) —
в широком смысле, синоним термина томография в узком смысле
синоним термина рентгеновская компьютерная томография, так как именно
этот метод положил начало современной
томографии.
Рентгеновская компьютерная
томография — томографический метод исследования внутренних органов человека с использованием
рентгеновского излучения.
Томография.
Флюорография — рентгенологическое исследование,
заключающееся в фотографировании флюоресцентного
экрана, на который спроецировано рентгенологическое
изображение.
Флюорография органов грудной
клетки, которая применяется прежде всего для
скрининга туберкулеза и новообразований лёгких
Флюорография.
Ультразвуковое
исследование (УЗИ) — неинвазивное исследование организма
человека или животного с помощью ультразвуковых
волн.
УЗИ.
Реография— метод
исследования пульсовых колебаний кровенаполнения
сосудов различных органов и тканей, основанный
на графической регистрации изменений
полного электрического сопротивления
тканей.
Реография
глазная — офтальмореография.
Реография.
Биоэлектронный
имплантант, не превышающий
размера ластика для карандаша, может
вживляться в глазное яблоко и передавать
изображение мозгу «через проводник толщиной
в человеческий волос».
Офтальмография.
- Биочип - один из прорывов нашей науки мирового значения. Итог пятнадцатилетней работы, в реальные перспективы которой в конце 80-х мало кто верил. Создание «русского биочипа», как называют это устройство за рубежом, прямо связано с личностью директора Института молекулярной биологии РАН академика Андрея Мирзабекова, ушедшего из жизни 3 года назад, - с его талантом, волей и абсолютно независимым характером.
- Идея создания биологического чипа, который по величине, скорости и объему работы был бы похож на чип электронный, пришла в голову практически одновременно трем ученым - в Британии, Югославии и СССР. Югославскую группу вскоре пригласили работать в США, но довести идею до реального продукта она не сумела, распалась. Англичанин продал идею фирме, производящей диагностикумы, но там ее просто положили под сукно до лучших времен. Нашим терять было нечего - финансирование науки год от года сокращалось, - они продолжили работу. Когда стало ясно, что русские нашли наиболее короткий и эффективный путь к успеху, Аргоннская национальная лаборатория США предложила Мирзабекову возглавить свой центр биочипов. Он согласился при условии сохранения центра в России и предоставления ему финансовой помощи. До 2001 года наши работали в двух лабораториях, сохранив за Россией все права на результат и пережив самые тяжелые для науки времена.
- Что же это такое — биочипы? Точнее всего их описывает английское название DNA-microarrays, т.е. это организованное размещение молекул ДНК на специальном носителе. Профессионалы называют этот носитель «платформой». Платформа — это чаще всего пластинка из стекла или пластика (иногда используют и другие материалы, например кремний). В этом смысле чипы биологические близки к чипам электронным, которые и базируются на кремниевых пластинах. Это организованное размещение занимает на платформе очень небольшой участок размером от почтовой марки до визитной карточки, поэтому в названии биочипов присутствует слово micro. Микроскопический размер биочипа позволяет размещать на небольшой площади огромное количество разных молекул ДНК и считывать с этой площади информация с помощью флуоресцентного микроскопа или специального лазерного устройства для чтения.
- Прежде в лаборатории производили по десятку чипов в день. Позже ученые создали роботов, которые производят одновременно по 70 чипов за час-полтора. Процесс определения любого патогена теперь предельно прост. В каплю крови, плазмы или любой другой анализируемой жидкости добавляют флуоресцентное вещество - крошечный «фонарик» получает каждая молекула, находящаяся в ней. Когда каплю помещают на чип, молекулы ищут «родственников» на биочипе и соединяются с ними. Там, где соберется больше «фонариков», ячейка засветится ярче. Так «опознают» бактерии, вирусы, дефектные гены, а в принципе - любое вещество, имеющее молекулярное строение.
- «Опознание» можно провести сразу под микроскопом. Но портрет биочипа можно еще и увеличить и отпечатать на фотобумаге. Фотокарточка со светящимися ячейками упрощает и удешевляет несколько сложнейших анализов. Сам чип можно высушить и хранить вечно.
- Биочипы позволяют различать у больных туберкулезом штаммы, отличные от штаммов устойчивых к антибиотикам. Проблема состоит в том, что у некоторых больных бактерии туберкулеза имеют устойчивость к антибиотику рифампицину и антибиотик не помогает при лечении болезни. У большей части больных бактерии обычные (т.н. дикие штаммы бактерий) и антибиотик помогает. Необходимо знать устойчивость бактерий к антибиотику в самом начале лечения. Если врачи определят устойчивость бактерий через 2–3 месяца после начала лечения, то легкие больного будут уже изрядно повреждены. Традиционные методы определения устойчивости бактерий туберкулеза могут отнять несколько недель. Биочипы позволяют решить эту задачу за 1–2 дня.