CC BY
60
10
Украгнський нейрохгрурггчний журнал, №2, 2009
УДК 616.83-089
Нанотехнологп в Heüpoxipyprii: стан проблеми i перспективи розвитку
Цимбалюк B.I., Кремець К.Г. 1нститут нeйpoхipypгil iM. акад. А. П. Ромоданова АМН Укра'!ни, м. Ки'!в
Визначною под1ею у розвитку нанотехноло-ri'i була доповщь лауреата Нобел1всько! npeMi'i R. Feynman на 3ycTpi4i Американського Фiзичного Товариства у Kалiфоpнiйcькомy Iнcтитyтi Технологи 29 грудня 1959 р. шд назвою «Там внизу ще багато м^ця», опyблiкована у 1960 р. в жypналi Engineering and Science [13]. Вчений передбачив широкий спектр наукових i техшчних досягнень, що cьогоднi досить докладно розроблеш i згодом ix стали називати нанотехнологп.
Пicля цiG'i ключово: доповiдi здiйcнeнi чиcлeннi контpольнi вщкриття, якi визначили прогрес у цш галyзi знань [23].
Один нанометр е однiGЮ мiльяpдною часткою метра, тобто, 10-9 м, або 10 дiамeтpiв атомiв. Для поpiвняння, дiамeтp подвiйно'i cпipалi ДНК становить майже 2 нм, товщина аркуша паперу — приблизно 100 000 нм, наймeншi представники клгтинних форм життя — бактерп мiкоплазми мають довжину близь-ко 200 нм. Наноpозмipнi матepiали i прилади, тобто л, pозмipи яких перебувають у межах 1-100 нм, мають ушкальш фiзичнi, xiмiчнi й бiологiчнi влаcтивоcтi. Вони не поводяться як вщповщш «грубЬ> матepiали чи ix атоми, молекули; це робить можливим нове, ушкальне ix використання.
Тepмiн «нанотехнолопя» визначають по-piзномy, проте, суть його в тому, що це галузь фундамен-тально'i науки, предметом вивчення яко! е контроль матepi'i на piвнi атомiв i молекул [14]. В нанотехнологп використовують два фундаментальш пiдxоди: вiд меншого до б^ьшого («bottom-up» approach), коли матepiали, прилади збираються cамоcтiйно за принципами xiмil i молекулярного pозпiзнавання; i вiд бiльшого до меншого («top-down» approach), коли нанооб'екти конструюються бшьшими приладами без контролю на piвнi атомiв. Застосування технологи MEMS («microelectromechanical systems») дозволяе створювати пiд час единого технолопчного процесу мiкpоcиcтeми, що складаються як з електронних, так i мехашчних eлeмeнтiв. Розмipи ix визначаються мiкpомeтpами. NEMS («nanoelectromechanical systems») е по суп таю cамi MEMS, що м^тять наноpозмipнi компонента.
Загальне покращання комп'ютерно", оптично! техшки матиме суттевий вплив на нeйpоxipypгiю [9]. Нeйpоxipypги майбутнього стануть свщками широкого впровадження новiтнix тexнологiй, яю базуватимуться на досягненнях нанотexнологiй, що сьогодш розвиваються. Наприклад, покpащeнi процесори дозволятимуть здшснювати тpивимipнy peконcтpyкцiю анатомiчниx структур у peжимi реального часу, поеднувати ix з нeйpонавiгацiею; новiтнi елементи оптики забезпечуватимуть значне зменшення pозмipiв eндоcкопiв i iнкоpпоpацiю в них нових шструменпв чи заcобiв морфолопчно1 дiагноcтики у peжимi реального часу й ш. Таким чином, сучасш тенденци використання мiнiмально швазивних дiагноcтичниx i xipypгiчниx втручань будуть доповнеш i покpащeнi завдяки застосуванню нанотехнологш.
Процедурою, що повторюеться шд час виконання нeйpоxipypгiчниx втручань, е перюдичне зрошення опepацiйного поля iзотонiчним розчином натpiю хлориду з метою його очищення вiд бiологiчниx рщин й iншиx оpганiчниx залишкiв. Запропонований наногель, що наноситься як рщина i створюе захисну прозору плiвкy, попереджуючи у такий cпоciб потрапляння кpовi i 1нших речовин в операцшну рану i 'ix вихщ з не1; автори називають це «кришталево-чистою xipypгiею». Попepeднi результати використання методу у тварин, зокрема,
PiK Abtopm Бвдодиття
1968 A.Y. Cho, J. Arthur Запропонований метод молекуляр-Hoi променево! eniTaKcil, який дозволив наносити на поверхню шар речовини завтовшки в один атом
1974 N. Taniguchi Запропонований термш „нанотех-нолопя" як визначення прилaдiв, рoзмiри яких мeншi за один мiкрo-метр
1981 G. Binning, H. Rohrer Розроблений метод сканувально! тунельно! мiкрocкoпil, за допомо-гою якого стала можливою вiзуaлi-зaцiя окремих aтoмiв
1985 H. Kroto, R. Smalley Створеш пeршi штуч-нi наночастинки — фулере-ни („buckminsterfullerene" або „buckyballs"), нaзвaнi на честь вiдoмoгo американського архитектора R.B. Fuller
1986 A. Ashkin Розроблеш oднoпрoмeнeвi oптичнi щипцi — прилад, який дозволяе маншулювати атомами i молекулами
1991 S. Iijima Bинaйдeнi кaрбoнoвi нанотрубки
1991 D. Philip, J.F. Stoddart Описаний процес самозбирання для створення впорядкованих молекул
1993 W. Robinett, R.S. Williams Розроблена система вiртуaльнol реальности iнтeрфeйcoм яко! був ска-нувальний тунельний мшроскоп, що дозволяло користувачу спос-тeрiгaти i торкатися aтoмiв
1998 C. Dekker i cniBaBTopw Створений транзистор на бaзi кар-боново! нанотрубки
1999 H.G. Craighead, CDMontemagno Створений пбридний наноелектро-мeхaнiчний прилад з бiмoлeкуляр-ним мотором
2000 P. Alivisatos, P.L. McEuen Рoзрoблeнi oднoмoлeкулярнi транзистори на бaзi oднiеl С60 молекули, з'еднано! з золотим електродом
2001 H. Craighead Вперше визначено масу одше! бак-тeрil Escherichia coli за допомогою нaнoрoзмiрнoгo осцилятора
2002 S. Morita, Y. Sugawara Для екстракцп поодиноких ато-мiв кремтю з крeмнiевol пoвeрхнi використаний атомарний силовий мшроскоп (AFM), тсля чого здш-снене !х повторне встановлення з атомарною точтстю
Нанотехнологгг в нейрохгрурггг: стан проблемы г перспективу, розвитку
11
шд час виконання операцш на спинному мозку, обнадшлив1.
Нейрох1рурпя е «мистецтвом гемостазу», який забезпечують переважно коагулянти, прокоагулянти, адгезивш речовини або зварювання тканин. Досягнення гемостазу е складною проблемою, зокрема, у постраждалих з тяжкою травмою. Запропонований ефективний простий метод, що забезпечуе негайний (менш шж за 15 с) гемостаз з використанням пептидного нановолоконного бар'еру, який наносять безпосередньо на рану в головному 1 спинному мозку, стегновш артери, печшщ або шюр1 [10]. Цей метод забезпечуе припинення кровотеч1 без тиску, каутеризаци, вазоконстрикци, коагуляци чи застосування адгезивних речовин. Нановолокна не токсичш, не ¿муногенш, а продуктами 1х розпаду е ам1нокислоти, що сприяють в1дновленню тканин в мшщ пошкодження. Таким чином, мова йде про першу нанотехнолопчну розробку, яка може кардинально змшити об'ем крововтрати шд час х1рурпчних втручань.
Для закриття шсткових дефект1в шд час виконання нейрох1рурпчних операцш застосовують розроблений украшськими вченими бюкерам1чний нанокомпозит «Синтекость», основу якого складають р1зш види бюактивно! керамши, дозволен! для застосування в медичнш практиц [1]. Це синтетичний матер1ал, який забезпечуе повне в1дновлення структури природно! юстки.
Незважаючи на широке використання ендоскопи в сучасних нейрох1рурпчних клшшах, яшсть в1зуал1заци прша за таку шд час класично! «в1дкрито1» операци. Використання технологи мшродзеркальних схем в нейрох1рурпчних приладах дозволить отримувати високояюсш тривим1рш зображення, а застосування нанотехнологш в ендоскошчному обладнанш сприятиме зменшенню ф1зичних розм1р1в !х частин [9]. Це дуже суттево, бо бшьшу частину ендоскопа займае оптика з осв1тленням та ¡ригатор, а м1сця для потр1бних шструменлв замало. Автори пропонують використання наносенсор1в в ендоскопах, що дозволить здшснювати миттеву пстолопчну штраоперацшну д1агностику 1 генетичний анал1з. Покращання технологи комп'ютерних мшросхем сприятиме зб1льшенню швидкост1 оброблення шформаци, що дозволить отримувати в режим1 реального часу тривим1рну реконструкцт шд час ендоскошчних операцш 1 поеднувати 11 з нейронав1гащею. Б1льш того, зменшення ф1зичних розм1р1в ендоскоп1в 1 комп'ютерних м1кросхем дозволить вмонтувати 1х у звичайн1 1нструменти, наприклад, в коагуляц1йний п1нцет. Так1 заходи забезпечать значне покращання точност1 й акуратност1 виконання нейрох1рург1чних втручань.
Пошкодження нервово1 тканини в1льними радикалами спостер1гають при 1шем11, травм1, пухлинних 1 нейродегенеративних процесах, воно е безпосередньою причиною загибел1 нейрон1в при багатьох нервових захворюваннях. Останшм часом фулерени досл1джують як нейропротекторн1 речовини. В культурах кл1тин к1рково1 речовини нов1тн1 антиоксиданти створен1 на баз1 фулерен1в [6, 7]. Це дв1 полшдроксильоваш молекули, пох1дш С60-С60(0н)п, п=12 1 С60(ОН)пОт, п=18-20, т=3-7, яю виявили прекрасш антиоксидантш властиво-
ст1. П1д впливом цих водорозчинних речовин на 80% зменшувалася загибель нейрошв, зумовлена токсичшстю NMDA, на 65% —токсичшстю АМРА 1 на 50% — токсичшстю кашово! кислоти. Кр1м того, ц1 речовини пригн1чували апоптоз нейрон1в. Системне застосування С3 1зомеру карбоксифулерену сприяло упов1льненню моторних розлад1в 1 смерт1 мишей, у яких моделювали с1мейний латеральний амютроф1чний склероз [8]. Фулерени е ефективними «см1ттярами» в1льних радикал1в, вони знижують шдуковане рецепторами NMDA шдвищення р1вня Са2+, що е одним з мехашзм1в нейропротекторно! д11 цих речовин [18]. Таким чином, водорозчинш пох1дн1 фулерен1в е ун1кальним класом речовин з потенц1йними антиоксидантними властивостями. Вони здатн1 ел1м1нувати супероксидний ан1он, г1дроперекис 1 водночас ефективно 1нг1бувати перекисне окиснення л1п1д1в, е потенц1йними засобами для л1кування нейродегенеративних розлад1в.
Щоб досягти регенерацп аксошв шсля пошкодження нервово1 системи, сл1д подолати к1лька суттевих перешкод, зокрема, утворення рубцево1 тканини, «щ1лин» у м1сцях загиблих кл1тин, як1 з'являються п1сля фагоцитозу, 1, власне, нездатн1сть зр1лих нейрон1в 1н1ц1ювати р1ст аксон1в. Запропонований пептидний нановолоконний «ешафот» [11], який не лише забезпечував проростання аксон1в кр1зь д1лянку гострого пошкодження, а й з'еднував пошкоджену нервову тканину. У хом'яюв перестали зоровий нерв, п1сля чого досягали функц1онального повернення зору: тварини поводилися ор1ентовано щодо зорових стимул1в.
В досл1дженн1 [29] нервов1 стовбуров1 кл1тини були 1нкапсульован1 у тривим1рну структуру з нановолокон, сформовану самозб1рними амф1ф1льними молекулами. Самост1йна зб1рка молекул 1н1ц1юеться зм1шуванням суспенз11 кл1тин з розведеним водним розчином молекул, причому, клггини залишаються живими п1сля зб1рки нановолокон навколо них. Штучний нановолоконний «ешафот» забезпечував дуже швидку диференц1ац1ю кл1тин у нейрони, гальмуючи при цьому розвиток астроцит1в; це зумовлене ампл1ф1кац1ею б1оактивними еп1топами, яю презентувалися клггинам нановолокнами (^Е-LYS-VAL-ALA-VAL посл1довшсть амшокислот).
Основними обмеженнями на шляху розвитку генно1 терап11 е погане захоплення кл1тин нос1я 1 швидке розпадання ДНК в орган1зм1 рецип1ента. Хиозан е натуральним бюсумюним пол1сахаридом, що розпадаеться; в1н здатний формувати нанокомплекси з ДНК, що захищае 11 в1д розпадання, безпечно й ефективно транспортуе в кл1тини як в культур1, так 1 в живому оргашзм1 [24]. Вш може бути використаний для генно1 терап11 нервових хвороб.
Зважаючи на усп1хи експериментально1 кл1тинно1 терап11, використання стовбурових кл1тин з метою корекц11 1 зам1щення пошкоджених популяц1й кл1тин незабаром стане кл1н1чною реальн1стю. Проте, для ефективно1 кл1тинно1 терап11 потр1бна можлив1сть визначати розм1щення 1 розпод1л кл1тин нешвазивним шляхом [4, 20]. Використання шд час магшторезонансно1 томографи (МРТ) як контрастних речовин нанорозм1рних суперпарамагнетик1в, зокрема, частинок окису зал1за, робить таке не1нвазивне визначення реальним [31]. Впровадження
12
Цимбалюк B.I., Кремецъ К.Г.
цих метод1в сприятиме прискоренню розвитку KëiTMHHo'i Tepaniï нервових хвороб i дозволить ретельно вивчати бioлoгiю клiтин у живих opгaнiзмaх. Сьoгoднi FDA затвердила використання вкритих декстраном наночастинок оксиду зaлiзa для клггинжй мaгнiтopeзoнaнснoï вiзуaлiзaцiï (препарат FERI-DEX®, Bayer Healthcare, Шмеччина). У майбутньому клiтиннa МРТ дозволятиме оцшювати точну лoкaлiзaцiю i розподш у тканинах трансплантованих клггин, мiчeних перед введенням, спiвстaвляти щ дaнi з клiнiчними нaслiдкaми лшування.
Загалом, частинки оксиду зaлiзa можна використовувати для багатьох цiлeй. Наприклад, зaлiзoвмiснi кoнтpaстнi речовини викopистaнi для дiaгнoстики шемп. На клiтиннoму piвнi пoстiшeмiчнe запалення забезпечуеться резидентною мжропшею, макрофагами та моноцитами/макрофагами, що потрапляють у тканину мозку з циркулюючо': кpoвi. Нaнopoзмipнi частинки оксиду зaлiзa пiсля iн'GKцiï поглинаються циркулюючими макрофагами, дaлi мiгpують у зону ураження, що зумовлюе типoвi змiни МР сигналу [16, 17]. Kpiм дiaгнoстики iшeмiï, визначення мiгpaцiï мiчeних макрофапв можна використовувати для дiaгнoстики й вивчення шших нервових хвороб, зокрема, новоутворень i розаяного склерозу, адже, метод дозволяе чiткo визначати пpoстopoвi i чaсoвi oсoбливoстi iмуннoï реакцп, oцiнювaти aктивнiсть вогнищ, прогноз захворювання й eфeктивнiсть лiкувaння [27].
В експеримент мiчeнi частинками оксиду зaлiзa стoвбуpoвi клiтини кiсткoвoгo мозку, мeзeнхiмaльнi стoвбуpoвi клiтини i людськi CD34+-клiтини вводили щурам з пошкодженням спинного чи головного мозку [34] (вщповщно мoдeлi травми спинного мозку й шсульту). !х вводили внутpiшньoвeннo або штрацеребрально з боку, протилежного ураженню. Через 1 тиж пiсля трансплантацп iмплaнтoвaнi клiтини мiгpувaли до вогнищ ураження i вiзуaлiзувaлися пiд час МРТ у виглядi гiпoiнтeнсивнoгo сигналу, що утримувався протягом не менше 30 дiб.
Нaнopoзмipнi суперпарамагнетики можуть бути викopистaнi для мiчeння молекул, яю зв'язуються з тумopспeцифiчними маркерами, а, отже, для дiaгнoстики пухлин. За даними МРТ за шдукцп поля 1,5 Тл виявляли ц молекули, зв'язaнi з вiдпoвiдними антигенами як в живому оргашзм^ так i в пpoбipцi, а штенсившсть сигналу залежала вiд щiльнoстi розташування aнтигeнiв на пoвepхнi клiтин.
Нaнopoзмipнi суперпарамагнетики можна використовувати в радюлогп та судиннiй нeйpoхipуpгiï як контрастш речовини для мaгнiтopeзoнaнснoï aнгioгpaфiï [3].
Незадов^ьна peгeнepaцiя aксoнiв пiсля пошкодження центрально'! нервово'1 системи i погане функцюнальне вiднoвлeння пiсля травми перифершних нepвiв е суттевими проблемами нeйpoхipуpгiï i нeйpoбioлoгiï в цiлoму [32]. Шд час oпepaцiй на перифершних нервах застосовували штрид-кремшевий нaнoнiж з кривиною 20 нм. Пiсля анестезп у мишей, розташованих на мiкpoплaтфopмi з стимуляцiйними електродами, видiляли перифершний нерв. Нaнoнiж утримували спeцiaльними мшроманшуляторами. За допомогою iнстpумeнтa зpiзaли нерв так, що поступово згасали викликаш моторш вiдпoвiдi, якi записували з
цшьового м'яза, а сам процес ретельно контролювали. Зpiзи були чист i кpaщi, нiж зpoблeнi лезом. Kpiм того, застосування наноножа дозволяло хipуpгу виконувати безпрецедентно мiнiaтюpнi процедури, наприклад, висшати й iзoлювaти сегменти единого аксона. Штрид кpeмнiю не спричиняв To^poï нeйpoтoксичнoстi, що шдтверджене звичним ростом оперованих aксoнiв in vitro. Таким чином, використання мшрошструменлв в нeйpoхipуpгiï дозволяе впроваджувати нoвi операцп на клiтиннoму i субкль тинному piвнях.
Дoслiджeнi золол нанооболонки з кpeмнiевим ядром як екзогенш свiтлoпoглинaчi для полегшення лазерного зварювання тканин [15]. Цi новггш нано-частинки можуть бути використаш як пoглинaчi свiтлa у спектр^ близькому до iнфpaчepвoнoгo. Вони забезпечують значно бiльшу eфeктивнiсть погли-нання в пopiвняннi з такою при застосуванш су-часних хiмiчних хpoмoфopiв без фoтoвiдбiлювaння. Зварювання з використанням золотих нанооболонок сприяе зменшенню абсорбцп нaвкoлишнiми тканинами, захищаючи ïх вiд пошкодження, i е достатньо надшним щодо мiцнoстi для використання в хipуpгiï пepифepiйних нepвiв.
Гeмaтoeнцeфaлiчний бар'ер (ГЕБ) е нездоланною перешкодою для численних лшарських пpeпapaтiв, а саме, антибютиюв, протипухлинних зaсoбiв i вeликoï кiлькoстi речовин, що впливають на ЦНС, особливо нeйpoпeптидiв. Наночастинки е речови-нами, що можуть допомогти здолати цю перешкоду; так, це вже досягнуто для деяких пeптидiв, лоперамщу, тубокурарину, доксирубщину i iнших речовин [2]. Наночастинки, виготовлеш з пoлiбу-тилцiaнaкpилaту чи пoлiлaктoглiкoлiевoï кислоти (вiдпoвiднo PBCA i PLGA), вкрил пoлiсopбaтoм-80 чи полоксамером-188, можуть забезпечувати транспорт цитoстaтикiв, наприклад, доксирубщину, через ГЕБ [22]. Бшьше того, щ частинки суттево зменшували дозозалежний токсичний вплив на стaтeвi залози i кapдioтoксичнiсть. Цi «навантажеш» дoксиpубiцинoм i вкpитi пoлiсopбaтoм-80 наночастинки, яю вводили внутpiшньoвeннo щурам з глюбластомою 101/8, забезпечували одужання до 40% тварин [21]. Вважають, що мехашзмом проходження частинок через ГЕБ е опосередкований eндoтeлiем ендоцитоз аполшопротешу Е, який адсорбуеться на поверхш наночастинок i маскуе ïх як лшопроте"ди низькoï щiльнoстi; але, ймoвipнo, вiдбувaються й iншi процеси. Ллкарсью речовини можна «навантажувати» у наночастинки шляхом абсорбцп, шкапсуляцп або ковалентного зв'язування.
Запропонований бюсумшний нанозонд, який складався з вкритих пoлieтилeнглiкoлeм (ПЕГ) частинок оксиду зaлiзa [3]. Цей зонд здатний зв'язуватися з клiтинaми глioм завдяки прикршленому до нього спeцифiчнoгo б^ка хлоротоксину. З використанням МРТ було показане накопичення нaнoзoндiв у тканиш 9L глioми (тобто, пiдсилeння пухлини), а при подальшому гiстoлoгiчнoму дослщженш тoксичнi ефекти у зoнi накопичення не виявлеш. Автори вважають, що висока спeцифiчнiсть нaнoзoндiв i позитивна бюлопчна вiдпoвiдь на ïх введення зумовлюють дощльшсть використання цих структур для дiaгнoстики й лiкувaння глюм та iнших нейроектодермальних пухлин. Розроблений
НанотехнологИ в нейрохгрургИ: стан проблеми i перспективи розвитку
13
мультифункцюнальний нанозонд [35], накопичення якого у тканин пухлини можна виявити не лише за допомогою МРТ, а й флуоресцентно1 мшроскопп. Це так само оксид зал1за, вкритий ПЕГ i функц1онал1зо-ваний хлоротоксином i флуоресцшючою молекулою Cy5.5. Таю нанозонди можна використовувати не лише для д1агностики, а й в1зуал1зацИ зони резек-цп пухлини шд час в1дкрито1 операцп; при цьому дооперацшш дан в1дпов1дали штраоперацшним з розподшьчою здатшстю на р1вн1 едино1 клгтини.
Наночастинки i квантов1 точки можуть бути використаш як фотосенситизатори для фотодина-м1чно1 та променево1 терапп злояюсних пухлин [19], зокрема, нервово1 системи. Загалом наночастинки оксиду зал1за мають досить велику поверхню i можуть бути функцюнал1зоваш туморспециф1чними л1гандами для д1агностичного й лшувального вико-ристання [26].
Синтетичш «нев1русн1» матер1али набувають дедал1 б1льшо1 популярносл як перспективш век-тори для генно1 терапп нервових хвороб. Оргашчно модифшоваш кремн1ев1 наночастинки ефективно переносили гени у нейрони in vivo [28]. 1х можна використовувати для лшування нейродегенератив-них хвороб. Для забезпечення oргaнcпeцифiчнoi трансфекцп нaнoвeктoрiв використовують магштш поля [9].
Оксидантний стрес i вiльнoрaдикaльнe пошкод-ження cпocтeрiгaють за рiзних патолопчних cтaнiв у нeрвoвiй ткaнинi, проте, вони ввдграють прoвiдну роль при нейродегенеративних хворобах. Вщзначеш aнтиoкcидaнтнi властивосл наночастинок цeрiю оксиду, яю подовжували життездaтнicть клiтин, оргашз-му, захищали вiд вiльнoрaдикaльнoгo пошкодження i iндукoвaнoгo травмою пошкодження нeйрoнiв [30].
1они мeтaлiв накопичуються у нервовш ткaнинi пiд час cтaрiння i при деяких нейродегенеративних хворобах. Дослщники все чacтiшe звертають увагу на накопичення цинку i мiдi — при хвoрoбi Альцгеймера (ХА), зaлiзa — при пaркiнcoнiзмi; взaемoдiя амшо1ду з зaлiзoм, ймoвiрнo, лежить в ocнoвi прогресування ХА [36]. Автори вивчали дш D-пeнiцилaмiну, ко-валентно зв'язаного з наночастинкою. Встановлено, що цей комплекс здатний проникати крiзь ГЕБ й ефективно зв'язувати юни мeтaлiв. Вони вважають, що такий «нанокон'югований» пенщиламш здатний не лише запобтати накопиченню aмiлoiду, а й резор-бувати депозити мeтaлiв при нейродегенеративних захворюваннях.
Прямi нeрвoвi iнтeрфeйcи («мозково-машинш» або «мoзкoвo-кoмп'ютeрнi») забезпечують прямий зв'язок головного мозку людини або тварини чи культури нервових клгтин з зoвнiшнiм приладом. Зменшення фiзичних рoзмiрiв прoтeзiв за допомогою нанотехно-лoгiй, зокрема, NEMS дозволить iмплaнтувaти !х з мМмальним пошкодженням з використанням малох кранютомп i вмiщувaти на oднiй мiкрocхeмi бiльшу кiлькicть функцioнaльних блoкiв.
Суттевою проблемою шд час iмплaнтaцii прoтeзiв у нервову тканину е формування бального рубця. Запропоноване нiтрoцeлюлoзнe покриття для тривалого i цiльoвoгo вившьнення дексаметазону (НЦПДМ) [37]; пiд час дослщжень in vitro препарат видшявся протягом 16 дiб з шком дози в пeршi 3 доби. Електроди, вкрип НЦПДМ, iмплaнтувaли у
мозок щурам i вивчали реакцш нервово1 тканини. Biдзнaчeнo, що препарат ефективно пригшчуе формування рубцeвoi тканини у м^щ iмплaнтaцii i не впливае негативно на функцюнування eлeктрoдiв.
Встановлено мoжливicть використання нaнoтeхнoлoгiчних прилaдiв як мoнiтoрiв для мiнiмaльнo швазивного мoнiтoрингу: бioceнcoри, вигoтoвлeнi на ocнoвi карбонових нанотрубок, що можуть виявляти cпeцифiчнi пocлiдoвнocтi ДНК, якi свщчать про злoякicнe переродження; шунти можуть бути модифшоваш сенсорами, яш б вказували юльюсть лeйкoцитiв, вмicт бшка, глюкози; NEMS- i MEMS-сенсори, здатш виявляти бактер^, та iн. [9]. Карбожш нанотрубки i наносенсори, розроблеш для визначення тиску i швидкосп току спинномозково'^ рiдини, можуть бути iмплaнтoвaнi на рiзних рiвнях шунта з тим, щоб оцшювати прохщшсть його i визначати дiлянку дисфункцп. Пoдiбнi iннoвaцii можуть бути застосоваш до вeликoi кiлькocтi нeйрoхiрургiчнoгo обладнання.
Таким чином, нанотехнологп суттево змшять медицину, зокрема, нeйрoхiрургiю у найближчому майбутньому [9]. Численш нaнoтeхнoлoгiчнi розробки ^нують у «робочому» виглядi вже сьогодш, напри-клад, вiзуaлiзaцiя частинками оксиду зaлiзa, нoвiтнi нейропротези та ш.
Список лiтepатypи
1. Розенфельд Л.Г., Москаленко В.Ф., Чекман 1.С., Мовчан Б.О. НанотехнологИ, наномедицина: перспективи нау-кових досл1джень та впровадження !х результат1в у медичну практику //Укр. мед. часопис. — 2008.
— №5(67). — С.63-68.
2. Alyautdin R.N., Petrov V.E., Langer K. et al. Delivery of loperamide across the blood-brain barrier with polysor-bate 80-coated polybutylcyanacrylate nanoparticles // Pharm. Res. — 1997. — V.14, N3. — P.325-328.
3. Bremerich J., Bilecen D., Reimer P. MR angiography with blood pool contrast agents // Eur. Radiol. — 2007. — V.17, N12. — P.3017-3024.
4. Bulte J.W., Kraitchman D.L. Monitoring cell therapy using iron oxide MR contrast agents // Curr. Pharm. Biotechnol.
— 2004. — V.5, N6. — P.567-584.
5. Chang W.C., Hawkes E.A., Kliot M., Sretavan D.W. In vivo use of a nanoknife for axon microsurgery // Neurosurgery.
— 2007. — V.61, N4. — P.683-691; discussion 691-692.
6. Dugan L.L., Gabrielsen J.K., Yu S.P. et al. Buckminster-fullerenol free radical scavengers reduce excitotoxic and apoptotic death of cultured cortical neurons // Neurobiol. Dis. — 1996. — V.3, N2. — P.129-135.
7. Dugan L.L., Lovett E.G., Quick K.L. et al. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders // Parkinson. Relat. Disord. — 2001. — V.7, N3. — P.243-246.
8. Dugan L.L., Turetsky D.M., Du C. et al. Carboxyfullerenes as neuroprotective agents // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.
— 1997. — V.94, N17. — P.9434-9439.
9. Elder J.B., Liu C.Y., Apuzzo M.L. Neurosurgery in the realm of 10(-9), Part 2: applications of nanotechnology to neurosurgery-present and future // Neurosurgery.
— 2008. — V.62, N2. — P.269-284; discussion 284-285.
10. Ellis-Behnke R.G., Liang Y.X., Tay D.K. et al. Nano hemo-stat solution: immediate hemostasis at the nanoscale // Nanomedicine. — 2006. — V.2, N4. — P.207-215.
11. Ellis-Behnke R.G., Liang Y.S., You S. et al. Peptide nano-fiber scaffold for brain repair and axon regeneration with functional return of vision. Where do we go from? // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine.
— 2005. — V.2, N4. — P.317.
12. Ellis-Behnke R.G., Tay D.K., Liang Y.X. Crystal clear
14
U;uM6aAmK B.I., KpeMe-yb K.r.
surgery with self-assembling molecules that act as a bio barrier in the brain and intestine // Nanomedicine.
— 2005. — V.1, N3. — P.269-270.
13. Feynman R.P. There's plenty of room at the bottom // Engineering and Science. — 1960. — V.23. — P.22-36.
14. Freitas R.A. Jr. Current status of nanomedicine and medical nanorobotics // J. Comput. Theor. Nanosci. — 2005.
— V.2. — P.1-25.
15. Gobin A.M., O'Neal D.P., Watkins D.M. et al. Near infrared laser-tissue welding using nanoshells as an exogenous absorber // Lasers Surg. Med. — 2005. — V.37, N2.
— P.123-129.
16. Heckl S. Future contrast agents for molecular imaging in stroke // Curr. Med. Chem. — 2007. — V.14, N16.
— P.1713-1728.
17. Jander S., Schroeter M., Saleh A. Imaging inflammation in acute brain ischemia // Stroke. — 2007. — V.38, N2.
— P.642-645.
18. Jin H., Chen W.Q., Tang X.W. et al. Polyhydroxylated C60, fullerenols, as glutamate receptor antagonists and neu-roprotective agents // J. Neurosci. Res. — 2000. — V.62.
— P.600-607.
19. Juzenas P., Chen W., Sun Y.P. et al. Quantum dots and nanoparticles for photodynamic and radiation therapies of cancer // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — Sept.20. www.unboundmedicine.com
20. Kiessling F. Noninvasive cell tracking // Handb. Exp. Pharmacol. — 2008. — V.185, Pt2. — P.305-321.
21. Kreuter J. Nanoparticulate systems for brain delivery of drugs // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2001. — V.47, N1.
— P.65-81.
22. Kreuter J., Gelperina S. Use of nanoparticles for cerebral cancer // Tumori. — 2008. — V.94, N2. — P.271-277.
23. Leary S.P., Liu C.Y., Yu C., Apuzzo M.L. Toward the emergence of nanoneurosurgery: part I-progress in nanosci-ence, nanotechnology, and the comprehension of events in the mesoscale realm // Neurosurgery. — 2005. — V.57, N4. — P.606-634; discussion 606-634.
24. Lee D., Mohapatra S.S. Chitosan nanoparticle-mediated gene transfer // Methods Mol. Biol. — 2008. — N433.
— P.127-140.
25. Neumaier C.E., Baio G., Ferrini S. et al. MR and iron magnetic nanoparticles. Imaging opportunities in preclinical and translational research // Tumori. — 2008. — V.94, N2.
— P.226-233.
26. Peng X.H., Qian X., Mao H. et al. Targeted magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy // Int. J. Nanomed. — 2008 — V.3, N3. — P.311-321.
27. Petry K.G., Boiziau C., Dousset V., Brochet B. Magnetic resonance imaging of human brain macrophage infiltration // Neurotherapeutics. — 2007. — V.4, N3. — P.434-442.
28. Roy I., Stachowiak M.K., Bergey E.J. Nonviral gene trans-fection nanoparticles: function and applications in the brain // Nanomedicine. — 2008. — V.4, N2. — P.89-97. Epub 2008, Mar 3.
29. Silva G.A., Czeisler C., Niece K.L. et al. Selective differentiation of neural progenitor cells by high-epitope density nanofibers // Science. — 2004. — V.303, N5662.
— P.1352-1355. Epub 2004, Jan 22.
30. Singh N., Cohen C.A., Rzigalinski B.A. Treatment of neu-rodegenerative disorders with radical nanomedicine // Ann. N.Y. Acad. Sci. — 2007. — N1122. — P.219-230.
31. Slotkin J.R., Cahill K.S., Tharin S.A., Shapiro E.M. Cellular magnetic resonance imaging: nanometer and micrometer size particles for noninvasive cell localization // Neuro-therapeutics — 2007. — V.4, N3. — P.428-433.
32. Sretavan D.W., Chang W., Hawkes E. et al. Microscale surgery on single axons // Neurosurgery. — 2005. — V.57, N4. — P.635-646; discussion 635-646.
33. Sun C., Veiseh O., Gunn J. et al. In vivo MRI detection of gliomas by chlorotoxin-conjugated superparamagnetic nanoprobes // Small. — 2008. — V.4, N3. — P.372-379.
34. Sykova E., Jendelova P. In vivo tracking of stem cells in brain and spinal cord injury // Prog. Brain. Res. — 2007.
— N161. — P.367-383.
35. Veiseh O., Sun C., Gunn J. et al. Optical and MRI multifunctional nanoprobe for targeting gliomas // Nano Lett.
— 2005. — V.5, N6. — P.1003-1008.
36. Zhengrong C., Lockmanb P.R., Atwoodc C.S. et al. Novel D-penicillamine carrying nanoparticles for metal chela-tion therapy in Alzheimer's and other CNS diseases // Eur. J. Pharmaceut. Biopharmaceut. — 2005. — V.59, N2.
— P.263-272.
37. Zhong Y., McConnell G.C., Ross J.D. et al. A novel Dexa-methasone-releasing, anti-inflammatory coating for neural implants // Neural Engineering. — 16-19 March, 2005.
— Conference Proceedings. 2nd International IEEE EMBS Conference, Pages. — P.522-525.
Hanomexno^ozii e neupoxipypzii: cman npoG^eMU i nepcnenmueu po3eumKy
15
HaH0TexH0^0riI b Heftpoxipyprii: cthh npo6.neMM i nepcneKTMBM po3BMTKy
U,UM6aawK B.I., KpeMe'yb K.r.
iHCTMTyT HeMpoxipyprii iM. aKafl. A. n. PoMoflaHoBa AMH YKpaiHM, m. KM'iB
Haнoмe,цмцмнa — цe po3fli, MeflMHHo'i HayKM, npMCBHHeHMM fliarHocTM^, .iKyBaHHM i npo-^i.aKTM^ XBopo6 i TpaBM, no.errneHHM 6o,m, 36epe^eHHM, noKpa^aHHM 3flopoB'a .MfleM, 3 BMKopMCTaHHHM Mo.eKynapHMx iHCTpyMeHTiB i BifloMocTeM npo Ti.o aMflMHH Ha Mo.eKynapHoMy piBHi. MeToM нaнoмeflмцмнм e BMBHeHHA i 3acTocyBaHHH HaHoTexHo.oriHHMx po3po6oK y MeflMHHiM npaKTM^. Цfl ra,y3b HayKM ctpmmko po3BMBaeTbca. OcKi.bKM HeMpoxipypria e oflHieM 3 HaM6i,brn «TexHoKpaTMHHMx» i nporpecMBHMx MeflMHHMx flM^Mn.rn, HaHoTexHo.oriHHi flocarHeHHH rnMpoKo BnpoBafl^yMTbca i 3acTocoByMTbca b HiM, rn;o cnpMHTMMe y HaM6,M^HoMy MaM6yTHboMy noaBi пpмнцмпoвo hobmx MeTofliB fliarHocTMKM M .iKyBaHHa xBopMx. B or.afli KopoTKo BMcBiT.eHi ocHoBHi npo6,eMM HaHoTexHo.oriM b HeMpoxipypri'i i nepcneKTMBM po3BMTKy ra,y3i.
K^ro^oBi c^oBa: нaнотeхноAоггi, HaHOMedu^Ha, нaнонeuрохiрургia, нaнохiрургiн.
HaH0TexH0^0rMM b HefipoxMpyprMM: cocToaHMe npoG^eMM m nepcneKTMBM pa3BMTMH
UfiiM6a^mK B.M., Kpeмeц K.r.
MicTMTyT HeMpoxMpyprMM mm. aKafl. A. n. PoMoflaHoBa AMH YKpaMHbi, r. KMeB
Haнoмeflмцмнa — pa3fle, мeflмцмнcкoм HayKM, nocBH^eHHUM flMarHocTMKe, .eneHMM m npo-^M.aKTMKe 6o,e3HeM m TpaBM, o6,erneHMM 6o,m, coxpaHeHMM, ynynrneHMM 3flopoBbH .MfleM, c Mcno,b3oBaHMeM Mo.eKynapHbix MHcTpyMeHToB m cBefleHMM o6 opraHM3Me He.oBeKa Ha Mo.eKy-.hphom ypoBHe. нaнoмeflмцмнu HB.aeTca M3yneHMe m npMMeHeHMe HaHoTexHo.orMHecKMx
pa3pa6oToK b nparcranecKoM мeflмцмнe. Этa HayKa 6bicTpo pa3BMBaeTca. nocKo.bKy HeMpoxMpyprMH HB.aeTca oflHoM M3 HaM6o,ee «TexHoKpaTMHecKMx» m nporpeccMBHUx мeflмцмнcкмx flM^Mn.MH, flocTM^eHMH HaHoTexHo.orMM 6yflyT rnMpoKo npMMeHHTbca MMeHHo b этoM o6,acTM, hto 6yfleT cnoco6cTBoBaTb noaB.eHMM b 6,M^aMrneM 6yflyrn;eM пpмнцмпмa,bнo hobux MeTofloB flMarHocTMKM m .eneHMH. B o63ope KopoTKo ocBern;eHbi ocHoBHue npo6,eMbi HaHoTexHo.oraM b HeMpoxMpyprMM m nepcneKTMBU pa3BMTMH oTpac.M.
Karo^eBMe c^oBa: нaнотeхноAогuu, HaHOMedu^Ha, нaнонeuрохuрургua, нaнохuрургuн.
Nanotechnologies in neurosurgery: current concepts and development perspectives
Tsymbalyuk V.I., Kremets C.G.
Institute of neurosurgery named after acad. A.P. Romodanov of Academy of Medical Sciences of Ukraine, Kiev
Nanomedicine is a field of medical science that deals with diagnostics, treatment and prevention of diseases and injuries, relieving pain, human health preservation and improvement using molecular tools and knowledge about human body structure on molecular level. The goal of nanomedicine is to study and apply nanotechnological developments in practical medicine. It is rapidly developing science. As neurosurgery is one of the most «technocratic» and advanced medical field, so nanotechnological developments will be used widely in neurosurgery and this will lead to appearance of fundamentally new diagnostic and treatment modalities in the nearest future. In this review the major problems of nanotechnologies in neurosurgery and heir future perspectives are briefly elucidated.
Key words: nanotechnologies, nanomedicine, nanoneurosurgery, nanosurgery.
