Методический материал при изучении тем по лабораторным исследованиям Статья " Нано технологии в системе проведения лабораторных исследований на современном оборудовании в преподавании специальных дисциплин" Преподаватель Медведицков Н.М.

НАНО ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА СОВРЕМЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ В ПРЕПОДАВАНИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН

Медведицков Николай Михайлович,

ГБПОУ ДЗМ «Медицинский колледж №1», г. Москва 

Наука вступила в эру нано технологий широким фронтом с прошлого века- когда появились работы по молекулярному узнаванию (которые сейчас можно отнести к разряду «нано биотехнологии»). Молекулярное узнавание и молекулярное конструирование входят в основной каталог нано технологий современных методов исследования.

Нано технологии качественно отличаются от традиционных методов исследования и качественно повышают уровень аналитических процедур при исследовании биологического материала.

На уровнях 10-9 н\метра и ниже привычные, макроскопические методы обращения с веществом становятся неприменимыми, а микроскопические явления по силе своей пренебрежительно слабые. В привычных масштабах они становятся намного значительнее и их влияние на исследуемые процессы уже нельзя игнорировать: здесь надо учитывать свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, молекулярных комплексов, квантовые эффекты и эта значимость на сегодня является приоритетной в исследованиях биоматериалов и наиболее актуальной при преподавании в системе медицинского образования. В практическом аспекте нано технологии – это производство устройств, приборов, нового уровня анализаторов для анализа и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Нано технологии сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты при исследованиях:

• использование передовых научных разработок применения нанотехнологий для решения практических задач;
• в исследовательской и аналитической части медицины использование современных методов и методик т.е. к наиболее новым и прогрессивным технологиям современности по исследованию инфекций и вирусов.  

Нанотехнологии – это технологии, которые манипулируют единичными объектами размером не более 100 нм и используют их уникальные свойства, возникающие вследствие того, что в наночастицах, благодаря их малым размерам, существенно изменяются физикохимические свойства вещества этим самым позволяют более точно и качественно анализировать представленный биоматериал.

В преподавании специальных дисциплин курсовыми модулями применяются различные методы совершенствования изучения практического материала для повышения профессиональной компетенции будущих специалистов. Важно установить тесную связь между медицинским клинико-дагностическим учреждением и из первых рук получать все новейшие разработки по применению нано технологий и новых методов исследования по выявлению заболевания на ранних стадиях. Использование разработанных молекулярно-генетических методик (на основе ПЦР-анализа и секвенирования фрагментов генома и других современных методов), нанодиагностика позволила впервые изучить генетическое разнообразие популяций вирусов и оценить эпидемиологический потенциал с учётом спектра циркулирующих вирусов и инфекций. Впервые картографический анализ эпидемиологически значимых критериев, выполненный на основе технологии с применением математических и статистических методов, специально созданных аналитических компьютерных карт, тенденционных маршрутов заболевания по каждому больному позволяет объективно провести диагностику опасного процесса и точно определить тип заболевания. Такие методики применяются широко в ГБУГКБ имени С.П.Боткина. При изучении тем гистологического, гематологического, микробиологического исследования с обучающимися медицинского образовательного учреждения проводятся занятия по новой методике и изучение нового материала освещается не одним преподавателем, а для изучения привлекается специалист, работающий непосредственно на техническом оборудовании – анализаторе. 

Компьютерные анализаторы показывают возможности использования современных методов ПЦР-анализа для решения ряда эпидемиологических задач, связанных с изучением заболеваемости, верификацией клинического диагноза, выявлением основных источников инфекции и определением границ природных очагов вирусов. Некоторые теоретические и практические вопросы вирусологии, касающиеся идентификации вирусов, определения их таксономической принадлежности, характеристики гетерогенности вирусных популяций обучающиеся получают непосредственно от профессиональных лабораторных техников. Специалист раскрывает сущность ПЦР-анализа и секвенирование выбранных фрагментов генома, которые были сконструированы как системы универсальных консенсусных праймеров на основе фрагментов кодирующей части генома вирусов - гена нуклеопротеина N (S-сегмента) и гена гликопротеина G2 (М-сегмента) и на их основе разработаны ПЦР-методики для выявления широкого спектра штаммов, циркулирующих в природе. Современные анализаторы позволяю точно устанавливать причину диагностировать тип инфекции.

Лабораторный техник показывает, как работает прибор –анализатор, как проводится оформление и регистрация биоматериала для исследования.

ПЦР-анализ — это новый, качественно результативный метод исследования. В последнее время происходит бум в методах исследованиязаинтересованность связана с возможностью получения материалов с абсолютно новыми химическими, физическими и биологическими свойствами, благодаря маленькому размеру, структуре, химическому составу и большой площади поверхности Компания Envision A Living Revolution [8] сообщила о коммерциализации новой системы

распознавания инфекционных заболеваний, которая способна выделять различные виды гриппа в течение нескольких секунд. В основе новой системы лежит нано технология, которая уже показала свою эффективность в лабораторных испытаниях Технология Envision ALR имеет возможность анализировать образцы крови в течение минуты. Технология требует буквально каплю крови или слюны пациента и дает результирующую информацию прямо на месте. Устройство для анализов базируется на печатной электронике и использует уникальные свойства набора нано чернил. Технология – быстра, точна и осуществляется портативным мобильным устройством, которым могут легко пользоваться в операционных, госпиталях, аэропортах и т.д. Такие мобильные оперативно действующие приборы будут способны дать быструю оценку патогенов и определить различия между ними, уменьшив тем количество ошибок и ложных тревог и, тем самым, повысить эффективность использования медицинских заведений.

Нано медицина – это молодая наука, которая исследует целесообразность применения разработок специалистов по нанотехнологиям в медицинских целях (для целевой доставки лекарственных средств, в биосенсорах, протезах, при диагностировании, мониторинге и лечении).

 Технологическая маршрутизация образовательного процесса — это тоже новое начало в образовательном медицинском потенциале. На основе маршрутных технологических карт до обучающих доводится новый, самый актуальный материал. Технологический маршрут выстраивается ведущим преподавателем так, что предусмотренная вариационная самостоятельная работа обучающегося мотивирует на изучение более нового актуального материала.

Перед будущим специалистом задача диагностировать заболевание и правильно провести исследование биоматериала. Всем известно: чем раньше распознать болезнь, тем легче её вылечить. Поэтому сегодня многие учёные посвящают свои работы усовершенствованию уже существующих и разработке новых методов диагностики на основе нано материалов. Этот метод диагностики получил название нанодиагностка. Таким образом изучается актуальный материал о новейших методах и самое главное на практике подтверждение своих знаний.  

Так предлагается следующий актуальный материал по темам модульных исследований:

1.Диагностирование in vivo дает возможность обнаруживать заболевания на ранних стадиях, в основном благодаря улучшению качества диагностики, основанной на передаче визуальной информации о состоянии молекулярной структуры. In vitro диагностика развивается благодаря использованию наночастичек в инновационных методах измерения и в качестве биомаркеров.

В компании Xageniс уже в промышленных масштабах производят наноприборы, в основе которых лежат нано сферы с шипами нано золота и чувствительными датчиками. С помощью золотых нано сфер стало возможным обнаруживать раковые клетки задолго до того, как они начинают образовывать опухоль. Введение его в клиническую практику позволяет в течение 20 минут проводить диагностирование нескольких возбудителей одновременно.

2.Широкое применение в диагностике нашли аллотропные видоизменения углерода. Команда ученых из Института

Фундаментальных Наук (Institute for Basic Science), г. Сеул, Южная Корея, разработала двойной пластырь, который может одновременно проверять уровень сахара в крови больных диабетом и вводить лекарства при обнаружении повышенного уровня глюкозы. Основу этого пластыря составляет графен, очень прочный и гибкий материал, который состоит из атомов углерода. Для фиксирования изменений сахара исследователи добавили к графену нано частицы золота. Когда больной диабетом человек ставит пластырь на кожу, то встроенные датчики захватывают пот и фиксируют в нём изменения pH и температуры.

 Рис. 1 - Нанопластырь

После фиксации высокого уровня сахара, срабатывают датчики, и микроиглами подается препарат, который нормализует уровень глюкозы.

3. В последнее время проводится активное внедрение в диагностику наночастиц металлов и оксидов металлов. Так материалам нанозолота характерна способность к поверхностно плазмонному резонансу. Частицы способны интенсивно отражать свет, чем обусловлено активное использование для диагностических целей. В частности, для выявления аминокислот (цистеина и гомоцистеина). Установлено, что присутствие гомоцистеина в концентрациях выше 15 мкмоль/л является маркером таких патологий, как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания. Наностержни золота с NLS-пептидом (nuclear localization signal peptide) способны специфически связываться с ядерными структурами, благодаря чему было получено изображение ядер раковых клеток. Для целевой фотоакустической визуализации рака желудка исследуют наполненные естественными киллерами (NK-клетками) кремнезем-модифицированные нанотрубки золота.
4. МРТ (магнитно-резонансная терапия) – это метод неинвазивной медицинской диагностики in vivo, который позволяет получить высококонтрастное изображение тканей тела (мозга, мышц, сердца, новообразований) и поэтому широко применяется в медицине.

Для лучшей визуализации злокачественных опухолей используют контрастные вещества на основе магнитных наночастиц железа. Контрастный препарат для диагностики рака печени Resovist® (компании Schering) был одобрен для европейского рынка. В состав Resovist® входят суперпарамагнитные наночастицы железа, покрытые карбоксидекстрином, которые накапливаются в процессе фагоцитоза в клетках ретикулоэндотелиальной системы печени Наночастицы оксидов железа, благодаря способности концентрироваться в лимфатических узлах, применяются в магнитно-резонансной ангеографии для определения метастазов в лимфатических узлах.

5.Схема переноса наночастиц оксида железа в лимфатическую систему,также широкое применение в качестве визуализирующих веществ приобрели Gd-содержащие нанокомпозиты и хелатные соединения Марганца, которые используют для сканирования пищеварительного тракта. Следует заметить, что Гадолиний токсичен и поэтому его необходимо связывать в комплексы, которые термодинамически и кинетически устойчивы, а так же это класс гибридных нанокомпозитов (построенных по многоуровневой иерархической структуре) можно успешно использовать для биомедицинской визуализации.

Рис. 3 - Схема переноса наночастиц оксида железа в лимфатическую систему

6.Широко исследуют наночастицы магнетита с флуоресцентными веществами такими, как полупроводниковые квантовые точки, органические красители (способные к флуоресценции) и комплексы металлов-нанодиагностикумы: нанодиагностикумы на основе сканирующих микроскопов высокогоразрешения;нанодиагностикумы на основе нанопроводов и нанопор.Концентрационный барьер для обнаружения и идентификации белковых молекул в биологическом материале, существующий в настоящее время в протеомике, составляет 1010 M, а методы радиоиммунного (RIA) и иммуноферментного (ELISA) анализа имеют предел чувствительность порядка 10-12 М [Anderson & Anderson, [9,с.25] и современные диагностические приборы просто не «видят» низкокопийные тканевые белки в крови.

Последние нанотехнологические разработки позволяют достаточно успешно решить эту проблему. Регистрировать белки – маркеры заболеваний можно, используя молекулярные детекторы.

Таким образом, современный научно-технический прогресс связан со всесторонним исследованием наномира. Залогом успешного лечения является своевременная и максимально информативная диагностика заболеваний и успешное обучение современным методам исследования медицинского персонала. 

Нано технологии являются системообразующей наукой, которая подобно информатике изменит в недалеком будущем лицо вех существующих наук. В последнее десятилетие возникло новое направление в науке и технологиях – нанобиотехнология или биомолекулярная нанотехнология. Эта область познания представляет собой биологическое использование нанотехнологий, в качестве связующего звена между живой и неживой природой. В преподавании специальных дисциплин материал изучения структур и функций природных наноконструкций, существующих в живой клетке послужит связующим фактором межпредметных связей живого с диагностикой и инженерией, а также будет способствовать развитию профессиональных компетенций в медицинских исследованиях, будет развивать создание новых нано биоустройств. 

Список литературы

1. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Уч. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 117 с.
2. Андриевский Р.А. Нано структурные материалы – состояние разработок и применение. // Перспективные материалы. 2018. №6. С.5–11.
3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2015 – 112 с.
4. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. – М.: МИФИ, 2014. – 32 с.
5. Яминский И.В. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. М., "Научный мир", 2017г.
6. Сайт википедия-http://Wikipedia.org. http://rnd.cnews.ru/.
7. Сайт нононовости --http://www.nanonewsnet.ru.
8. Сайт градусник-http://www.gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w58k-nanomed2/.
9. Gleiter H. In: Deformation of Polycrystals. Proc. of 2nd RISO Symposium on Metallurgy and Materials Science (Eds. N. Hansen, T. Leffers, H. Lithold). Roskilde, RISO Nat. Lab., 2019, p. 15–21.
10. Birringer R., Gleiter H., Klein H.-P., Marquard P. Phys. Lett. B, 2017, v. 102, p. 365– 369; Z. Metallkunde, 2018, Bd. 75, S. 263–267.