Введение

Аннотация

Данная статья посвящена рассмотрению перспектив лечения заболеваний канцерогенной природы благодаря использованию различных видов структур, подпадающих под определение «наноробот», в том числе как инженерных и конструкторских решений, так и решений, реализуемых благодаря молекулярной и клеточной биотехнологии. В статье раскрываются причины, по которым использование подобных решений сегодня не носит массового характера, а также даётся краткий прогноз реализуемости данных решений с точки зрения терапии онкогенных заболеваний в будущем.

Цель: Рассмотреть перспективы использования нанороботов для лечения заболеваний канцерогенной природы;

Задачи:

1. Рассмотреть понятия и виды инженерных и биотехнологических структур, подходящих под определение «наноробот»;
2. Раскрыть особенности выделенных решений с точки зрения реализуемости в настоящем и будущем;
3. Выделить ряд наиболее подходящих решений для терапии рака и обосновать их теоретическую значимость для будущего.

Ключевые слова: рак, канцерогенез, нанороботы, терапия, будущее.

На сегодняшний день онкогенные заболевания являются одним из самых пугающих явлений для большинства людей мира. Так, по материалам ТАСС рак считают самым страшным заболеванием 69% жителей России [1] и примерно такие же результаты зафиксированы в других странах, например, в Великобритании [2]. Особо крайняя форма страха перед канцерогенными заболеваниями даже получила собственное место в учебнике психиатрии и название «канцерофобия» или «карцинофобия».

В тоже время рак является одним из заболеваний с самой высокой летальностью и входит в ТОП 3 причин смертности от заболеваний, унося жизни ежегодно порядка 10 млн человек [3].

Между тем как само понятие «рак» является собирательным названием для различных видов злокачественных опухолей и новообразований с различной этиологией, но общим симптоматическим проявлением – эти клетки достаточно быстро размножаются и распространяются, потребляют большое количество органических веществ организма, происходят из видоизменённых клеток человека и за редким исключением бывают атакованы естественной иммунной системой человека, т.к. имеют схожий или одинаковый генетический код, сайты узнавания и антигены на поверхности клеток, а ряд онкогенных клеток и вовсе используют силы иммунной системы для собственного питания [4].

В различных научно-фантастических фильмах на помощь человеку в борьбе с карциномой приходят наноботы или нанороботы – микроскопические роботы, свободно перемещающиеся по кровяному руслу и в межтканевой жидкости, они находят потенциально опасный объект и атакуют его с помощью встроенных приспособлений. Между тем, возможны ли такие машины вообще – вопрос открытый, как и способны ли они уничтожать рак.

Начнём с определения что же такое наноробот и для начала выделим, что же означает приставка нано. Нано – это обозначение в виде приставки, утверждённой в Международной системе СИ, знаменующее собой объект, находящийся в пределах размеров от 1×10-9 степени или иначе говоря 1 миллиардная часть чего либо, в данном случае, 1 миллиардная часть сантиметра.

Исходя из самого определения приставки нано мы можем уже сказать, что под определение наноробота не может подойти ни один из потенциально возможных конструкторских механизмов, так как в пределах размеров 10-9 степени находятся такие объекты как ДНК, РНК, белки, антитела или, например, мельчайшие вирусы.

На данный момент времени человек не располагает такими технологиями, которые были бы способны создать металлическую конструкцию размером с небольшое органическое вещество, однако, данного и не требуется, ведь, если мы обратимся к определению робот, то получим исчерпывающий образ наноробота.

И так, что же такое робот? Как утверждает Международная Федерация Робототехники (IFR) «робот — это рабочий механизм, программируемый по нескольким осям с некоторой степенью автономности и способный передвигаться в пределах определенной среды, выполняя поставленные задачи» [5]. Для удобства разобьём данное понятие на составные части. И так, робот должен соответствовать следующим критериям:

1. Он должен быть запрограммирован неким создателем;
2. Должен быть частично автономным, то есть его алгоритм действий должен иметь широкую вариативность;
3. Он должен быть приспособлен к передвижению в определённой среде;
4. Он должен выполнять некую функцию, заложенную создателем.

Таким образом мы видим, что на службе у биотехнологов, генетиков и микробиологов уже давно есть нанороботы – это различного рода генетически модифицированные вирусы, видоизменённые плазмиды бактерий, блуждающие элементы ДНК или транспозоны, а также участки ДНК, РНК, белки, аминокислоты или, к примеру, липиды и полигликозиды с определёнными свойствами.

Наиболее широко известны в роли «управляемых машин» вирусы, т.к. даже простейшие из них способны действовать по строго определённому алгоритму. В природе этот алгоритм обусловлен жаждой вируса к саморепликации путём введения собственного генетического материала в клетку хозяина. Перепрограммированные вирусы как и природные находят белки или гликолипидные кончики с определённой последовательностью веществ и зарядом на клеточной оболочке или мембране клетки и используют её чтобы проникнуть внутрь. Чаще всего вирусы присоединяясь к специфическому антигену клетки инициируют реакцию пиноцитоза, то есть механизм, благодаря которому клетка поглощает жидкую пищу, однако, есть ряд вирусов, которые инициируют фагоцитоз – механизм поглощения твёрдых тел (в основном у одноклеточных животных организмов) или даже способны «проталкивать» свой генетический аппарат сквозь молекулы билипидного слоя клеточных мембран.

Затем вирус использует различные ухищрения, чтобы не быть «съеденным» клеткой, например, он может маскироваться под мигрирующие по клетке питательные вещества, может нарушать процесс формирования первичной фагосомы, нарушать процесс слияния пищеварительной лизосомы с везикулой (фагосомой) или даже нейтрализовать пищеварительные элементы вторичной лизосомы (фагосомы, слившейся с первичной лизосомой).

В конце концов вирус встраивается в генетический аппарат хозяина или «вносит свои коррективы» в процесс чтения (трансляции) матричной ДНК рибосомой. Тут пути настоящего вируса и генетически модифицированного расходятся. В то время как настоящий природный вирус запускает процесс разрушительного самовоспроизведения и бесконтрольно множится – запрограммированный вирус либо не реплицируется вовсе, встраиваясь в генетический аппарат клетки навсегда, либо реплицируется в ограниченных количествах или строго до выполнения определённой команды.

В тоже время искусственные вирусы обладают тем самым критерием ограниченной автономности поскольку способны узнавать специфические последовательности веществ гликокаликса и клеточной мембраны и заражать строго определённый тип клеток, например, избирательно клетки кожи или клетки иммунной системы. Однако, здесь возникает проблема, ведь, большинство клеточных линий рака не обладают специфическими последовательностями гликокаликса, отличающими их от окружающей ткани. По этой причине нельзя заставить вирус уничтожить избирательно раковую клетку, хотя, в некотором роде, исключения есть. Так, например, по данным статьи Robert A. Adair и его коллег им удалось выявить и модифицировать онколитический реовирус, который избирательно воздействует на раковые клетки и практически безвреден для остальных клеток [6]. Кроме этого, примечательно, что вирус вызывает иммунную реакцию организма, который, охотясь за вирусом, запускает процесс апоптоза (самоуничтожения) также и в онкогенных клетках. Аналогично, например, исследуется онколитическая функция вируса под названием CF33-hNIS, который, по заявлению автора работает против метастазирующих солидных опухолей [7].

Между тем, большинство вирусных препаратов против онкогенных клеток действуют таким образом, что они изменяют или повреждают антигены на раковых клетках или не дают им выделять маскирующие сигнальные белки, открывая для собственной иммунной системы человека обнаружить и уничтожить карциному. Между тем и тут, в данном варианте, есть ряд недостатков, например, все то же бесконтрольное размножение вируса, которое может произойти при его мутации внутри клетки или в результате нарушения условий хранения вакцины. Кроме этого, вирус может недостаточно изменить антигенную последовательность клетки или вовсе быть уничтоженным иммунной системой организма еще до внедрения во все онкогенные клетки.

Таким образом мы видим определённые успехи в терапии раковых заболеваний с помощью биотехнологических нанороботов, однако многие формы злокачественных опухолей всё ещё остаются недоступными для лечения таким способом.

В ряде исследований также упоминается об альтернативном нашумевшем методе лечения ряда онкологических заболеваний с помощью плазмид (Внехромосомных участков ДНК). С помощью ряда таких плазмид возможна модификация Т-клеток пациента с раковой опухолью, целью которой является повышение чувствительности собственных иммунных клеток к онкомаркерам [8] [9] [10]. Так, к примеру, одними из самых известных плазмид подобного типа являются плазмиды phCMV-VHRhD-g1C-neo и phCMV-VLRhD-KR-ne [11]

Аналогично работают и препараты, использующие матричную РНК. Они внедряют её в Т-клетки, которые становятся более чувствительны к клеткам онкогенной природы. Для этих целей, например, используют РНК структуру под названием mRNA-4157/V940, которую создали рекомбинантным способом и на данный момент испытывают на пациентах команда исследователей из уже известной всем по вакцине от Covid-19 компании Moderna [12].

Между тем, говоря о будущем терапии раковых заболеваний с помощью вирусной, плазмидной или РНК-терапии, не стоит забывать о самом происхождении раковых клеток в организме человека. Раковые клетки являются результатом мутации в обычных клетках организма, которая происходит за довольно длительный промежуток времени. Чтобы клетка стала мутантной и была способна в том числе к метастазировнию необходимо накопление в ней не одной мутации и для медицины будущего такие явления в клетках будут однозначно известны еще на ранних стадиях. Уже сегодня есть целый ряд методик раннего диагностирования рака [13] [14] [15] и в будущем это направление будет только развиваться.

Заключение

Благодаря ранней диагностике рака с помощью инновационных методик станет возможным генетическая терапия, направленная скорее на предупреждение развития клеток в новообразования, а также формирование устойчивых сочетаний ДНК, препятствующих возникновению рака.

Таким образом, я считаю, что нанороботы, не смотря на своё огромное разнообразие и широкую изученность, даже биотехнологические – это лишь промежуточное звено между тотальной победой над раковыми заболеваниями во всём мире и в ближайшие 50 лет предупреждение раковых заболеваний может навсегда избавить человечество не только от рака, но и от необходимости в новых методах для его лечения.