XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Одной из перспективных нанотехнологий будущего является вирусная нанотехнология, основанная на применении вирусных наночастиц (ВНЧ) и вирусоподобных наночастиц (ВПЧ). Наночастицы ВНЧ и ВПЧ находят применение в клинической практике, а также в областях электроники и специфических датчиков, основными достоинствами которых являются не только нанометровый размер, но и то, что они являются стабильными, надежными, биосовместимыми и в целом «программируемыми» элементами с возможностью генной и химической модификации.

По сути дела, вирусные нанотехнологии основаны на использовании вирусов и их аналогов в биомедицинских целях в качестве диагностических и терапевтических агентов. Вирусы – это готовые наночастицы, которые могут быть использованы для доставки генов, лекарств и вакцин, а также для иммунотерапии, нужно только научиться с ними работать. Размер вируса составляет около 100 нм (нанометров), что и позволяет называть его наночастицей, в соответствии с определением нанотехнологии, имеющей дело с материалами, размеры которых находятся в интервале от 0,1 до 100 нм.

Отношение ученых и медиков к вирусам менялось в течение долгого времени и первоначально они изучались как смертельные патогены, вызывающие болезни у всего живого. К середине ХХ века вирусы начали рассматривать как своеобразные инструменты, которые можно использовать для понимания фундаментальных клеточных процессов. Позднее вирусы стали использовать в качестве переносчиков полезных препаратов, применяемых в генной терапии, при борьбе с какими-либо вредными организмами и раковыми образованиями в сельскохозяйственной сфере, а также в медицине.

Такой подход к использованию вирусов и их капсидов (оболочек, состоящих из белка или липидов) нашел применение в нанотехнологиях, направленных на лечение вирусных заболеваний и разработку эффективных стратегий вакцинации. Полезные наночастицы могут использоваться в сочетании с вирусами, что особенно актуально при проведении вирусной терапии опухолей, а также генной терапии различных наследственных заболеваний, где эффективно применяются РНК-вирусы.

Интерес к вирусным капсидам в области медицинских нанотехнологий обусловлен их размерами, симметрией структур, хорошей грузоподъемностью, простотой возможных модификаций и наличием контролируемой самосборки с высокой степенью точности. Разработанные гибридные структуры из вирусных капсидов и наночастиц, сочетают в себе, с одной стороны, биологическую активность вирусных капсидов, а, с другой стороны, необходимые полезные функции наночастиц, что определяет их потенциальное применение в качестве терапевтических и диагностических бионаноматериалов.

Другим важным направлением в развитии вирусных нанотехнологий является создание систем на основе растительных вирусов, которые однородны по структуре, просты в производстве, и могут легко быть модифицированы и загружены молекулами-грузами, но при этом имеют необходимую прочность, поддаются биологическому разложению и, самое важное, неинфекционны для клеток млекопитающих.

Выявленные для вирусов механизмы самосборки определили принципиальные подходы в нанотехнологиях при конструировании новых вирусоподобных наночастиц с полезными свойствами, что обеспечит разностороннее применение вирусам, если рассматривать вирусы как реально существующие органические наночастицы.

Любопытным является изучение вирусов как шаблонов для организации и получения искусственных наноматериалов, где может быть использована информация о размерах, форме и химической структуре вирусов. Известны исследования, в которых вирусные частицы использовались для разделения частиц флуоресцентных красителей, а также в качестве наноразмерного образца в молекулярной электронике.

В настоящее время можно утверждать, что нанотехнологии проникли уже во все аспекты вирусных исследований. Созданы и разрабатываются: зонды на основе функциональных наночастиц для обнаружения вирусов; вирионы и вирусоподобные частицы, как шаблоны для приготовления наноматериалов; флуоресцентные нанозонды для применения в исследовании молекулярных механизмов инфицированных вирусом клеток.

Вирусы обладают многими исключительными природными свойствами, которые имеют немаловажное значение для развития нанотехнологий, нанонауки и наномедицины. К числу наиболее перспективных направлений относятся исследования, направленные на изучение и раскрытие процессов самосборки и упаковки генома.

Как уже отмечалось, особенно привлекательными инструментами для практического биомедицинского применения являются растительные вирусы, которые не реплицируются в клетках млекопитающих, а также особые вирусы – бактериофаги, способные заражать бактериальные клетки.

Чтобы сохранить терапевтический потенциал лекарств при транспортировке в клетки и исключить их преждевременную деградацию в кровотоке используются виросомы, которые представляют собой вирусные частицы, освобожденные от генетического материала и заполненные лекарственным препаратом, при этом поверхностные гликопротеины сохранены. Такие частицы-контейнеры по-прежнему способны связываться с определенными клетками и беспрепятственно доставляют в них лекарственное содержимое. Виросомы способны активировать клетки иммунной системы, что можно использовать и крайне важно для иммунотерапии онкологических заболеваний.

Таким образом, отношение ученых к вирусам претерпело существенное изменение от сугубо негативного до максимально позитивного, что привело к комплексным исследованиям и разработке вирусных нанотехнологий в медицине, которые показали перспективность теоретических разработок и во многом определили необходимость их масштабного применения на практике, в целях формирования и становления одного из важных направлений наномедицины.

Список источников

1. Урываев Л. В., Альховский С. В., Самохвалов Е. И., Беляев А. М., Бурцева Е. И. Вирусы как объекты и инструменты нанобиотехнологий: https://cyberleninka.ru/article/n/virusy-kak-obekty-i-instrumenty-nanobiotehnologiy/viewer

2. Алексеева Л., Неуместова А. И., Зенкова М. А. Виросомы: старая форма, новое содержание Журнал Наука из первых рук: 2017, Россия Делает Сама, Т. 75, №4: https://scfh.ru/papers/virosomy-staraya-forma-novoe-soderzhanie/

3. Гришина М.А., Мачнева И.В. Роль вирусов в развитии медицины будущего // Материалы X Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» – 2018: https://scienceforum.ru/2018/article/2018004490