Микрофагоциты: искусственные иммунные клетки

В живых системах быстродействие играет главную роль. Наномедицина предлагает массивные инструменты для борьбы с человечьими болезнями и для потенциального улучшения организма человека. Выполненные из алмазоида мед нанороботы могут внести улучшения способностей нашего организма выше природных. Клоттоциты, к примеру, заменяя «родные» людские тромбоциты добиваются прекращения кровотечения (искусственный быстродействующий гемостазис) за 1 секунду, при этом кровотечение может быть достаточно широким (физическое повреждение тканей) либо маленьким внутренним.

При всем этом концентрация искусственных тромбоцитов меньше натуральных в 100 раз. Другими словами, клоттоциты в 10000 раз эффективней природного аналога, т.к. время обычного тромбогенеза колеблется от 5 до 17 минут.

Разглядим дальше еще одну составляющую «механизированной крови» — механических фагоцитов либо микрофагоцитов. По сути, микрофагоцитами можно именовать целый класс нанофагоцитов. Разные представители этого класса делали бы разные функции в организме — от полосы первого реагирования в крови (внутривенные) до внутритканевых и внутрицеребро­спинных. Но общая цель схожих устройств — ликвидирование микробиологических патогенов, отысканных в человеческом организме, используя способ «перевари-и-выброси», детально описанный создателем в [1]. Полная версия инженерного описания микрофагоцитов может быть прочитана в [4], ресурс на британском языке.

Сепсис, узнаваемый также как инфецирование крови — это наличие в крови патогенных микробов. Если размножение микробов не держать под контролем, то зараза будет прогрессировать. Бактеремия — наличие микробов в системе кровоснабжения человека. Хоть в крови и много веществ, которыми могут питаться бактерии, но кровь обычно не содержит микробов (микробов). Основная противомикробная защита кровеносной системы — циркулирующие нейтрофилы и моноциты (белоснежные кровяные тельца), способные к фагоцитозу (захвату и перевариванию других клеток) и продукции иммуноглобулина, формируя иммунный ответ.

Но, невзирая на это, в системе кровоснабжения человека может находиться маленькое количество микробов. Очистка зубов, к примеру, вызывает маленькое их движение в гнездах, что приводит к попаданию микробов, находящихся в ротовой полости, в систему кровоснабжения [5]. Бактерии также могут попадать в кровь через раны на коже, деснах, языке [6]. Бактерии также попадают в кровь в течении хирургических операций, исцеления зубов, также после инъекций, цитоскопии, анализа крови и даже при подмене клапана сердца на искусственный [6]. Эти бактерии обычно уничтожаются лейкоцитами (также ретикулоэндот­елиальными фагоцитами печени, легких и лимфатической системы). Но некое количество вирулентных (вредных для человека, смертоносных) микробов все таки могут обойти естественную защиту. Центр Здравоохранения утверждает, что около ~25,000 людей США раз в год погибают от бактериального сепсиса. В текущее время употребляют ряд лекарств для угнетения сепсиса, принимая их в количестве нескольких миллиграмм в денек. Таковой способ исцеления продолжается время от времени недели либо даже месяцы для того, чтоб убить патогенные бактерии, такие, как, к примеру, Pseudomonas aeruginosa либо Salmonella.

Комплекс наноустройств, способный стремительно очищать кровь человека от патогенов при сравнимо маленький концентрации нанороботов, был бы желательным дополнением в современном терапевтическом арсенале. Таковой бот назовем микрофагоцитом, либо искусственным механическим белоснежным кровяным телом.

Микрофагоцит — это сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно расположенных атомов, плюс около 150 биллионов молекул газа либо воды, когда резервуары устройства будут заполнены. Размеры наноробота — 3.4 мкм в поперечнике повдоль главной оси, и 2.0 мкм повдоль оси, перпендикулярной к главной. Такие размеры дают наноустройству возможность беспрепятственно просачиваться в мелкие капилляры, поперечник которых ~4 мкм [1]. Его сравнимо большой для наноустройства объем (12.1056 мкм3) дает возможнть расположить снутри наноробота два пустых внутренних резервуара объемом 4 мкм3. Наноустройство потребляет 100—200 пВт (пикоВатт) мощности при работе и может стопроцентно «переварить» бактерий, находящихся во внутреннем резервуаре наноустройства со скоростью 2 мкм3 за 30-секундный цикл. Как и в прошлых проектах нанороботов (прим. перев. — проектах Роберта Фрайтаса) [2], для того, чтоб гарантировать надежную работу наноустройства, микрофагоцит спроектирован с десятикратным припасом по всем главным чертам, исключая огромные пассивные структурные элементы (такие, к примеру, как корпус). Масса «пустого» устройства — 12.2 пикограмм (см. рис. 1).

Опишем работу наноустройства. В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная амеба прилипает к поверхности наноробота, как муха на липкую ленту, благодаря особым обратимым «присоединительным гнездам» [1]. Потом телескопические наноманипуляторы, сделанные по примеру «руки робота», выдвигаются из особых гнезд на поверхности микрофагоцита и, достигнув жесткого прикрепления к мембране бактерии, транспортируют мельчайший организм к входному порту на фронтальной части устройства, где амеба оказывается в умертвительном резервуаре объемом 2 мкм3 (см. рис. 2). После насыщенного механического перемалывания бактерии (либо микробов) органические остатки выдавливаются особым поршнем в «дигестальный» резервуар объемом 2 мкм3, где остатки перевариваются при помощи запрограммированной последовательности 40 специально сконструированных энзимов, которые сменяются около 6 раз. В итоге приобретенные остатки будут представлять собой обыкновенные аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и обыкновенные сахара, полностью безобидные для человеческого организма. Дальше они выбрасываются в систему кровоснабжения пациента. Все эти операции происходят в течение 30-секундного цикла.

Этот протокол, нареченный создателем «перевари-и-выброси», [1] фактически схож процессам переваривания и фагоцитоза, которые употребляют натуральные фагоциты. Но искусственный процесс фагоцитоза будет намного резвее и чище — продукты механических микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ. К примеру, всем известные макрофаги после фагоцитоза патогенных микробов выбрасывают в кровь на биологическом уровне активные вещества [7], в то время как продукты фагоцитоза микрофагоцитов будут на биологическом уровне неактивными и не представляющими опасность для человека.

Обыденные фагоциты больше по объему в 100—1000 раз, чем искусственные, при всем этом они потребляют на фагоцитоз столько же энергии. К примеру, изменение теплоэнергии от обыденных человечьих нейтрофилов при фагоцитозе составляет 19 пикоВатт. Это число вырастает с повышением частиц, которые захвачены фагоцитом [8]. Т-лимфоцит объемом около 400 мкм3 при иммунном ответе потребляет ~45 пикоВатт [9].

Захват микробов натуральными фагоцитами продолжается недолго — порядка нескольких минут; зато полный цикл переваривания и экскреции может продолжаться часами. В то время как макрофаги могут захватить и переварить около ~25% их объема в час [10], механические микрофагоциты могут обработать ~2000% собственного объема в час. Это означает, что механические фагоциты эффективнее обыденных в ~80 раз. Другими словами, аналогичный объем нанороботов может переварить патогенные бактерии в 80 раз резвее натуральных фагоцитов.

Актуальный цикл многих естественных фагоцитов (к примеру, нейтрофилов), колеблется от нескольких часов в крови либо нескольких дней в тканях. В одном опыте [11] 1—100 патогенов S. aureus либо S. faecalis bacteria были помещены к отдельному нейтрофилу, который уничтожил огромную их часть при таковой высочайшей концентрации. При повышении концентрации патогенов (100:1) нейтрофилы могли убить около 9 S. aureus bacteria за цикл фагоцитоза, в то время как нейтрофилы при приобретенном заболевании грануломатозе могут убить около 14 S. faecalis bacteria за цикл фагоцитоза. Для сопоставления, один механический микрофагоцит может убить до ~3000 микробов P. aeruginosa bacteria в денек, при всем этом актуальный цикл механических устройств фактически не ограничен.

В более детализированном описании микрофагоцитов [4] представлена обычная математическая модель фармакокинетических параметров определенной дозы устройств, инъектированных в людскую систему кровоснабжения. Результаты математической модели были последующими: при терапевтической дозе наноустройств в 1-теработ (1012 устройств) можно убрать легкую бактеремию (0.1×106 патогенных единиц (ПЕ) на 1 мл) от 5.4×108 ПЕ в системе кровоснабжения человека, до <1 460=»» 5400=»» 8=»» 90=»» 1=»» 10=»» p=»»>

Средняя бактеремия (100×106 ПЕ/мл) будет устранена за 620—7300 сек (10—120 мин). При всем этом нужно увидеть, что 1-теработ внутривенная доза ( ~ 12 см3 инъекция) микрофагоцитов, составит концентрацию наноустройств в крови взрослого человека (нанокрит) Nнанокрит ~ 0.2%, выделяя термический энергии около 100—200 Вт, что составляет наивысшую терапевтическую дозу по теплогенному действию на организм для мед наноустройств [1].

В то время как микрофагоциты могут стопроцентно убрать сепсис за минутки либо часы, естественные защиты организма (даже подкрепленные антибиотиками) могут достигнуть такого же результата за недели либо даже месяцы. Потому иммунитет, построенный на микрофагоцитах, будет в ~1000 более быстродействующим, чем естественные защиты.

Очередное полезное сопоставление: многие бактерицидные агенты (к примеру, против E. coli) могут повысить LD50 этого патогена ~500-раз, используя лекарства [12] либо ~850-раз, используя антитела [13]. К примеру, LD50 млекопитающих для E. coli составляет ~0.1—1×106 ПЕ/мл, а в присутствии лекарств это число растет до ~108 ПЕ/мл. Используя 1-теработ терапевтическую дозу микрофагоцитов, даже такая высочайшая концентрация микробов в системе кровоснабжения, как ~1011 ПЕ/мл (~20% крови при всем этом будет заражено микробами объемом ~2 мкм3), может контролироваться микрофагоцитами, что дает суммарную эффективность в ~1000 раз перед естественными фагоцитами. И эта эффективность будет достигнута при помощи наномедицины.

С наименьшими дополнениями к конструкции микрофагоцит может быть применен для исцеления боевой токсемии — распространения в теле человека патогенов, вырабатываемых микробами. К примеру, у подопытных обезьян наблюдался септический шок с внедрением бактерии E. coli с концентрацией 425×106 ПЕ/мл. При всем этом концентрация патогенного бактериального липополисахарида (ЛПС) в их крови выросла от 0.076 нанограмм/мл (обычное количество) до предельной концентрации 1.130 нг/мл [14]. При проведении другого исследования, уровень эндотоксина, в течение бактериальной инфекции, вырос от 0.2 до 2 нг/мл в крови подопытной свиньи [15]. Для устранения ~2 нг/мл ЛПС эндотоксина из крови [16], нужно изолирование и энзимная переработка ~8×1014 ЛПС молекул из кровяного объема в ~5400 см3, либо около ~800 ЛПС молекул на 1 наноустройство, предполагая терапевтическую дозу в 1 теработ измененных нанофагоцитов..

Высочайшая смертность (от 30%-50%) связана с реакцией пациента на ЛПС, которые провоцируют создание цитокинов IL-1beta и IL-6, которые вызывают неконтролируемое воспаление в тканях и дисфункцию органов [17]. Мы уже упоминали, что малые концентрации (~нг/мл) молекул ЛПС выполняются микробами живущими в теле человека, но ликвидирование микробов при помощи лекарств оставляет в крови огромное количество ЛПС (до ~105 нг/мл [17]). Внедрение искусственных микрофагоцитов подразумевает полное «переваривание» микробов, включая ликвидирование мембранных ЛПС. Потому микрофагоциты представляют антимикробную терапию, не производящую септического шока.

Если перед внедрением микрофагоцитов в кровь пациента она уже содержит огромное количество воспалительных цитокинов, то нужно произвести первичную противовоспал­ительную терапию, внедрив в кровь пациента наноустройства класса респироцитов [2] (к примеру, фармацитов [1]) для удаления молекул цитокинов. Таковой кооперативный подход уже дискуссировался в [1, 18]. Внутривенная терапевтическая доза фармацитов микронных размеров в размере 1-теработ (каждый наноробот имеет ~105 молекулярных сортирующих роторов и резервуар объемом ~0.5 мкм3 для хранения цитокинов) может снизить содержание цитокинов в крови от ~100 нг/мл [210] (~3×10— 9 молекул/нм3) до обычного уровня ~10 пг/мл [211] (~3×10— 13 молекул /нм3) в течение ~200 секунд, используя для хранения молекул ~0.1% от объема резервуаров наноустройств. Удаление ~105 нг/мл молекул ЛПС займет ~100% объема резервуаров фармацитов.

Микрофагоциты будут также полезны при лечении менингитов цереброспинной воды и респираторных болезней. Нанороботы также могут убрать такие небактериальные патогены, как вирусы, микроскопичные паразиты и пр. Вне тела человека микрофагоциты могут служить для очищения на биологическом уровне небезопасных сред, токсических органических материалов и пр.

Благодарности

Создатель выражает благодарность C.Christopher Hook, M.D., Stephen S. Flitman, M.D., Ronald G. Landes, M.D., также Forrest Bishop, Robert J. Bradbury, and Ralph C. Merkle, за полезные комменты к ранешным версиям этой статьи.