Реферат: Микрофагоциты: искусственные иммунные клетки

Микрофагоцит - это сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно расположенных атомов, плюс около 150 биллионов молекул газа или воды, когда резервуары устройства будут заполнены. Размеры наноробота - 3.4 мкм в диаметре вдоль главной оси, и 2.0 мкм вдоль оси, перпендикулярной к главной. Такие размеры дают наноустройству возможность беспрепятственно проникать в мельчайшие капилляры, диаметр которых ~4 мкм. Его сравнительно большой для наноустройства объем (12.1056 мкм3) дает возможнть разместить внутри наноробота два пустых внутренних резервуара, объемом 4 мкм3.

Наноустройство потребляет 100-200 пВт (пикоВатт) мощности при работе, и может полностью "переварить" микробов, находящихся во внутреннем резервуаре наноустройства со скоростью 2 мкм3 за 30-секундный цикл. Как и в предыдущих проектах нанороботов (прим. перев. - проектах Роберта Фрайтаса), для того, чтобы гарантировать надежную работу наноустройства, микрофагоцит спроектирован с десятикратным запасом по всем основным характеристикам, исключая большие пассивные структурные элементы (такие, например, как корпус). Масса "пустого" устройства - 12.2 пикограмм.

Опишем работу наноустройства. В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха на липкую ленту, благодаря специальным обратимым "присоединительным гнездам". Далее, телескопические наноманипуляторы, изготовленные по примеру "руки робота", выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита, и, достигнув жесткого прикрепления к мембране бактерии, транспортируют микроорганизм к входному порту на передней части устройства, где бактерия оказывается в умертвительном резервуаре объемом 2 мкм3.

После интенсивного механического перемалывания бактерии (или бактерий) органические остатки выдавливаются специальным поршнем в "дигестальный" резервуар объемом 2 мкм3, где остатки перевариваются с помощью запрограммированной последовательности 40 специально сконструированных энзимов, которые сменяются около шести раз. В результате, полученные остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека. Далее, они выбрасываются в кровеносную систему пациента. Все эти операции происходят в течение 30-секундного цикла.

Этот протокол, названный автором "перевари-и-выброси" практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты механических микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ. Например, всем известные макрофаги, после фагоцитоза патогенных микроорганизмов, выбрасывают в кровь биологически активные вещества, в то время как продукты фагоцитоза микрофагоцитов будут биологически неактивными, и не представляющими угрозу для человека.

Обычные фагоциты больше по объему в 100-1000 раз, чем искусственные, при этом они потребляют энергии на фагоцитоз столько же. Например, изменение теплоэнергии от обычных человеческих нейтрофилов при фагоцитозе составляет 19 пикоВатт. Это число растет с увеличением частиц, которые захвачены фагоцитом. Т-лимфоцит объемом около 400 мкм3, при иммунном ответе потребляет ~45 пикоВатт.

Захват микроорганизмов натуральными фагоцитами длится немного - порядка нескольких минут; зато полный цикл переваривания и экскреции может длиться часами. В то время как макрофаги могут захватить и переварить около ~25% их объема в час, механические микрофагоциты могут обработать ~2000% своего объема в час. Это значит, что механические фагоциты эффективнее обычных в ~80 раз. Другими словами, аналогичный объем нанороботов может переварить патогенные бактерии в 80 раз быстрее натуральных фагоцитов.
Жизненный цикл многих естественных фагоцитов (например, нейтрофилов), колеблется от нескольких часов в крови, или нескольких дней в тканях.

В одном эксперименте, 1-100 патогенов S. aureus или S. faecalis bacteria были помещены к отдельному нейтрофилу, который уничтожил большую их часть при такой высокой концентрации. При повышении концентрации патогенов (100:1), нейтрофилы могли уничтожить около 9 S. aureus bacteria за цикл фагоцитоза; в то время как нейтрофилы при хроническом заболевании грануломатозе, могут уничтожить около 14 S. faecalis bacteria за цикл фагоцитоза. Для сравнения, один механический микрофагоцит может уничтожить до ~3000 микроорганизмов P. aeruginosa bacteria в день, при этом жизненный цикл механических устройств практически не ограничен.

Список использованной литературы:

1. Robert A. Freitas Jr., Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes Bioscience, Georgetown, TX, 1999. See at: http://www.nanomedicine.com/.
2. Robert A. Freitas Jr., "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell," Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. 26(1998):411-430. See at: http://www.foresight.org/Nanomedicine/Respirocytes.html.
3. Robert A. Freitas Jr., "Clottocytes: Artificial Mechanical Platelets," Foresight Update No. 41, 30 June 2000, pp. 9-11. See at: http://www.imm.org/Reports/Rep018.html.
4. Robert A. Freitas Jr., "Microbivores: Artificial Mechanical Phagocytes using Digest and Discharge Protocol," March 2001; see at: http://www.zyvex.com/Publications/articles/Microbivores.html.
5. John Heritage, "Septicaemia and Endocarditis," Laboratory and Scientific Medicine, MICR3290 Medical Microbiology, University of Leeds, November 1996; see at: http://www.leeds.ac.uk/mbiology/ug/med/septendo.html.
6. Robert Berkow, Mark H. Beers, Andrew J. Fletcher, eds., The Merck Manual of Medical Information, Merck Research Laboratories, Whitehouse Station NJ, 1997.
7. E.F. Fincher, L. Johannsen, L. Kapas, S. Takahashi, J.M. Krueger, "Microglia digest Staphylococcus aureus into low molecular weight biologically active compounds," Am. J. Physiol. 271(July 1996):R149-R156.
8. H. Hayatsu, T. Miyamae, M. Yamamura, "Heat production as a quantitative parameter of phagocytosis," J. Immunol. Methods 109(9 May 1988):157-160.
9. Augusto Cogoli, Birgitt Bechler, Marianne Cogoli-Greuter, Sue B. Criswell, Helen Joller, Peter Joller, Elisabeth Hunzinger, Ottfried Muller, "Mitogenic signal transduction in T lymphocytes in microgravity," J. Leukocyte Biol. 53(May 1993):569-575; Dennis A. Carson, "Chapter 94. Composition and biochemistry of lymphocytes and plasma cells," in Ernest Beutler, Marshall A. Lichtman, Barry S. Coller, Thomas J. Kipps, eds., William's Hematology, Fifth Edition, McGraw-Hill, New York, 1995, pp. 916-921.
10. Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell, Harper's Biochemistry, 23rd Edition, Appleton & Lange, Norwalk CT, 1993.
11. J.E. Repine, C.C. Clawson, "Quantitative measurement of the bactericidal capability of neutrophils from patients and carriers of chronic granulomatous disease," J. Lab. Clin. Med. 90(September 1977):522-528.
12. S.E. Bucklin, D.C. Morrison, "Bacteremia versus endotoxemia in experimental mouse leukopenia — role of antibiotic chemotherapy," J. Infect. Dis. 174(December 1996):1249-1254.
13. J. Colino, I. Outschoorn, "The form variation of the capsular polysaccharide K1 is not a critical virulence factor of E. coli in a neonatal mouse model of infection," Microb. Pathog. 27(October 1999):187-196.
14. B.C. Wessels, M.T. Wells, S.L. Gaffin, J.G. Brock-Utne, P. Gathiram, L.B. Hinshaw, "Plasma endotoxin concentration in healthy primates and during E. coli-induced shock," Crit. Care Med. 16(June 1988):601-605.
15. O. Rokke, A. Revhaug, B. Osterud, K.E. Giercksky, "Increased plasma levels of endotoxin and corresponding changes in circulatory performance in a porcine sepsis model: the effect of antibiotic administration," Prog. Clin. Biol. Res. 272(1988):247-262.
16. L. Aussel, R. Chaby, K. Le Blay, J. Kelly, P. Thibault, M.B. Perry, M. Caroff, "Chemical and serological characterization of the bordetella hinzii lipopolysaccharides," FEBS Lett. 485(17 November 2000):40-46.
17. J.T.M. Frieling, J.A. Mulder, T. Hendriks, J.H.A.J. Curfs, C.J. van der Linden, R.W. Sauerwein, "Differential Induction of Pro- and Anti-Inflammatory Cytokines in Whole Blood by Bacteria: Effects of Antibiotic Treatment," Antimicrob. Agents Chemother. 41(July 1997):1439-1443.
18. Robert A. Freitas Jr., "Nanopyrexia," Foresight Update No. 43, 30 December 2000, pp. 14-16. See at: http://www.imm.org/Reports/Rep022.html.
19. J. Hulkkonen, P. Laippala, M. Hurne, "A rare allele combination of the interleukin-1 gene complex is associated with high interleukin-1b plasma levels in healthy individuals," Eur. Cytokine Netw. 11(April 2000):251-255. Бесплатно скачать реферат "Микрофагоциты: искусственные иммунные клетки" в полном объеме