Полупроводниковые квантовые точки в не столь уж и отдаленном будущем, возможно, станут таким же распространенным медицинским средством как, скажем, активированный уголь. Дорогу к этому открывают недавние результаты американских ученых.

Квантовые точки являются одним из самых удивительных объектов, созданных человеком. Следствием локализации носителей заряда в пределах частицы нанометрового размера является квазиатомный (дискретный) энергетический спектр, за что квантовые точки называют иногда "искусственными атомами". В отличие от естественных атомов, для которых энергетический спектр задан раз и навсегда самой природой, спектром квантовых точек можно управлять, меняя размер наночастицы (что позволяет в широком диапазоне менять длину волны излучения квантовой точки). Мы обычно пишем о применениях квантовых точек в твердотельных устройствах, однако это не означает, что дело тем и ограничивается. Биология и медицина также имеют на них свои виды (см., например, нашу новость квантовые точки нашли применение в визуализации биологических структур ). Помимо "участия" в биологических исследованиях и медицинской диагностике, эти нанообъекты теперь претендуют также на роль "лекарственного средства".

Казалось бы, сложно ожидать пользы для человека от принятия внутрь веществ, содержащих столь "малоаппетитные" элементы, как кадмий или мышьяк. Однако не все так просто: ученые предлагают использовать квантовые точки в качестве лечебно-профилактического средства не как химические вещества, а как уникальные светоизлучающие устройства нанометрового размера. Прежде чем говорить о механизме воздействия, для начала немного расскажем о самих объектах, которые мы в не столь уж отдаленном будущем, возможно, будем употреблять наряду с обыкновенными таблетками. Наиболее простым видом получаемой химическими методами полупроводниковой квантовой точки являются частицы вещества нанометрового размера, более сложным и интересным с точки зрения практических применений - "наночастица в оболочке" (наночастица из одного материала, покрытая слоем другого материала нанометровой же толщины). В настоящее время подобные "наночастицы в оболочке" уже являются коммерческим продуктом (с характеристиками некоторых продуктов, например, фирмы Evident Technologies (рис. 1), которая предлагает квантовые точки, светящиеся в диапазоне от 350 до 2300 нм, полученные из различных полупроводников, можно ознакомиться здесь - (pdf-файл)).

Рис.1. Растворы квантовых точек от фирмы Evident Technologies .

В последние годы ученые научились получать еще более сложные структуры - наночастицы, покрытые несколькими слоями различных веществ. Подобные квантовые точки и являются хорошим кандидатом на роль лечебного средства - многослойность оболочки позволяет избежать непосредственного контакта с опасными химическими веществами. Но, что едва ли не более важно, именно многослойность делает возможным оказание лечебного эффекта. На каких же принципах основано благотворное действие квантовых точек? В последние десятилетия при лечении многих болезней достаточно широко используется электромагнитное излучение ближнего инфракрасного и видимого диапазона. Одна из сложностей, которую не так-то легко преодолеть, - заведение электромагнитного излучения соответствующего диапазона внутрь организма. Конечно, можно вводить внутрь организма зонды, и подводить излучение к нужному месту по оптоволокну. Однако при таком способе воздействия светом, к сожалению, невозможно обеспечить одновременное и равномерное "засвечивание" больших площадей пораженных органов, что иногда бывает крайне желательно.

Проблему можно решить при использовании упомянутого вида квантовых точек - наночастиц, "одетых" во многослойную оболочку. Как известно, при использовании микрорезонаторов (см. нашу новость о квантовых точках в микрорезонаторе ,) можно уменьшать или, наоборот, увеличивать время, которое требуется квантовой точке для того, чтобы испустить фотон. Если вырастить наночастицу в "шубе" из определенной толщины оболочек двух чередующихся материалов с различными показателями преломления, то получится наночастица в микрорезонаторе. И при специальным образом подобранной толщине оболочек можно на несколько порядков увеличить характерное время излучательной рекомбинации электронов и дырок в такой квантовой точке, что недавно было продемонстрировано учеными из Мэрилендского университета [1]. А означает это вот что - в таком случае, проведя оптическое возбуждение квантовых точек, находящихся в воде, хоть с помощью обыкновенной лампы, мы можем ввести их внутрь организма еще до тех пор, как произойдет релаксация возбуждения (электроны и дырки, локализованные в квантовой точке, рекомбинируют с испусканием фотонов).

К настоящему моменту в Мэрилендском университете уже проведены первые эксперименты с мышами, страдающими желудочно-кишечными растройствами [2]. После того, как зверькам в течении определенного не давали пищи (чтобы прочистить желудочно-кишечный тракт), им вводился водный раствор квантовых точек обсуждаемого типа. По сравнению с контрольной группой, которой давали чистую воду, у мышей, прошедших курс квантово-точечной терапии, выздоровление наблюдалось на 60 % чаще.

Безусловно, до того, как станет возможным лечить человека с помощью квантовых точек, должны еще пройти годы клинических испытаний. Кроме того, пока "препарат" настолько дорог, что его могли бы позволить себе только очень состоятельные люди. Однако цена "многлослойных" квантовых точек может резко упасть при условии организации массового производства и, кажется, для этого существуют предпосылки. Люминесцентной терапией с использованием квантовых точек заинтересовался Пентагон, прилагающий в последние годы большие усилия для внедрения нанотехнологий в жизнь американской армии. Эксперты американского военного ведомства оценили оперативность и эффективность такой терапии в условиях боевых действий в джунглях, а также профилактический эффект, который может оказать на солдатский кишечник принятие дозы квантовых точек перед тем, как солдат попадет под ураганный огонь противника.

К сожалению, у российского оборонного ведомства вряд ли найдутся средства на финансирование отечественных разработок в этой области. Закупка же американских квантовых точек для нужд нашей армии вряд ли может быть хорошим выходом - при таком подходе мы окажемся в зависимости от американцев в вопросе, касающемся национальной безопасности. Не приходится рассчитывать и на благосклонное отношение российских парламентариев к призывам резко увеличить вложения в исследования квантовых точек: американские предложения по борьбе с известным недугом, скорее всего, вызовут снисходительно-скептическое отношение со стороны наших депутатов, которые в целях профилактики скорее предпочтут сделать ставку на усиление военно-патриотического воспитания. Так что российским солдатам придется бороться с медвежьей болезнью по старинке. Особенно это печально в свете того, что двое из создателей технологии производства наночастиц в микрорезонаторах - наши бывшие соотечественники.

1. L.Kim, F.Hvam, A.Nesterov, and P.Toropov. Appl.Phys.Lett., v.83, 5461 (2003).

2. B.Souarez, M.R.Pelton, L.Kim et al. J.Biophys., v.46, 2133 (2004).

Е.Онищенко