Nanotechnologia, manipulowanie materią w skali atomowej i molekularnej w celu stworzenia materiałów o zadziwiająco zróżnicowanych i nowych właściwościach, jest szybko rozwijającym się obszarem badań o ogromnym potencjale w wielu sektorach, od opieki zdrowotnej po elektronikę. W medycynie obiecuje zrewolucjonizować dostarczanie leków, terapię genową, diagnostykę oraz wiele obszarów badań, rozwoju i zastosowań klinicznych.
W tym artykule nie podjęto próby omówienia całego zagadnienia, ale na podstawie kilku przykładów można uzyskać kilka wglądów w hownanotechnologię, która może zmienić medycynę, zarówno w laboratorium badawczym, jak i klinicznym, jednocześnie dotykając pewnych wyzwań i obaw podnosi.
Co to jest nanotechnologia?
Przedrostek „nano” pochodzi od starożytnego greckiego oznaczającego „krasnolud”. W nauce oznacza to jedną miliardową część (10 do minus 9) czegoś, tak więc nanometr (nm) to jedna miliardowa część metra czyli 0,000000001 metrów. Nanometr ma szerokość od trzech do pięciu atomów, czyli około 40 000 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Wirus ma zwykle rozmiar 100 nm.
Zdolność do manipulowania strukturami i właściwościami w nanoskali w medycynie jest jak posiadanie sub-mikroskopowej ławy laboratoryjnej, na której można operować komponentami komórki, wirusami lub fragmentami DNA, używając szeregu drobnych narzędzi, robotów i rur.
Manipulowanie DNA
Terapie, które obejmują manipulację poszczególnymi genami lub szlaki molekularne, które wpływają na ich ekspresję, są coraz częściej badane jako opcja w leczeniu chorób. Jednym z bardzo pożądanych celów w tej dziedzinie jest zdolność do dostosowywania skali do składu genetycznego poszczególnych pacjentów.
Stwarza to potrzebę narzędzi, które pomagają naukowcom eksperymentować i rozwijać takie metody leczenia.
Wyobraźmy sobie na przykład, że możemy rozciągnąć odcinek DNA jak splot spaghetti, aby można było go badać lub operować na nim, lub budować nanoroboty, które mogą „chodzić” i przeprowadzać naprawy wewnątrz komponentów komórkowych. Nanotechnologia przybliża ten naukowy do rzeczywistości.
Na przykład naukowcy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego zdołali przymocować powlekane perełki lateksowe do końców zmodyfikowanego DNA, a następnie za pomocą „pułapki optycznej” zawierającej skupioną wiązkę światła utrzymującą kulki w miejscu, wyciągnęli pasmo DNA w aby zbadać interakcje specyficznych białek wiążących.
Nanoboty i nanostary
Tymczasem chemicy z New York University (NYU) stworzyli robota w nanoskali z fragmentów DNA, które poruszają się na dwóch nogach o długości 10 nm. W artykule opublikowanym w 2004 roku w czasopiśmie Nano Letters opisują, w jaki sposób ich „nanowalker”, z pomocą cząsteczek psoralenu przyczepionych do końców jego stóp, wykonuje swoje pierwsze kroki dla dzieci: dwa do przodu i dwa do tyłu.
Jeden z naukowców, Ned Seeman, powiedział, że przewiduje możliwość stworzenia linii produkcyjnej na skalę molekularną, w której można przesuwać cząsteczkę, aż do uzyskania właściwej lokalizacji, a nanobot robi na niej chemię, a raczej „punktowy „spawanie” na linii montażowej acar. Laboratorium Seemana na Uniwersytecie Nowojorskim chce również wykorzystać nanotechnologię DNA do stworzenia komputera bioczipowego i dowiedzieć się, jak krystalizują się molekuły biologiczne, obszar, który jest obecnie pełen wyzwań.
Prace, które wykonuje Seeman i współpracownicy, są dobrym przykładem „biomimetyki”, gdzie dzięki nanotechnologii mogą imitować procesy biologiczne w przyrodzie, takie jak zachowanie DNA, opracowywać nowe metody, a może nawet ulepszać.
Nanoboty oparte na DNA są również tworzone w celu ukierunkowania na komórki rakowe. Na przykład naukowcy z Harvard Medical School w USA donieśli ostatnio o nauce, w jaki sposób stworzyli „origami nanorobota” z DNA, aby transportować molekularne ładunki. Nanobot w kształcie beczki może przenosić molekuły zawierające instrukcje, które sprawiają, że komórki zachowują się w określony sposób. W swoich badaniach zespół z powodzeniem demonstruje, w jaki sposób dostarczane są cząsteczki, które wyzwalają samobójstwo komórek w białaczce i komórkach chłoniaka.
Opracowywane są również nanoboty wykonane z innych materiałów. Na przykład złoto jest materiałem naukowców z NorthwesternUniversity, używającym nanocząstek, prostych, wyspecjalizowanych nanocząsteczek w kształcie gwiazdy, które mogą dostarczać leki bezpośrednio do jądra komórek nowotworowych. W artykule w dzienniku ACS Nano opisują, jak nanostary naładowane lekami zachowują się jak maleńkie autostopowiczki, które po tym, jak przyciągają się do nadmiernie eksprymowanego białka na powierzchni ludzkich komórek raka szyjki macicy i jajnika, odkładają swoje ładunki na jądra tych komórek .
Naukowcy odkryli, że dzięki swojej nanobocie kształt gwiazdy pomógł przezwyciężyć jedno z wyzwań związanych z wykorzystaniem nanocząsteczek przy stosowaniu leków: precyzyjne uwalnianie leków. Mówią, że kształt pomaga skoncentrować impulsy świetlne używane do uwalniania leków dokładnie w punktach gwiazdy.
Nanofabryki, które sprawiają, że narkotyki są w stanie
Naukowcy odkrywają, że leki oparte na białkach są bardzo przydatne, ponieważ można je zaprogramować do dostarczania określonych sygnałów do komórek. Ale problem z konwencjonalną dostawą takich leków polega na tym, że ciało zrywa większość z nich, zanim dotrą do miejsca przeznaczenia.
Ale co by było, gdyby można było wytwarzać takie leki in situ, bezpośrednio w miejscu docelowym? W najnowszym numerze NanoLetters naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA pokazują, jak to może być możliwe. W ramach dowodu badania zasadniczego demonstrują one wykonalność samoorganizujących się „nanofabrykatów”, które wytwarzają związki białkowe, na żądanie, w docelowych miejscach. Do tej pory przetestowali ten pomysł na myszach, tworząc nanocząsteczki zaprogramowane do wytwarzania białka zielonej fluorescencji (GFP) lub lucyferazy eksponowanej na światło UV.
Zespół MIT wpadł na pomysł, próbując znaleźć sposób na zaatakowanie nowotworów przerzutowych, tych, które wyrastają z komórek rakowych, które przeszły z pierwotnego miejsca na inne części ciała. Ponad 90% zgonów z powodu raka jest wynikiem raka przerzutowego. Obecnie pracują nad nanocząsteczkami, które mogą syntetyzować potencjalne leki przeciwnowotworowe, a także na inne sposoby ich włączania.
Nanowłókna
Nanowłókna są włóknami o średnicy mniejszej niż 1000 nm. Zastosowania medyczne obejmują specjalne materiały na opatrunki na rany i tkaniny chirurgiczne, materiały stosowane w implantach, inżynieria tkankowa i sztuczne elementy narządów.
Nanowłókna wykonane z węgla są również obiecujące dla obrazowania medycznego i precyzyjnych naukowych narzędzi pomiarowych. Ale są ogromne wyzwania do pokonania, jednym z głównych jest to, jak je konsekwentnie poprawiać. Historycznie było to czasochłonne i czasochłonne.
Ale w zeszłym roku naukowcy z North Carolina State University ujawnili, w jaki sposób opracowali nową metodę wytwarzania nanowłókien węglowych o określonych rozmiarach. Pisząc w ACS Applied Materials & Interfaces w marcu 2011 r., Opisują, w jaki sposób udało się wyhodować nanowłókna węglowe o jednakowej średnicy, używając nanocząstek niklu pokrytych powłoką z ligandów, małych cząsteczek organicznych z częściami funkcjonalnymi, które wiążą się bezpośrednio z metalami.
Nanocząsteczki niklu są szczególnie interesujące, ponieważ w wysokich temperaturach pomagają w tworzeniu nanowłókien węglowych. Naukowcy odkryli również, że istnieje inna korzyść z zastosowania tych nanocząstek, mogli określić, gdzie wzrosły nanowłókna, oraz poprzez prawidłowe rozmieszczenie nanocząsteczek, w których mogą one wyhodować nanowłókna w pożądanym określonym wzorze: ważną cechą materiałów przydatnych w skali niszowej.
Ołów to kolejna substancja, która znajduje zastosowanie jako nanowłókno, do tego stopnia, że przyszły neurochirurg Matthew MacEwan, który studiuje w Washington University School of Medicine w St. Louis, założył własną firmę zajmującą się nanomedycyną, której celem była rewalidacja siatki chirurgicznej, która jest używana w salach operacyjnych na całym świecie.
Produkt wiodący jest polimerem syntetycznym zawierającym pojedyncze pasma nanowłókien i został opracowany w celu naprawy urazów mózgu i rdzenia kręgowego, ale MacEwan uważa, że można go również użyć do naprawienia przepuklin, przetok i innych urazów.
Obecnie siatki chirurgiczne stosowane do naprawy błony ochronnej pokrywającej mózg i rdzeń kręgowy są wykonane z grubego i sztywnego materiału, z którym trudno pracować. Ołowiana nanowłókna jest cieńsza, bardziej elastyczna i bardziej podatna na integrację z własnymi tkankami, mówi MacEwan. Każdy nić siatki nanowłókien jest tysiące razy mniejszy niż średnica pojedynczej komórki. Chodzi o to, aby użyć nanowłókien nie tylko do ułatwienia operacji chirurgom, ale także dlatego, że istnieje mniejsza liczba komplikacji dla pacjentów, ponieważ z biegiem czasu rozkłada się naturalnie.
Naukowcy z Instytutu Politechnicznego Uniwersytetu Nowojorskiego (NYU-Poly) pokazali niedawno nowy sposób na białko makenanowisk. Pisząc niedawno w czasopiśmie Advanced Functional Materials, naukowcy twierdzą, że natknęli się na swoje odkrycie niemal przez przypadek: badali pewne cylindryczne białka pochodzące z chrząstki, kiedy teynotycznie stwierdzili, że w wysokich stężeniach niektóre białka spontanicznie zeszły się i same się złożyły. intonanowce.
Przeprowadzili oni dalsze eksperymenty, takie jak dodanie aminokwasów rozpoznających metal i różnych metali, i stwierdzili, że mogą kontrolować tworzenie włókien, zmieniać ich kształt i wiązać się z małymi cząsteczkami. Na przykład, dodanie niklu przekształciło włókna w zlepione maty, które można wykorzystać do wyzwalania uwalniania przyłączonej cząsteczki leku.
Naukowcy mają nadzieję, że ta nowa metoda znacznie poprawi dostarczanie leków do leczenia raka, chorób serca i choroby Alzheimera. Mogą także zobaczyć zastosowania w regeneracji ludzkiej tkanki, kości i chrząstki, a nawet jako sposób na opracowanie bardziej wydajnych mikroprocesorów do użytku w komputerach i elektronice użytkowej.
Schematyczna ilustracja pokazująca, w jaki sposób nanocząsteczki lub inne leki przeciwnowotworowe mogą być stosowane w leczeniu raka. Ta ilustracja została stworzona dla podręcznika Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology
Co z przyszłością i obawami związanymi z nanomateriałami?
W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost liczby badań wskazujących na różnorodność zastosowań medycznych nanotechnologii i nanomateriałów. W tym artykule ujrzeliśmy tylko mały przekrój tego rozległego pola. Jednak w całym szeregu, przedrewolucjonistycznymi wyzwaniami, z których największym wydaje się być zwiększenie skali produkcji materiałów i narzędzi oraz w jaki sposób redukować koszty i skracać czas.
Kolejnym wyzwaniem jest szybkie zabezpieczenie zaufania publicznego, że ta szybko rozwijająca się technologia jest bezpieczna. I do tej pory nie jest jasne, czy to się robi.
Są tacy, którzy sugerują obawy dotyczące nanotechnologii, mogą być przesadzone. Wskazują na fakt, że tylko dlatego, że amateriał jest nanoskalany, nie oznacza to, że jest on niebezpieczny, a faktycznie nanocząstki istnieją od czasu narodzin Ziemi, naturalnie występując w popiołach wulkanicznych i rozpryskach morskich. Jako produkty uboczne działalności człowieka były obecne w epoce kamienia, w dymie i sadzy.
Podejmując próby zbadania bezpieczeństwa nanomateriałów, National Cancer Institute w USA twierdzi, że jest tak wiele nanocząsteczek naturalnie obecnych w środowisku, że są one „często o wartościach wyższych o magnitudę wyższe niż badane cząstki poddawane ocenie”. Pod wieloma względami podkreślają, że „większość zaprojektowanych nanocząsteczek jest znacznie mniej toksyczna niż produkty do czyszczenia w domu, środki owadobójcze stosowane w domowych zwierzętach domowych i środki przeciw łupieżowi sprzedawane bez recepty” i że na przykład w ich stosowaniu jako nośników chemioterapeutyków w leczeniu raka są znacznie mniej toksyczne niż leki, które noszą.
Być może bardziej w sektorze spożywczym obserwujemy jedne z największych ekspansji nanomateriałów na skalę komercyjną. Chociaż liczba produktów żywnościowych zawierających nanomateriały jest nadal niewielka, wydaje się, że zmieni się ona w ciągu następnych kilku lat wraz z rozwojem technologii. Nanomateriały są już wykorzystywane do obniżania poziomu tłuszczu i cukru bez zmieniania smaku lub do ulepszania opakowania, aby utrzymać świeżość jedzenia na dłużej, lub do informowania konsumentów, czy żywność jest zepsuta. Są również wykorzystywane do zwiększenia dostępności biologicznej składników odżywczych (na przykład w suplementach diety).
Ale są też zainteresowane strony, które podkreślają, że choć tempo badań przyspiesza, a rynek nanomateriałów nabiera kształtów, wydaje się, że robi się za mało, aby odkryć ich toksyczne konsekwencje.
Taka była opinia komitetu naukowego i technologicznego Izby Lordów brytyjskiego parlamentu, który w niedawnym raporcie dotyczącym nanotechnologii i żywności podniósł kilka obaw dotyczących nanomateriałów i zdrowia ludzi, w szczególności ryzyka stwarzanego przez badane nanomateriały.
Na przykład, jednym obszarem, który dotyczy komitetu, jest wielkość i wyjątkowa ruchliwość nanocząsteczek: są one wystarczająco małe, jeśli zostaną połknięte, aby przeniknąć błony komórkowe wyściółki jelita, z możliwością dostępu do mózgu i innych części ciała , a nawet wewnątrz jąder komórek.
Inną jest rozpuszczalność i trwałość nanomateriałów. Co dzieje się na przykład z nierozpuszczalnymi nanocząsteczkami? Jeśli nie można ich złamać, strawić lub zdegradować, czy istnieje niebezpieczeństwo, że będą się gromadzić i uszkadzać narządy? Uważa się, że nanomateriały zawierające nieorganiczne tlenki metali i metale stanowią największe zagrożenie w tym obszarze.
Ponadto, ze względu na wysoki stosunek powierzchni do masy, nanocząsteczki są wysoce reaktywne i mogą np. Wywoływać nie znane reakcje chemiczne lub wiązać się z toksynami, pozwalając im wejść do komórek, które inaczej nie miałyby dostępu.
Na przykład, ze względu na duże pole powierzchni, reaktywność i ładunek elektryczny, nanomateriały tworzą warunki dla tego, co jest opisane jako „agregacja cząstek” z powodu sił fizycznych i „aglomeracji cząstek” z powodu sił chemicznych, tak że poszczególne nanocząsteczki łączą się, tworząc większe. Może to prowadzić nie tylko do znacznie większych cząstek, na przykład w komórkach wewnętrznych jelita, ale może również spowodować dezagregację grudek nanocząstek, co może radykalnie zmienić ich właściwości fizykochemiczne i reaktywność chemiczną.
„Takie odwracalne zjawiska zwiększają trudność w zrozumieniu zachowania i toksykologii nanomateriałów”, mówi komitet, którego ogólny wniosek jest taki, że ani rząd, ani rady badawcze nie nadają wystarczającego priorytetu badaniom bezpieczeństwa nanotechnologii, zwłaszcza „biorąc pod uwagę skalę, w której produkty zawierające nanomateriały mogą być rozwijane „.
Zalecają o wiele więcej badań, aby „zapewnić, że agencje regulacyjne mogą skutecznie oceniać bezpieczeństwo produktów, zanim zostaną dopuszczone na rynek”.
W związku z tym wydaje się, że faktyczne lub postrzegane potencjalne ryzyko, jakie nanotechnologia stwarza dla zdrowia ludzkiego, musi być badane i być postrzegane jako badane. Większość nanomateriałów, jak sugeruje NCI, prawdopodobnie okaże się nieszkodliwa.
Ale gdy technologia szybko się rozwija, wiedza i komunikacja na temat jej bezpieczeństwa musi nadążyć za nią, aby było to możliwe, zwłaszcza jeśli ma ona również na celu zwiększenie zaufania publicznego. Wystarczy spojrzeć na to, co się wydarzyło, i do pewnego stopnia nadal się dzieje, z genetycznie zmodyfikowaną żywnością, aby zobaczyć, jak to może pójść źle.
Napisane przez dr Catharine Paddock
