nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Transkript

1 Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci

2 PŘÍKLADY SOUČASNÝCH NANOTECHNOLOGIÍ A BUDOUCÍ MOŽNOSTI V MEDICÍNĚ Milena Maryšková, Aneta Horáková 2

3 OBSAH: POČÁTKY NANOTECHNOLOGIÍ SOUČASNÁ NANOMEDICÍNA A VÝHLED DO BUDOUCNA a) Nanodiagnostika b) Nanofarmacie a nanofarmakologie c) Nanomedicína v onkologii d) Regenerativní medicína e) Terapeutiční nanoboti 3

4 POČÁTKY NANOTECHNOLOGIÍ RICHARD PHILLIPS FEYNMAN ( ) Profesor teoretické fyziky. Nobelova cena za fyziku (1965) Během války pracoval na projektu atomové bomby. KIM ERIC DREXLER (nar. 1955) Vědec a představitel transhumanismu. Je tvůrcem konceptu nanotechnologie. Popsal svět miniaturních umělých systémů (nanorobotů),které se budou podobat živým organismům 4

5 NANODIAGNOSTIKA Jedná se o využití nanotechnologií v klinické diagnostice zkoumáním živého organismu nebo při studiu odebraných vzorků. in vitro (biosenzor, nanočip nebo integrované zařízení) in vivo (implantovaná zařízení, zobrazovací diagnostické metody) 5

6 Nanodiagnostika in vitro DIAGNOSTIKA IN VITRO biosenzor je senzor, který obsahuje biologický prvek (např. enzym), který je schopen pomocí určité biologické změny rozpoznat a signalizovat aktivitu nebo koncentraci specifické molekuly v roztoku, převod signálu k dalšímu zpracování umožňuje převodník, miniaturizací vzniká nano(bio)senzor. 6

7 Nanodiagnostika in vitro Optické - měří se intenzita absorpce nebo emise světelného záření jako následek biochemické reakce odehrávající se na povrchu biosenzoru. Kalorimetrické - využívají změnu teploty v průběhu enzymatických reakcí. 7

8 Nanodiagnostika in vitro Hmotnostní - využívají piezoelektrických vlastností krystalů (např. křemen). Elektrochemické - základem měření je změna potenciálu vyvolaná akumulací náboje na rozhraní elektrody s roztokem. 8

9 Nanodiagnostika in vitro VÝHODY BIOSENZORŮ odběr menších vzorků, snížení invazivnosti diagnostických nástrojů, více paralelních měření na jednom vzorku, možnost včasné diagnostiky nemoci a sledování pokroku v léčbě. 9

10 Nanodiagnostika in vitro VYUŽITÍ NANOČIPŮ Tato metoda vyžaduje odběr a destrukci buněk. Použití nanočipů je pro analýzu DNA nebo RNA detekcí jejich odlišných sekvencí pomocí oligonukleotidů (krátká jednovlákenná molekula DNA) zakotvených v matrici čipu. 10

11 Nanodiagnostika in vivo DIAGNOSTIKA IN VIVO Implantovatelné biosenzory Typy nanočástic: kvantové tečky, magnetické nanočástice, polovodičové nanočástice (CdS, CdSe, ZnS), dendrimery... Využití nanočástic pro zobrazovací techniky: fluorescenční spektroskopie, magnetická rezonance, ultrazvuk, rentgen... 11

12 Nanodiagnostika in vivo FLUORESCENČNÍ SPEKTROSKOPIE Kvantové tečky jsou anorganické nanokrystalové částice z polovodičového materiálu o velikosti povrchu 2 10 nm2. Na povrchu mají proteiny nebo krátké fragmenty DNA. Částice mohou být spojeny s biomolekulou za vzniku fluorescenční sondy. V závislosti na svém povrchu a fyzikálních a chemických vlastnostech se mohou zaměřit na specifickou tkáň nebo buňku. Vydávají mnohem intenzivnější fluorescenční světlo a mají dlouhou životnost fluorescence. 12

13 Nanodiagnostika in vivo MAGNETICKÁ REZONANCE Magnetické nanočástice obsahují magnetit (Fe 3 O 4 ). Aby nedocházelo k adsorpci proteinů na jejich povrch, jsou pokryty polymerní vrstvou (polyethylenglykol, dextran). 13

14 Nanodiagnostika budoucnost UMĚLÝ NOS Podstatou systému jsou 100 nanometrů tenké nanostruny z nitridu křemíku. Díky modifikaci povrchu se na jednotlivé struny "lepí" jen určité druhy molekul. Svou přítomností nanostrunu zatíží, čímž změní její nepatrné vibrace. Jedná se o piezoelektrický jev. Podle charakteristik oscilace struny pak lze rozpoznat, jaká molekula změnu vyvolala. 14

15 Farmacie NANOFARMACIE A NOFARMAKOLOGIE Zahrnuje výzkum, výrobu, distribuci, skladování a výdej léčiv. Farmakologie Zkoumá léčivo od okamžiku podání pacientovi. Nanofarmacie a nanofarmakologie Sledování distribuce léků přímo ve formě nanostruktur. 15

16 Nanofarmacie a nanofarmakologie POŽADAVKY NA NOSIČE LÉČIV Biologicky aktivní látka nepůsobí negativními vedlejšími účinky na organismus. Nosiče léčiv lze reálně dopravit do požadovaného místa účinku. Aktivuje se pouze v místě požadovaného účinku, působí v požadované koncentraci. Působí po dobu optimální pro dosažení maximálního léčebného účinku. Léčivo, metabolity a všechny komponenty nosičového systému jsou po dosažení efektu eliminovány z organizmu. 16

17 Nanofarmacie a nanofarmakologie CHYTRÉ" NANOČÁSTICE: Nanovlákna, Liposomy, Dendrimery, Micely, Fullereny, Uhlíkové nanotrubice. 17

18 Nanofarmacie a nanofarmakologie NANOVLÁKNA + GLUTATHION (GSH) GSH je antioxidant, který v těle likviduje volné radikály a přispívá tím ke zpomalení stárnutí organismu. Účinnost byla omezena jeho zhoršenou vstřebatelností z trávicího traktu. GSH ve formě tenké vrstvy nebo nanovlákenné vaty by se vstřebával přímo ze sliznice dutiny ústní. Technologie výroby nanovláken založená na odstředivém principu rotujícího zvonu je rychlejší a méně nákladná než dosavadní elektrospining. 18

19 Nanofarmacie a nanofarmakologie Průměr nm LIPOSOMY Lipofilní i hydrofilní charakter. lipofilní + hydrofilní = amififilní Možnost enkapsulovat řadu látek Procento enkapsulace lze zvýšit opakovaným rozmrazováním a zmrazováním při přípravě liposomů 19

20 Nanofarmacie a nanofarmakologie LIPOSOMY Hydrofóbní látky - lipidová dvojvrstva. Hydrofilní látky - vnitřní vodné prostředí. 20

21 Nanofarmacie a nanofarmakologie LIPOSOMY Současné využití - Penetrace pokožkou Lipozomální formy zlepšují účinnost aplikovaných látek. (Kosmetika, oční spreje, nosiče UV filtrů, ) Budoucí využití - Vnitrožilní aplikace Aplikace injekčně (při t 37 C jsou lyposomy stabilní) Liposomy obsahující léčivo jsou směrovány k nádoru. Uvolňují léčivo přímo do nádoru. Je tedy maximálně zamezeno šíření nežádoucích účinků. 21

22 Nanofarmacie a nanofarmakologie DENDRIMERY Dendros Velikostí se blíží proteinům. Mají velký prostor uvnitř a poměrně vysoký počet funkčních skupin na povrchu. 22

23 Nanofarmacie a nanofarmakologie DENDRIMERY 23

24 Nanofarmacie a nanofarmakologie Využití DENDRIMERY Dendrimery je možné přesněji zacílit než liposomy. Léčení některých zhoubných nádorů Díky schopnosti prostoupit krevněmozkovou bariéru, by mohly napomoci léčení dětské obrny. 24

25 Nanofarmacie a nanofarmakologie Micely Hydrofobní jádro a hydrofilní stěna Velikost nm Díky svému povrchu možňují enkapsulovat až 20% léčiva, které se uvolňuje v řádu několika hodin až dní. 25

26 Nanofarmacie a nanofarmakologie Micely Budoucí použití: Léčba nádorových onemocnění Rozrušení struktury micel s léčivem pomocí ultrazvuku nebo infračerveného záření. Zvyšuje intracelulární příjem jak volného léčiva, tak i léčiva enkapsulovaného v micelách. Působí pouze lokálně. 26

27 NANOMEDICÍNA V ONKOLOGII Rakovina je onemocněni způsobené zhoubným nádorem, pro který je charakteristický nekontrolovaný růst s ničením okolních tkání, zakladání metastáz a celkové působení na organizmus. Výzkum nanotechnologií v oblasti léčby rakoviny: molekulární zobrazování pomocí nanočipů zachycujících rakovinné markery zobrazování in vivo pomocí kontrastních částic cílený transport léčiv 27

28 Nanomedicína v onkologii ZPŮSOBY LIKVIDACE NÁDOROVÝCH BUNĚK Nanopouzdra jsou zlatem pokryté křemíkové nanočástice, které uvnitř obsahují léčivo. Mohou absorbovat světelnou energii (IR) a přeměnit ji v teplo. Vhodné pro nádory těsně pod povrchem těla. Zvýšení účinnosti neutronové záchytné terapie pomocí dendrimeru obsahujícího izotop boru a infiltrací nádoru nanočásticemi. Při ozařování cílového pole neutrony reagují jádra boru s pomalými neutrony za vzniku α částice. Vzniklé částice pak lokálně destruují nádor. Jinou aplikací je cílená hypertermie nádoru působením vnějšího magnetického pole. Nanočástice s feromagnetickou látkou infiltruje tumor a po vystavení proměnnému magnetickému poli dojde k výraznému ohřevu a tepelné destrukci. 28

29 REGENERATIVNÍ MEDICÍNA Moderní regenerativní medicína je novým oborem, který se stále vyvíjí. Pro léčbu onemocnění se využívají kmenové buňky. 29

30 Regenerativní medicína TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ Tkáňové inženýrství je interdisciplinární obor využívající znalostí inženýrství a přírodních věd k vývoji biologických náhrad sloužících k obnově, zachování nebo zlepšení funkcí tkání nebo orgánů. 30

31 Regenerativní medicína TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ Nové vlasy, zuby, oči to vše pomocí kmenových buněk Po vnesení namnožených folikulů začaly první vlasy rašit na myším hřbetu již po dvou až pěti týdnech. Laboratorním myškám díky kmenovým buňkám vyrostly i nové zuby. Výzkum britských vědců dokázal, že použití kmenových buněk jako náhrady za poškozené buňky vede i k navrácení zraku. Ujalo se kolem 15 % buněk, což pomohlo ke zlepšení rozlišení kontrastu černé X bílé a zlepšilo orientaci. 31

32 Regenerativní medicína BIOBOTI Zvětšenina 7 mm dlouhého autonomního "biobota vyvinutého na univerzitě v Illinois. Nevýhodou je neovladatelnost bio bota. Snaha ovládat bio boty pomocí genu mořských řas, které jsou citlivé na světlo. Možné aplikace zahrnují: Medicínský bio sensor, využití při chemické analýze, identifikace a zároveň likvidace toxických látek. 32

33 TERAPEUTIČTÍ NANOBOTI Pracovníci japonské univerzity sestavili rotující spirálky ; dokážou se pohybovat cévami v těle, jsou schopné zavrtat se do tumorů a zničit je, mohou dodat léky určité tkáni či orgánu, mohou být injektovány pomocí standardní podkožní injekce, jsou magneticky řízené pomocí 3D zdroje magnetického pole a ovládacího spínače. 33

34 Terapeutičtí nanoboti Na australské univerzitě se snaží sestrojit mikroroboty poháněné motorky velikosti šířky asi dvou lidských chlupů. Jejich pohonný mechanismus se podobá tomu, co používá k pohybu po těle bakterie E.coli. Rotující motorek pohybuje bičíky kolem své krát za vteřinu. 34

35 Terapeutičtí nanoboti Dalším typem jsou samosestavovací mikroroboti sestaveni inženýry na Kalifornské univerzitě; jsou tvořeni zlatým prstencem připojeným k obalu srdečního svalu, energii k pohybu získávají z krevní glukózy, mají využití v mikrochirurgii, při čištění nahromaděných krevních destiček v arteriích. 35

36 Terapeutičtí nanoboti budoucnost RESPIROCYTY Respirocyty jsou umělé červené krvinky. Jako zdroj energie budou využívat krevní glukózu. Budou schopny dopravit do tkání 236 krát více kyslíku. Nanorobot je sestaven z 18 milionů atomů spojených chemickou vazbou. Jeho maximální kapacita je 3 miliardy molekul O 2 a CO 2. 36

37 Terapeutičtí nanoboti budoucnost MIKROPOŽÍRAČE Mikropožírače budou sloužit pro destrukci mikrobiálních patogenů. Budou se skládat z teleskopického robotického tykadla, likvidační komory a trávicí komory s enzymy. Zařízení bude schopno provést 80 likvidačních zásahů. 37

38 38

39 budou-vedci-v-budoucnu-vyrabet-lidske-organy/ 39

40 ZDROJE [cit ] [cit ] [cit ] [cit ] [cit ] 40

41 ZDROJE ed=0cdaqfjaa&url=http%3a%2f%2fis.muni.cz%2fth%2f65060%2fff_m%2f&ei=ta0umhrjk3e4gtpkoh4dq&usg=afqjcnfmtnwhw0jhjkirg2gz52xinda3kq [cit ] [cit ] [cit ] [cit ] [cit ] 41

42 ZDROJE [cit ] [cit ] l= /medium_350px- Ecoli_flagellum_01.jpg&w=350&h=200&ei=atm9UImQDYiE4gSN04GwAQ&zoom=1&iact=h c&vpx=1043&vpy=281&dur=2322&hovh=160&hovw=280&tx=200&ty=106&sig= &page=2&tbnh=157&tbnw=259&start=21&ndsp=31&ved=1t:429,r:28,s:0,i:17 1&biw=1366&bih=602 [cit ] 42

43 ZDROJE rl= plamzbcr7lm&itg=1&imgurl= 20&ei=Zda9UJb4GM314QST_oCoCQ&zoom=1&iact=hc&vpx=988&vpy=153&dur=455& hovh=146&hovw=345&tx=230&ty=93&sig= &page=1&tbnh=12 0&tbnw=256&start=0&ndsp=20&ved=1t:429,r:5,s:0,i:99&biw=1366&bih=602 [cit ] [cit ] 43