Nanoteknik, nanomedicin och sjukdom

Nanoteknik avser användningen av konstgjorda partiklar av nanostorlek (typiskt 1-100 miljarder meter) för industriella eller medicinska tillämpningar som är anpassade till deras unika egenskaper. Fysiska egenskaper hos kända element och material kan förändras eftersom deras förhållande mellan yta och yta ökar dramatiskt, i. e. när nanoskala storlekar uppnås. Dessa förändringar sker inte när man går från makro till mikroskala.

Förändringar i fysikaliska egenskaper som kolloidala egenskaper, löslighet och katalytisk kapacitet har visat sig mycket användbara inom områdena bioteknik, såsom bioremediering och läkemedelsavgivning.

De olika egenskaperna hos de olika typerna av nanopartiklar har resulterat i nya applikationer. Exempelvis kan föreningar som är kända för att vara allmänt inerta material bli katalysatorer. Den extremt lilla storleken av nanopartiklar gör det möjligt för dem att tränga igenom celler och interagera med cellulära molekyler. Nanopartiklar har ofta också unika elektriska egenskaper och gör bra halvledare och bildbildare. På grund av dessa egenskaper har vetenskapen om nanoteknik tagit slut de senaste åren, med testning och dokumentation av ett brett spektrum av nya användningsområden för nanopartiklar, särskilt i nanomedicin.

Utvecklingen av nanoteknik för nanomedicinska tillämpningar har blivit en prioritet hos National Institute of Health (NIH).

Mellan 2004 och 2006 inrättade NIH ett nätverk av åtta nanomedicinska utvecklingscentra, som en del av NIH Nanomedicine Roadmap Initiative. År 2005 begick National Cancer Institute (NCI) 144, 3 miljoner över 5 år för programmet "Alliance for Nanotechnology in Cancer", som finansierar sju centra of excellence for cancer nanoteknologi (Kim, 2007).

Stödet stödjer olika forskningsprojekt inom områdena diagnostik, anordningar, biosensorer, mikrofluidik och terapeutik.

Bland de långsiktiga målen med NIH-initiativet är mål som att kunna använda nanopartiklar för att söka cancerceller innan tumörer växer, tar bort och / eller ersätter "brutna" delar av celler eller cellmekanismer med miniatyr- storleksanpassade biologiska "maskiner" och använda liknande "maskiner" som pumpar eller robotar för att leverera läkemedel när och när det behövs inom kroppen. Alla dessa idéer är genomförbara baserat på nuvarande teknik. Vi vet emellertid inte tillräckligt om de fysikaliska egenskaperna hos intracellulära strukturer och interaktioner mellan celler och nanopartiklar för att för närvarande nå alla dessa mål. Det primära målet för NIH är att lägga till aktuell kunskap om dessa interaktioner och cellulära mekanismer, så att exakt byggda nanopartiklar kan integreras utan negativa bieffekter.

Många olika typer av nanopartiklar undersöks för applikationer inom nanomedicin.De kan vara kolbaserade skelett-typstrukturer, såsom fullerenerna eller micelliknande lipidbaserade liposomer, vilka redan används för många tillämpningar vid läkemedelsleverans och kosmetisk industri.

Kolloider, typiskt liposomnanoriklar, valda för deras löslighet och suspenderingsegenskaper används i kosmetika, krämer, skyddande beläggningar och fläckresistenta kläder. Andra exempel på kolbaserade nanopartiklar är kitosan och alginatbaserade nanopartiklar beskrivna i litteraturen för oral administrering av proteiner och olika polymerer som studeras för insulinavgivning.

Ytterligare nanopartiklar kan tillverkas av metaller och andra oorganiska material, såsom fosfater. Nanopartikelkontrastmedel är föreningar som förbättrar MRI- och ultraljudsresultat i biomedicinska tillämpningar av in vivo bildbehandling. Dessa partiklar innehåller vanligtvis metaller vars egenskaper förändras dramatiskt vid nanoskalan. Guld "nanoshells" är användbara vid bekämpning av cancer, särskilt mjukvävnadss tumörer, på grund av deras förmåga att absorbera strålning vid vissa våglängder.

När nanoshellsna går in i tumörceller och strålbehandling tillämpas, absorberar de energin och värmer upp tillräckligt för att döda cancercellerna. Positivt laddade silver nanopartiklar adsorberar på enkelsträngat DNA och används för dess detektion. Många andra verktyg och anordningar för in vivo bildbehandling (fluorescensdetekteringssystem), och för att förbättra kontrasten i ultraljud och MRI-bilder, utvecklas.

Det finns många exempel på sjukdomsbekämpningsstrategier i litteraturen, med hjälp av nanopartiklar. Ofta, särskilt när det gäller cancerterapier, kombineras läkemedelsavgivningsegenskaper med bildteknik, så att cancerceller kan vara visuellt placerade under behandling. Den övervägande strategin är att rikta specifika celler genom att länka antigener eller andra biosensorer (t.ex. RNA-strängar) till ytan av nanopartiklarna som upptäcker specialväggar hos cellväggarna. När målcellen har identifierats kommer nanopartiklarna att fästa vid cellytan, eller komma in i cellen via en specialdesignad mekanism och leverera nyttolast.

En läkemedlet levereras, om nanopartikeln är ett bildbildningsmedel, kan läkare följa dess framsteg och distributionen av cancercellen är känd. Sådan specifik inriktning och detektion kommer att bidra till behandling av senfas-metastaserad cancer och svårtillräckliga tumörer och ge indikationer på spridningen av dessa och andra sjukdomar. Det förlänger också livet för vissa droger som har visat sig vara längre inuti en nanopartikel än när tumören injicerades direkt, eftersom ofta droger som injicerats i en tumör diffus bort innan de effektivt dödade tumörcellerna.

En signifikant utveckling vid behandling av cancer var parning av siRNA (små interfererande RNA) behandlingar med nanopartikelavgivning. År 1999 beskrivs siRNA först som ett nytt sätt att hämma proteinuttryck i celler.RNA-strängarna förstördes emellertid ofta av cellulära mekanismer innan de nått sina mål. Nanopartiklar tillhandahåller skydds- och leveransmekanismerna siRNA-molekyler behöver nå målvävnader.

Flera företag har redan ingått kliniska prövningar av nanopartikel-levererade siRNA-terapier (Alper 2006).

Molekylär självmontering är fenomenet genom vilket molekyler samlar spontant i definierade stabila formationer baserade på atomväxlingar, såsom vätebindning, hydrofoba och van der Waals-krafter. "Botten upp" konstruktion av nanopartiklar utnyttjar molekylär självmontering för att bygga specifika strukturer utifrån vår förståelse för dessa spontana formationer. En tillämpning av detta är att använda specificiteten av Watson-Crick DNA-basparning för att bygga nukleinsyror av definierade strukturer med speciella användningsområden. I en annan ny applikation av molekylär självmontering, under utveckling i Schweiz, införes porproteiner i nanopartiklar under polymerenhet. Porerna införlivas i ytmatrisen och deras öppning och stängning tillåter läkemedelsavgivning specifikt för vissa miljöförhållanden (i detta fall pH-förändringar) i cellen (Broz et al.,

2006). Poror öppnar eller stänger ofta när de reagerar på pH, temperatur eller andra miljöfaktorer. Användning av liknande porer i nanopartiklar möjliggör specifik tillförsel eller biosensning under specifika cellulära betingelser, till exempel insulinavgivning när blodsockernivån indikerar ett behov.

Efter leverans av nyttolast är det ofta önskvärt att nanopartiklarna på något sätt avlägsnas eller metaboliseras, helst utan några toxiska biverkningar.

Fördelen med att använda nanopartiklar är faktiskt att toxiska biverkningar av traditionell strålning och kemoterapi kan undvikas genom att endast behandla tumören eller ohälsosamma celler och inte skada närliggande hälsosam vävnad. Några nanopartiklar förväntas vara relativt säkra på grund av deras benägenhet att upplösas en gång inuti cellerna, och vissa består av material som redan används i biomedicin, såsom nanopartiklar gjorda av samma polymerer som används för suturer (Bullis, 2006). Oavsett tillvägagångssättet är fördelarna med leverans av nanopartiklar enorma och inkluderar förbättrad biotillgänglighet av droger genom att rikta specifika organ, vävnader eller tumörer och därmed ge den högsta dosen av läkemedel direkt där det behövs och minska avfall och kostnader på grund av uppdelning före en drog uppfyller sitt mål.

Nanomedicin är ett relativt nytt område inom bioteknik, men möjligheterna till nya terapier och operationer för att behandla sjukdomar och sjukdomar som cancer verkar oändliga. Begreppet nanorobots och cellreparationsmaskiner är också livskraftigt och kan en gång vara lika vanligt som att ta ett aspirin idag.

_Källor:

Kim, 2007. Nanoteknikplattformar och fysiologiska utmaningar för cancerterapi.

I Press, gör du. org / 10. 1016 / j. nano. 2006. 12. 002.

Alper, 2006, nanopartiklar och siRNA - Partners på vägen till nya cancerterapier.NCI Alliance för nanoteknik i cancer. // nano. cancer. gov / news_center / monthly_feature_2006_august. asp.

Broz et al. , 2006. Mot intelligenta nanosera bioreaktorer: En pH-omkopplingsbar, kanalutrustad, funktionell polymer nanokontainer. Nano Letters 6 (10): 2349-2353.

Bullis, 2006. Single-Shot Chemo. Teknisk granskning. // www. technologyreview. se / read_article. aspx? CH = specialsections & fm = emergingtech & id = 16.469.