Nanoteknologi, nanomedicin og sykdom

Nanoteknologi refererer til bruk av menneskeskapte partikler av nanostørrelse (typisk 1-100 milliarder meter) til industrielle eller medisinske applikasjoner som er tilpasset deres unike egenskaper. Fysiske egenskaper av kjente elementer og materialer kan endres ettersom deres overflate til arealforholdet øker dramatisk, i. e. når nanoskala størrelser oppnås. Disse endringene finner ikke sted når du går fra makro til mikroskala.

Endringer i fysiske egenskaper som kolloidale egenskaper, oppløselighet og katalytisk kapasitet har blitt funnet svært nyttige i områder av bioteknologi, slik som bioremediering og legemiddellevering.

De forskjellige egenskapene til de forskjellige typer nanopartikler har resultert i nye applikasjoner. For eksempel kan forbindelser som er kjent for å være generelt inerte materialer bli katalysatorer. Den ekstremt små størrelsen på nanopartikler gir dem mulighet til å trenge inn i celler og samhandle med cellemolekyler. Nanopartikler har ofte også unike elektriske egenskaper og utmerkede halvledere og bildemidler. På grunn av disse egenskapene har vitenskapen om nanoteknologi gått av de siste årene, med testing og dokumentasjon av et bredt spekter av nye anvendelser for nanopartikler, særlig i nanomedicin.

Utviklingen av nanoteknologi for nanomedisinske applikasjoner har blitt en prioritet i National Institutes of Health (NIH).

Mellom 2004 og 2006 etablerte NIH et nettverk av åtte nanomedisinutviklingssentre, som en del av NIH Nanomedicine Roadmap Initiative. I 2005 begikk National Cancer Institute (NCI) 144. 3 millioner over 5 år for programmet "Alliance for Nanotechnology in Cancer", som finansierer syv sentre for ekspertise for kreftnanoteknologi (Kim, 2007).

Finansieringen støtter ulike forskningsprosjekter innen diagnostikk, enheter, biosensorer, mikrofluidika og terapi.

Blant de langsiktige målene for NIH-initiativet er mål som å kunne bruke nanopartikler for å oppdage kreftceller før tumorer vokser, fjerner og / eller erstatter "ødelagte" deler av celler eller cellemekanismer med miniatyr, molekylær- størrelse biologiske "maskiner", og bruk lignende "maskiner" som pumper eller roboter for å levere medisiner når og hvor det er nødvendig i kroppen. Alle disse ideene er gjennomførbare basert på dagens teknologi. Imidlertid vet vi ikke nok om de fysiske egenskapene til intracellulære strukturer og interaksjoner mellom celler og nanopartikler, for nå å nå alle disse målene. Hovedformålet med NIH er å legge til gjeldende kunnskap om disse interaksjonene og cellemekanismer, slik at nøyaktig byggede nanopartikler kan integreres uten uønskede bivirkninger.

Mange forskjellige typer nanopartikler undersøkes for applikasjoner i nanomedicin.De kan være karbonbaserte skjelett-type strukturer, slik som fullerener, eller micellelignende lipidbaserte liposomer, som allerede er i bruk for mange anvendelser ved legemiddellevering og kosmetisk industri.

Kolloider, typisk liposomanopartikler, valgt for deres løselighet og suspensjonsegenskaper, brukes i kosmetikk, kremer, beskyttende belegg og flekkbestandig klær. Andre eksempler på karbonbaserte nanopartikler er chitosan og alginatbaserte nanopartikler beskrevet i litteraturen for oral levering av proteiner og forskjellige polymerer under studie for insulinlevering.

Ytterligere nanopartikler kan fremstilles av metaller og andre uorganiske materialer, som fosfater. Nanopartikkel kontrastmidler er forbindelser som forbedrer MR og ultralyd resultater i biomedisinske applikasjoner av in vivo imaging. Disse partiklene inneholder vanligvis metaller hvis egenskaper er dramatisk endret på nanoskalaen. Gull "nanoshells" er nyttige i kampen mot kreft, spesielt mykvevstumor, på grunn av deres evne til å absorbere stråling ved bestemte bølgelengder.

Når nanoshellene går inn i svulstceller og strålingsbehandling påføres, absorberer de energien og varme opp nok til å drepe kreftcellene. Positivt ladede sølvnanopartikler adsorberer på enkeltstrenget DNA og brukes til dets deteksjon. Mange andre verktøy og enheter for in vivo imaging (fluorescensdeteksjonssystemer), og for å forbedre kontrasten i ultralyd og MR-bilder, blir utviklet.

Det finnes mange eksempler på sykdomsbekjempende strategier i litteraturen, ved hjelp av nanopartikler. Ofte, spesielt når det gjelder kreftbehandlinger, kombineres legemiddelleveringsegenskapene med bildebehandlingsteknologi, slik at kreftceller kan være visuelt lokalisert under behandling. Den overordnede strategien er å målrette mot spesifikke celler ved å koble antigener eller andre biosensorer (f.eks. RNA-tråder) til overflaten av nanopartikler som oppdager spesialiserte egenskaper av celleveggene. Når målcellen er blitt identifisert, vil nanopartiklene klebe seg til celleoverflaten, eller komme inn i cellen, via en spesialdesignet mekanisme, og levere nyttelasten.

En stoffet er levert, hvis nanopartikkelen også er et bildebehandlingsmiddel, kan leger følge sin fremgang og distribusjonen av kreftcellen er kjent. Slike spesifikke målretting og deteksjon vil hjelpe til med behandling av senfase metastasert kreft og vanskelig å nå tumorer og gi indikasjoner på spredningen av disse og andre sykdommer. Det forlenger også levetiden til visse stoffer som har vist seg å vare lenger inne i en nanopartikkel enn når svulsten ble injisert direkte, da ofte stoffer som er injisert i en svulst diffunderes vekk før de effektivt dreper svulstcellene.

En signifikant utvikling i behandling av kreft var sammenkoblingen av siRNA (små interfererende RNA) behandlinger med nanopartikler leveranse. I 1999 ble siRNA først beskrevet som et nytt middel for å hemme proteinuttrykk i celler.RNA-strengene ble imidlertid ofte ødelagt av cellulære mekanismer før de nå sine mål. Nanopartikler gir beskyttelses- og leveringsmekanismer siRNA-molekyler må nå målvev.

Flere bedrifter har allerede inngått kliniske studier av nanopartikkel-leverte siRNA-terapier (Alper 2006).

Molekylær selvmontering er fenomenet som molekyler samler spontant inn i definerte, stabile formasjoner basert på atomiske interaksjoner som hydrogenbinding, hydrofob og van der Waals-krefter. "Bunn-opp" -konstruksjon av nanopartikler utnytter molekylær selvmontering for å bygge bestemte strukturer basert på vår forståelse av disse spontane formasjonene. En applikasjon av dette er å bruke spesifisiteten til Watson-Crick DNA base pairing for å bygge nukleinsyrer av definerte strukturer med spesielle anvendelser. I en annen, ny applikasjon av molekylær selvsammenstilling, under utvikling i Sveits, blir poreproteiner introdusert i nanopartikler under polymermontering. Porene er innarbeidet i overflatematrisen, og deres åpning og lukking tillater legemiddellevering spesifikk for visse miljøforhold (i dette tilfelle pH-endringer) i cellen (Broz et al.,

2006). Porene åpner eller lukker ofte når de reagerer på pH, temperatur eller andre miljøfaktorer. Bruk av lignende porer i nanopartikler tillater spesifikk levering eller biosensing under spesifikke cellulære forhold, for eksempel insulinlevering når blodsukkernivåene indikerer et behov.

Etter levering av nyttelast er det ofte ønskelig at nanopartiklene på en eller annen måte fjernes eller metaboliseres, ideelt uten toksiske bivirkninger.

Fordelene ved å bruke nanopartikler er faktisk at giftige bivirkninger av tradisjonell stråling og kjemoterapi kan unngås, ved å behandle bare svulsten eller usunne celler og ikke ødelegge nærliggende sunt vev. Noen nanopartikler forventes å være relativt trygge på grunn av deres tilbøyelighet til å oppløse en gang inne i celler, og noen består av materialer som allerede er i bruk i biomedisin, for eksempel nanopartikler laget av samme polymerer som brukes til suturer (Bullis, 2006). Uansett tilnærming er fordelene ved nanopartikkelavgift enorm og inkluderer forbedret biotilgjengelighet av stoffer ved å målrette mot bestemte organer, vev eller svulster, og derved gi den høyeste dosen av stoffet direkte der det trengs, og redusere avfall og kostnader som følge av sammenbrudd før en stoffet oppfyller målet sitt.

Nanomedicin er et relativt nytt område innen bioteknologi, men mulighetene for nye terapier og operasjoner for å behandle sykdommer og kreft, synes uendelige. Konseptet med nanoroboter og celle reparasjonsmaskiner er også levedyktig og kan en dag være like vanlig som å ta en aspirin er i dag.

_Kilder:

Kim, 2007. Nanoteknologi plattformer og fysiologiske utfordringer for kreft terapi.

I Trykk, gjør du. org / 10. 1016 / j. nano. 2006. 12. 002.

Alper, 2006, Nanopartikler og siRNA - Partnere på vei til nye kreftterapier.NCI Alliance for nanoteknologi i kreft. // nano. kreft. gov / news_center / monthly_feature_2006_august. asp.

Broz et al. , 2006. Mot intelligente nanosere bioreaktorer: En pH-omstillbar, kanalutrustet, funksjonell polymer nanokontainer. Nano Letters 6 (10): 2349-2353.

Bullis, 2006. Single-Shot Chemo. Teknologisk gjennomgang. // www. technologyreview. com / read_article. aspx? lm = specialsections & fm = emergingtech & id = 16469.