Egészségtudományi Közlemények, 2.kötet, 1. szám (2012), pp. 33–38.
BIOLÓGIAI RENDSZEREKBEN ALKALMAZOTT NANOANYAGOK DR. LOVRITY ZITA1, DR. EMMER JÁNOS1, JUHÁSZNÉ SZALAI ADRIENN1, DOJCSÁKNÉ KISS-TÓTH ÉVA1, DR. FODOR BERTALAN1 Összefoglalás: Ebben az összefoglalóban a nanomedicinális kutatásokban a legelterjedtebben alkalmazott nanoanyagokat mutatjuk be a teljesség igénye nélkül. Ismertetjük ezen anyagok főbb csoportjait, különleges sajátságaikat, melyek nagymértékben befolyásolják biológiai közeggel való kölcsönhatásukat, toxicitásukat. Néhány főbb vizsgálati módszert emelünk ki a nanoanyagok előzetes karakterizálására, melyek nélkül biológiai rendszerekben való használatuk nem valósítható meg. A gyógyszerek legújabb generációját a nanoantibiotikumok képviselik. Ezek számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek a hagyományos módszerekkel előállított antibiotikumokkal összehasonlítva, az alkalmazott nanorészecskéknek köszönhetően. Kulcsszavak: nanoanyagok, nanoanyagok karakterizálása, nanoantibiotikumok, gyógyszerszállító rendszerek Bevezetés Napjainkban a nanotechnológia biológiai és elsősorban orvosbiológiai alkalmazása egyre inkább előtérbe kerül. A nanoanyagokat felhasználják klinikai gyakorlatban gyógyszerszállító rendszerekként [1], képalkotást elősegítő anyagokként [2] és regeneratív medicinában vázanyagként, scaffoldok kialakítására [3]. A nanotechnológia képes olyan anyagok előállítására, amelyek szerkezete hasonlít az élő szervezetben találhatóakhoz, így ezek a nanorendszerek képesek a sejtek megfelelő működését elősegíteni. A nanoanyagok biológiai alkalmazásának elterjedésével előtérbe kerül a már meglévő és az új fejlesztésű részecskék fizikai-kémiai jellemzése, valamint toxikusságuk vizsgálata [4]. A biológiai rendszerekben többféle, szervetlen és szerves eredetű nanorészecskéket alkalmaznak. A szervetlen eredetű anyagok a fém (pl. arany, ezüst, alumínium, réz nanorészecskék) vagy fém-oxidok (titán-dioxid, cink-oxid stb.), valamint a karbon nanocsövek (CNT: carbon nano tube), melyeket különböző csoportokkal (pl. hidroxil, karboxil csoportok) funkcionalizálhatnak, valamint a fullerének és azok származékai. A nanorészecskék másik nagy csoportját a polimer származékok, dendrimerek (ún. csillag polimerek), liposzómák, szilárd lipidek alkotják. Bio-makromolekulák kölcsönhatása szervetlen nanorészecskékkel Az anyagtudomány speciális területe a biokompatibilis anyagok fejlesztése. Ahhoz, hogy a szervetlen nanorészecskéket tartalmazó anyagokat például implantátumként alkalmazni lehessen, ismerni kell ezen anyagok bio-makromolekulákkal való kölcsönhatását [5]. 1
Miskolci Egyetem Egészségügyi Kar, Nanobiotechnológiai és Regeneratív Medicina Tanszék, Miskolc
34
Lovrity – Emmer – Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Fodor
Ezek a kölcsönhatások rendkívül összetettek, több folyamat játszódik le egy időben: oldódás; ionok, kisebb molekulák, makromolekulák adszorpciója; redoxi reakciók stb. [6]. Ezek a folyamatok a nanorészecskék felületén játszódnak le. Azonban itt fontos megjegyezni, hogy a nano mérettartományban bizonyos tulajdonságok léptékfüggővé (méretfüggővé) válnak, különösen igaz ez a 20 nm alatti átmérőjű részecskékre. Ilyen jellemzők például az olvadáspont, a vezetőképesség, az ionizációs potenciál, mágnesezhetőség, felületi feszültség, reakciókészség stb. Még a mikrométeres mérettartományban az anyag felülete ~60–80 m2/g, addig például a kereskedelmi forgalomban kapható egyfalú karbon nanocsövek (SWCNT: single wall carbon nanotube), melyek gyógyászati célra is alkalmazhatók, felülete elérheti az 1000 m2/g-t [7]. Amikor a nanorészecske felülete kapcsolatba kerül egy biológiai eredetű folyadékkal, a közeg részecskéi (többségben proteinek) beborítják a felületet. Ezt az összetett réteget nevezik „protein koronának” (potein corona) [8]. A korona kialakulását számos tényező befolyásolja: a protein-nanorészecske kötés erőssége; a nanorészecske és a protein felületén kialakult töltéseloszlás, ami pH-függő; a nanorészecske felületének kémiai sajátságai; a hőmérséklet stb. [9]. Valójában a sejt nem közvetlenül a nanorészecskével kerül kapcsolatba, hanem a protein koronával. A protein korona szerkezetét azonban erősen befolyásolja a nanorészecske minősége, mérete, alakja, valamint a biológiai közeg sajátságai. A nanorészecske mérete annak toxicitását is meghatározza. Karbon nanocsövek esetén egy jól diszpergált rendszer kevésbé toxikus, mint az agglomerátumokat tartalmazó rendszeré [10]. A szervetlen nanorészecske felületének fizikai-kémiai sajátságai fontos szerepet játszanak a biomolekulákkal való kölcsönhatás kialakításában. Az alábbi sajátságok jelentős mértékben befolyásolják a biomolekulákkal való kölcsönhatást: 1. hidrofób, hidrofil jelleg; 2. felületi töltés; 3. nanotopográfia; 4. felületi görbültség; 5. a felületen lévő reaktív csoportok; 6. kiralitás; 7. oldódási egyensúlyok [5]. A felület fizikai-kémiai sajátságai számos mérési módszer segítségével meghatározhatók. Ezeket csoportosíthatjuk annak alapján is, hogy közvetlenül vagy közvetetten szolgáltatnak információt a felületről. A direkt technikák közé tartoznak a képalkotó berendezések: pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópok (SEM: scanning electron microscopy, TEM: transmission electron microscopy); atomerő mikroszkóp (AFM: atomic force microscopy), valamint a röntgensugárzásos fotoelektron és Auger elektron spektroszkópia (XPS: X-ray photoelectron spectroscopy, AES: Auger electron spectroscopy) [11]. Az indirekt módszerek közé olyan méréstechnikákat sorolhatunk, melyek segítségével egyéb sajátságok meghatározásából lehet következtetni a felületi jellemzőkre. Ilyen pl. a zétapotenciál vagy az elektroforetikus mobilitás meghatározás; a kalorimetriás mérések, melyek az adszorpciós entalpiát határozzák meg; és az FT-IR (Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia) és Raman-spektroszkópia, ami a felületen lévő reaktív csoportokról ad felvilágosítást. Nanoantibiotikumok Az egészségügy számára az egész világon rendkívül nagy kihívást jelent új antibiotikumok fejlesztése, mivel a hagyományos antibakteriális szerek esetén sok esetben gyógyszer-rezisztencia alakul ki a kellemetlen mellékhatások mellett. Az antibakteriális nanorészecskék és a nano mérettartományú gyógyszerhordozók számos fajtája a fertőzéses betegségek kezelésében sokkal hatékonyabbnak bizonyulnak, mint hagyományos társaik.
Biológiai rendszerekben alkalmazott nanoanyagok
35
A nanorészecskék egységes elektromos, mágneses és katalitikus sajátságai következtében alkalmasak gyors, érzékeny és költségkímélő szerek előállítására a diagnosztikában. Kifejlesztettek húgyúti fertőzések kimutatására olyan arany nano huzalokat (GNWA: gold nano wire array), melyekre oldalláncokat kapcsoltak, amik szelektíven kötődnek az E. coli antitestekhez. [12]. A mágneses nanorészecskék alkalmazásával gyors és érzékeny detektálási módszert fejlesztettek ki, mely mágneses rezonancia képalkotás (MRI: magnetic resonance imaging) során alkalmazható [13]. Az antibiotikum-szintézissel összehasonlítva az antibakteriális nanorészecskék előállítása olcsóbb. Továbbá ezek az anyagok elég stabilak ahhoz, hogy hosszabb távon eltarthatóak legyenek; kibírják a magas hőmérsékletű sterilizálást is, ami már egy hagyományos antibiotikumot dezaktivál. Ilyen antibakteriális hatású anyagok a fém (pl. ezüst, arany, alumínium, réz), fém-oxid (pl. cink-oxid, titán-dioxid), a karbon alapú nanoszemcsék (pl. kabon nanocsövek, fullerének és fullerén származékok), a felületaktív nanoemulziók. Az antibakteriális hatást többféle mechanizmus szerint fejtik ki ezek az anyagok: 1. fém vagy fémoxidokból fotokatalízis során reaktív oxigéngyök (ROS: reactive oxygen species) keletkezik, ami a sejtes és vírus eredetű komponenseket elroncsolja; 2. roncsolja a bakteriális sejtfalat, sejtmembránt; 3. gátolja az enzimaktivitást és DNA-szintézist [14]. Fém- és fém-oxid nanorészecskékből UV-fény hatására gyökös, reaktív oxigén szabadul fel. Ezeket az anyagokat antibakteriális készítmények előállításához használják fel [15]. Nanoméretű ezüst és cink, valamint ezek vegyületei hatékonyak bizonyos mikroorganizmusok inaktiválásában [16, 17]. A nanoanyagok gyógyszerszállító rendszerekként való alkalmazásának számos előnye van: ellenőrizhető és közel egységes eloszlás a cél szövetben; jobb oldhatóság; tartós és ellenőrzött kioldás; minimális mellékhatások [1]. Ahhoz, hogy a klinikai gyakorlatban ezeket az anyagokat alkalmazni lehessen, ismerni kell a nanorészecskék sejtekkel, szövetekkel, szervekkel való kölcsönhatását, a nanoantibiotikum toxicitását. Kimutatták, hogy az intravénásan adott nanorészecskék a tüdőben, a vastagbélben, a csontvelőben, a májban, a lépben felhalmozódhatnak [18]. Mivel a nanorészecskék méretfüggő tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért nincs egységes módszer az in vitro vizsgálatokra, és ezért nehéz az alkalmazott dózisok megállapítása. Emiatt szükség van olyan új, nanorészecskéket karakterizáló technikák fejlesztésére, melyek működését nem befolyásolják a nanoszemcse sajátságai vagy a biológiai közeg [18]. Gyógyszerszállító rendszerekben liposzómákat, szilárd lipideket, polimer nanoszemcséket, dendrimereket alkalmaznak [19]. Nanoanyagok karakterizálása a toxicitás szempontjából A nano mérettartományban lévő anyagok iránt a kereslet folyamatosan növekszik, alkalmazási területük folyamatosan bővül. Ezért rendkívül fontos ezen anyagcsoport toxicitásvizsgálata, és ezáltal a karakterizáló technikák fejlesztése. A nanoanyagok fizikaikémiai vizsgálata elengedhetetlen a kockázatbecslések és az in vitro vizsgálatokhoz szükséges pontos előrejelzések miatt. A nanoanyagokra jellemző megnövekedett felület megváltoztatja a határfelület kémiai és fizikai reaktivitását, ami kihat a biológiai reakciókészségre is. Ilyen mérettartományban más a kolloid rendszer stabilitása, aggregáció tapasztalható vizes közegben, a megnövekedett felületen szennyeződések adszorbeálódnak. Joggal vetődik fel a kérdés, hogy a
36
Lovrity – Emmer – Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Fodor
nanoanyagok specifikus sajátságai hogyan befolyásolják a biológiai rendszereket, feldúsulnak vagy kiürülnek onnan. A nanoanyagok biológiai alkalmazás előtti vizsgálatára nagy hangsúlyt kell fektetni a lehetséges toxicitásuk miatt. A nanoszemcsék felületi szennyeződéseinek vizsgálatára azért van szükség, mert toxikus anyagok kerülhetnek élő rendszerekbe a felületükön lévő szennyeződések miatt. Ilyen felületi szennyeződések a felületen adszorbeált anyagok oxidációs reakcióiból származhatnak. A nanoanyagok alkalmazhatóságának feltétele, hogy stabil, monodiszperz kolloid rendszert lehessen belőlük előállítani. Az ehhez szükséges segédanyagok (felületaktív anyagok, sztérikus és ionos stabilizálószerek) felületi szennyezőként jelenhetnek meg. Ezek az anyagok a hatással vannak a sejtműködési mechanizmusra [4]. A biológiai rendszerekben alkalmazott nanorészecskéken előforduló szennyező anyagok többfélék lehetnek. A karbon nanocsövek poliaromás szénhidrogéneket (PAHs: polyaromatic hydrocarbons) tartalmaznak szennyezőként, melyek a nanocsőgyártás során kerülnek a felületre [20]. A nanocsövek gyártása során egyéb szennyeződések is előfordulnak a felületen: katalizátor maradványok (Fe, Co, Ni), illékony lágyító adalékok (alkilftalátok) stb. [21]. A felületi szennyezők detektálására számos módszert alkalmaznak: repülési időszekunder ion tömegspektrometria (ToF-SIMS: time-of-flight secondary ion mass spectrometry), röntgensugárzásos fotoelektron spektroszkópia (XPS: X-ray photoelectron spectroscopy), energiadiszperzív röntgensugárzásos analízis (EDX: energy dispersive Xray), felületnövelt Raman-spektroszkópia (SERS: surface-enhanced Raman spectroscopy). A nanorendszerek biológiai alkalmazásakor fontos szempont a részecskék mérete és agglomerációja. Karbon nanocsövek citotoxicitását az agglomeáció fajtája és mértéke nagymértékben befolyásolja [10]. Részecskeméret meghatározásra legtöbbször transzmiszsziós elektronmikroszkópot (TEM: transmission electron microscopy), pásztázó elektron mikroszkópot (SEM: scanning electron microscopy), optikai spektroszkópiát UV-vis tartományban, dinamikus fényszórás mérést (DLS: dynamic light scattering) és fluoreszcens polarizációt alkalmaznak. A nanoanyag in vivo körülmények között azonnal biológiai és fiziológiai folyamatok sokaságába kerül, ezek a folyamatok különböző sejttípusok különböző szöveti környezetében fordulnak elő. Ezért az in vivo alkalmazás előtt in vitro körülmények között a fő sejttípusokra (fagocitáló, ideg-, máj-, epiteliális, endoteliális, vörösvérsejt és tumorsejt vonalra) tesztelik a nanorendszert. Összefoglalás Jelen összefoglalóban a nanorészecskék néhány jellemzőjét és alkalmazási területét mutattuk be biológiai rendszerekben a teljesség igénye nélkül. A nanorészecskék sajátságai anyagi minőségtől függően nagyon specifikusak lehetnek. Az egyes egyedi, jellemző sajátságok határozzák meg alkalmazási területeiket. A szakirodalomban fellelhetünk még számos egyéb felhasználási lehetőséget (scaffoldok) [22], biológiai vagy biogyógyászati mikro-eletromechanikai rendszerek (BIOMEM: biomedical or biological micro-electromechanical system) [23]. Ezen anyagok fejlesztése kihívást jelent mind az anyagtudomány, mind a mérnöki tudományok művelői számára. Jelenleg ezen anyagok klinikai alkalmazása még a kezdeti fázisban van, de előreláthatólag a jövőben előnyös tulajdonságaiknak köszönhetően egyre nagyobb tért fognak hódítani a gyakorlatban.
Biológiai rendszerekben alkalmazott nanoanyagok
37
Köszönetnyilvánítás Jelen munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió résztámogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
Irodalomjegyzék [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]
Zhang, L., Pornpattananangkul, D., Hu, C. M., Huang, C. M.: Development of nanoparticles for antimicrobial drug delivery. Curr. Med. Chem., 2010, 17, 585–594. p. Boisseau, P., Loubaton, B.: Nanomedicine, nanotechnology in medicine. Comptes Rendus Physique, 2011, 12, 620–636. p. Engel, E., Michiardi, A., Navarro, M., Lacroix, D., Planell, J. A.: Nanotechnology in regenerative medicine: the materials side, Trends in Biotechnology, 2007, 26, 39–47. p. Jones, C. F., Grainger, D. W.: In vitro assessments of nanomaterial toxicity. Advanced Drug Delivery Reviews, 2009, 61, 438–456. p. Fenoglio, I., Fubini, B., Ghilbaudi, E. M., Turci, F.: Multiple aspects of the interaction biomacromolecules with inorganic surfaces. Advanced Drug Delivery Reviews, 2011, 63, 1186–1209. p. Nel, A. E., Madler, L., Velegol, D., Xia, T., Hoek, E. M. V. et al.: Understanding biophysicochemical interactions at nano bio-interface. Nature Materials, 2009, 8, 543–557. p. Grainger, D. W., Castner, D. G.: Nanobiomaterials and nanoanalysis: opportunities for improving the science to benefit biomedical technologies. Av. Mater., 2008, 20, 867–877. p. Lynch, I., Cedervall, T., Dawson, K. A. et al.: The nanoparticle-protein complex as a biologycal entity; a complex fluid and surface science challenge for the 21st century. Advances in Colloid and Interface Science, 2007, 134-35, 167–174. p. Walczyk, D., Bombelli, F. P., Dawson, K. A. et al.: What the cell „sees” in bionanoscience. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 5761–5768. p. Wick, P., Manser, P., Bruinink, A. et al.: The degree and kind of agglomeration affect carbon nanotube cytotoxicity. Toxicology Letters, 2007, 168, 121–131. p. Hegman, N., Pekker, P., Kristály, F. Váczi, T.: Nanometrológia, Miskolci Egyetem, 2011. Li, M., Hu, B., Chen, R., Zhang, X., Chen, H.: Extractive electrospray ionization mass spectrometry toward in situ analysis without sample pretreatment. Anal. Chem., 2009, 81, 7724–7731. p. Jain, T. K., Richey, J., Strand, M., Labhasetwar, V. et al.: Magnetic nanoparticles with dual functional magnetic properties: Drug delivery and magnetic resonance imaging. Biomaterials, 2008, 29, 4012–4021. p. Li, Q., Mahendra, S., Alvarez, P. J. et al.: Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: potential applications and implications. Water Res., 2008, 42, 4591–4602. p. Allaker, R. P., Ren, G.: Potential impact of nanotechnology on the control of infectious disease. Trans. R. Soc. Trop. Med. Hyg., 2008, 102, 1–2. p.
38
Lovrity – Emmer – Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Fodor
[16] Mühling, M., Bradford, A., Handy, R. D. et al.: An investigation into the effects of silver nanoparticles on antibiotic resistance of naturally occuring bacteria in an estuarine sediment. Mar. Environ. Res., 2009, 68, 278–283. p. [17] Huang, Z., Zheng, X., Hao, B. et al.: Toxicological effect of ZnO nanoparticles bnased on bacteria. Langmuir, 2008, 24, 4140–4144. p. [18] De Jong, W. H., Borm, P. J.: Drug delivery and nanoparticles: applications and hazards. Int. J. Nanomedicine, 2008, 3, 133–149. p. [19] Huh, A. J., Kwon, Y. J.: A new paradigm for treating infectious diseases using nanomaterials in the antibiotics resistant area . J. Controlled Release, 2011, 156, 128–145. p. [20] Yang, K., Xing, B.: Desorption of polycyclic aromatic hydrocarbons from carbon nanomaterials in water. Environ. Pollut., 2007, 145, 529–537. p. [21] Deck, C. P., McKee, G. S. B., Vecchio, K. S.: Synthesis optimization and characterization of multiwalled carbon nanotubes. J. Electron. Mater., 2006, 35, 211–222. p. [22] Hutmacher, D. W.: Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials, 2000, 21, 2529–2543. p. [23] Bashir, R.: BioMEMS: state-of-the-art in detection, opportunities and prospects. Advanced Drug Delivery, 2004, 56, 1565–1586. p.
