Mágneses nanorészecskék orvosi alkalmazásai Hegedűs Imre PE MÜKKI, Veszprém 2007 okt. 26.
Tartalom
Bevezetés Nanorészecskék Fém nanorészecskék Mágneses nanorészecskék
Orvosi alkalmazások Összefoglalás Biomedical applications using magnetic nanoparticles. By: Parton, Els; de Palma, Randy; Borghs, Gustaaf. Solid State Technology, 2007, 50 (8), 47-63.
Nanorészecskék I.
Definíció: nanorészecske, nanopor, nanokluszter v nanokristály, olyan mikroszkópikus méretű részecske, amelynek legalább az egyik kiterjedése kisebb, mint 100 nm. Felosztás: kluszterek, nanogömbök, nanorudak http://nanoparticles.org/ Egy Ni nanorészecske aluminium mátrixban (nagy felbontású STEM-Z mikroszkópos felvétel)
Diszperz rendszerek felosztása
1) A részecskék méretei szerint: Mikroheterogén (10 μm - 500 nm) Ultra-mikroheterogén v. kolloid (500 nm - 1 nm)
Valódi oldat (< 1 nm)
A felület változása a részecske mérettel A kockák élhossza 1 cm 0,1 cm 0,01 cm 0,001 cm 100 μm 10 μm 1 μm 100 nm 10 nm 1 nm
A kockák száma 1 103 106 109 1015 1018 1021 1024 1027 1030
Felület 6 cm2 60 cm2 600 cm2 6000 cm2 60 m2 600 m2 6000 m2 60000 m2 600000 m2 6000000 m2
Diszperz rendszerek felosztása 2) A közegek halmazállapota szerint Diszperz fázis Gáz
Diszperziós közeg
Gáz
Folyadék
Szilárd
-
Folyadék
Szilárd
Folyadék aeroszol (gőz, köd) Emulziók (kézkrémek)
Szilárd aeroszol (füst)
Szuszpenziók Habok (tej, festék, vér) Szilárd szolok Szilárd habok Gélek (speciális (aerogél) (vaj, zselatin, üvegek) sajt)
Nanorészecskék II. Felépítésük
Homogén szerkezetek Fém Dielektrikum Félvezető
Hibrid szekezetek: Mag és héj Félfolyékony és lágy nanorészecskék: liposzómák
http://www.impra.is/files/%7B3c8ccf68-d137-4a03-a031-c43b65a276a3%7D_snorrihi040319nanop.pdf
Nanorészecskék III. Felhasználásuk
Quantum dot (kvantum pont) < 10 nm Gyógyszer hatóanyag (drog) szállítók Képalkotó ágensek a diagnosztikában Nanorobotika pl. nubots (nucleic acids robots, utility fog) Szürke trutymó (grey goo)
Nanorészecskék IV. Történet
Mezopotámia: agyag festékek Középkor: arany és ezüst kolloid, alkémia
Nanorészecskék V. Tulajdonságaik
Félvezetőknél potenciál fal Felületi plazmon rezonancia Szuperparamágnesesség mágneses nanorészecskéknél 2 elemű 3D kristály F. Redl et al.,Nature, 423, 968 (26 June 2003).)
Nanorészecskék VI. Előállítások
Gázfázisú szintézis (inert gázban párolgás v. kondenzálás) Szol-gél műveletek („wet” ch., gélképzés, kicsapás, hidrothermikus módszerek) Egyéb lehetőségek
Szonokémiai eljárások (dT,dp↑↑ → üreg képz.) Kavitációs eljárások (buborék képz.) Mikroemulziós eljárások (α↓ → fémrész. Ø↓)
Nanorészecskék stabilizálása Van der Waals Mágneses dipólus Elektromos dipólus
Elektrosztatikus taszítás
Sztérikus taszítás
Nanorészecskék VII. Detektálás
Elektronmikroszkópia (SEM, TEM) Atomerő mikroszkópia (AFM) Dinamikus fényszórás (DLS) Röntgen fotoelektron spektroszkópia (XPS) Röntgen diffraktometria (XRD) Fourier-spektrofotometria (FTIR) Nanorészecske nyom analízis (NTA)
Fém nanorészecskék I. Előállítás
„Top down” felülről lefelé Nagyméretűből kicsi felé, nem gazdaságos
„Bottom up” lentről felfelé
Atomok aggragációjából Jól szabályozható méret Fém nanorészecskék előállítása Védőburok kell a stabilitásukhoz dendrimer segítségével Két fő előállítás típus: 1) Gázfázisú 2) Kémiai J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 7355-7356
Fém nanorészecskék II. Tulajdonságok
A vezető elektronok és a pozitívan töltött magok a fémben plazma állapotban vannak Az e--ok közös mozgása plazma oszcilláció A felszínhez közeli e--ok gerjesztet állapota: felszíni plazmon rezonancia (FPR) A nanorészecskébe zárt e--ok együtt FPR-t hoznak létre Megnövekedett EM tér a felszín közelében
Felületi plazmon rezonancia
Plazmon: kvázi részecske, a plazma állapotban lévő elektronfelhő hullámai fémben Felületi plazmon: a fotonokkal kölcsönható plazmonok (→ polariton), felületen terjednek
Felületi plazmon rezonancia: a pazmonok nagyon érzékenyek a nanokörnyezetükre
Önszerveződés
Fém nanorészecskék IV. Felhasználás
Katalizátorok Egyelektronos tranzisztorok Optikai kapcsolók Bioszenzorok
•http://www.haverford.edu/chem/depaula/Fuller1.ppt#278,25,Applications of Metal Nanoparticles
Bioszenzorok: felületi plazmonok
A szórt fény hullámhossza a környező dielektrikumtól függ
a) 40 nm Au részecskék biotin-BSA réteggel
b) sztreptavidin fehérjét adnak a rendszerhez c) a sztreptavidin a biotinhoz kötődik az arany felszínén
Mágneses nanorészecskék I. Mágnesesség
Ferromágneses anyagok kis doménekből állnak Az atomok mágneses momentuma minden doménben egyirányú Külső mágneses tér kikapcsolása után megőrzik a momentumukat a domének Pl. Számítógép diszk 2D ferromágneses film, információ szubmikron méretű doménekben tárolódik
http://www.ph.utexas.edu/~niugroup/nano/Guchhait.Samaresh.ppt#25 6,1,Magnetism in Nanostructure
Mágneses nanorészecskék II. Ferro- és paramágnesesség Mágneses tér hiányában Mágneses tér jelenlétében
Magnetit Fe3O4
Lapcentrált köbös Paramágnesesség
½ Fe3+ tetrahedrális ½ Fe3+ & Fe2+ oktahedr. Egységcella – 56 atom: Ferromágnesesség
32 O2- & 16 Fe3+ & 8 Fe2+
Mágneses nanorészecskék II. Nanomágnesesség
A ferromágneses anyagok mágneses dipólusokat tartalmaznak, amelyek szabadon foroghatnak A spinek közötti kölcsönhatások: 1) magnetosztatikus kölcsönhatások → ellentétes irányba néznek 2) kvantummechanikai kölcsönhatás: átlapolódás a spin hullámfüggvények között → eredőjük egy irányba néz Egy doménben a kettő egyensúlya
Mágneses nanorészecskék III. Mágneses anizotrópiás energia (MAE)
10 nm alatt a kvantumos kölcsönhatások az erősebbek A dipólusok iránya a nanorészecske anyagának szerkezetétől függ Mágneses anizotrópiás energia (MAE)↑ → kluszterek stabilitása↑
Mágneses nanorészecskék IV. Szuper-paramágnesesség
T↑ → spin elfordulás↑ T↑: ferromágnesesség → paramágnesesség Ez a hőmérsékleti effektus erősebb kisebb részecskéknél Az un. blokkoló hőmérséklet (TB) fölött a nanorészecske véletlenszerűen fluktuáció Ez az un. szuper-paramágnesesség
Szuperparamágneses Fe3O4
Fe3O4 nanorészecskék periódikus elrendeződésben
Nyújtott mágneses nanorészecskék
Szilikonnal beburkolt Fe3O4
http://www.jacobsschool.ucsd.edu/ResearchReview/2005/ppt/JinRE05.pdf
Mágneses nanorészecskék (MNP) orvosi alkalmazásai I. Történeti áttekintés
Követelmények
1) < 20 nm mágneses nanorészecskék szintézise
2) Funkciós csoportok felvitele a részecskék felületére
Amfifil polimerrel beburkolt MNR-k (balra) összehasonlítása dextránnal beburkolt CLIO részecskékkel (jobbra). A polimer réteg vékony és biokompatibilis.
MNP előállítása
Rövid magképzési lépés Lassú növekedési lépés Összecsapzódás megakadályozása
Taszító erők 1) Elektrosztatikus (ionos felszín) 2) Sztérikus (hidrofób felület)
A MNR-k méretének szabályozása TEM képek Fe3O4 részecskékről
As-gócos magok
1. növelés után
2. növelés után
Arannyal bevont MNR-k
Jó kompatibilitás a biológiai molekulákkal Az összeszerelődés, a méret és a geometria könnyen szabályozható Stabilabb és jobb drog leadás
MNP vízoldhatóvá alakítása
Hexán
Olajsav
Folyadék csere
vagy
Beburkolás nélküli kobalt-ferrit MNR-k: előállítás
Stabilis
1. Massart, R.; U.S. Patent 4329241, 1982.
Szilikonnal burkolt kobalt-ferrit MNR-k: detektálás TEM-pal
A nyilak a több mágneses maggal rendelkező részecskéket jelzik.
Mágneses nanorészecskék (MNP) orvosi alkalmazásai II.
MRI Mágneses jelölés Szabályozott drog felszabadulás Hipertermia Sejt izolálás
MRI: MNR plazmonok tervezése a)
b)
Két rétegű (MNR mag – Arany héj) nanorészecskék előállítása c)
d)
MRI Kvantum pont – MNR kombinációja Kvantum pont (Cd/Se ZnS héjjal)
Mágneses nanorészecske
CdSe/ZnS kvantum pontok konjugációja MNR-ken (a) séma (b) TEM felvétel, a jel mérete 5 nm. Konbinálni lehet a rák orvosi terápiájánál a bioképalkotást + a mágneses MRI-t + a mágneses hipertermiás kezelést.
MRI: In vivo képalkotás kvantum pontokkal
A kvantum pontokat intravénásan juttatják a megfelelő szövetbe (fent). Peptidekkel és polietilén glikollal (PEG) burkolt kvantum pont (lent). A PEG megtartja oldhatóságát vizes közegben és csökkenti a nem specifikus kötéseket.
MRI: agytumor diagnózisa A specifikusan kötött MNR-kel diagnosztizálni lehet az agytumort.
A bioaktív MNP és az élő sejtek közötti kölcsönhatások Biológiai funkciót hordozó MNR
Kémiailag módosított felszínű MNR
Mágneses mag
Burkoló felület z Stabil védőburok z Szabályozható csoportok Celluláris felszabadulás Bioaktív csoport (pl. antitest) z Bioaktív csoport köthető z Recertor szabályozott z Nem specifikus Recertor-szabályozta Nem specifikus kölcsönhatás kölcsönhatás
Sejtfelszíni receptor Recertor-MNR kötés
Élő sejt
Mágneses jelölés: Mágneses jelzőanyag immunoassay-hez MNR-k polimer ágyban Detektálható antitest Antigén Kapcsoló antitest szubsztrát
• Mágneses detektálás nagyon érzékeny szenzorokkal < 10 pg érzékenység tisztítás nélkül (Homo-assay) (PTB Berlin + Schering) • Gyorsabb és érzékenyebb, mint a fluoreszcens jelzőanyagok • Chipekben kivitelezhető
Mágneses jelölés: Mágnesesen célzott terápia
A drog egész szervezetben történő eloszlását csökkenti 1) A fokozatos felszabadulás a részecskékből 2) A részecskék helyhez kötött szállítása
Szelektív drog szállítás MNR-kel MNR meleg
ítés
mel egít és
Polimer kapszula
Gyógyszer drog Mágneses mező
Mágneses rezgés
Forgási súrlódás
Mágneses hipertermia
Elektromágneses hullám (pl. mikrohullámú sütő)
TB elérésével a ferromágneses tulajdonságok csökkennek
Hipertermia: Rák kezelése MNR-kel
a) Tumor sejt nyújtott MNR-k forgatása
c) Tumor sejt MNR-k oldalirányú rezgésével
Endocitózissal a sejtbe került MNR-k
b) Sejtkárosodás MNR-k forgatása után
d) Sejtkárosodás MNR-k oldalmozgása után
Hipertermia: célzott hatáshoz MNR-k jelölése Mágneses mező
Antitest-MNR
Rákos sejt Melegítés
MNR
Antitest
Hipertermia Rák kezelése MNR-kel Rákos sejtek (Mellékvbese pheochromocytoma) neurit növekedés NGF növekedési faktor hatására (50 nm NiZnferrit endocitózissal a sejtekben)
MNP-k felhasználása az őssejt kutatásban a) Őssejtek specifikus melegítése külső váltóárammal b) a mágneses mező gradiense lokális erőhatást okoz c) Őssejtek elválasztása MNR-kel mágneses mező alkalmazásával
Tetszőleges H
Sejt izolálás: MNR-kel jelzett őssejtek elválasztása
Atheroszklerózis kezelése őssejtekkel
In vitro jelölt Ntera2 őssejtek vörösen fluoreszkáló részecskékkel
DAB-bal felerősített Prussian kékkel in vitro jelölt vas
Összefoglalás
Nanorészecskék: új tulajdonságok Széles körű alkalmazási lehetőségek Fém nanorészecskék: könnyű, olcsó előállítás
Mágneses nanorészecskék: Dg, Th Veszélyek: carcinogenitás, toxicitás, lebomlás? Jövő: szürke trutymó?
Köszönöm a kitartó figyelmet!
