NANOTECHNOLOGIE Jana Vránová, 3. lékařská fakulta, UK Praha
DEFINICE NANOTECHNOLOGIÍ • Soubor různých technologií a postupů, které všechny využívají fyzikálních vlastností rozměrů v nanometrické škále, jež jsou odlišné od vlastností pozorovaných v makro a mikro světě
1 – 100 nm • Všezahrnující popis aktivit na úrovní atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě • Výzkum a vývoj zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (aspoň v jednom rozměru)
DEFINICE NANOTECHNOLOGIÍ
…POKRAČOVÁNÍ …
• Zmenšování do oblasti nm vede k poměrně značné změně skoro všech vlastností hmoty, ne které jsme zvyklí z makroskopického i mikroskopického světa. • Ty jsou v těchto rozměrech dány statistikou, tím že se velké množství zvláštních jevů ztratí ve svých neuspořádaných účincích a navenek se projevují jenom některé. • Pokud pracujeme s jednotlivými atomy, musíme počítat s daleko složitějším chováním hmoty.
HISTORIE • • • • • • • • • • • • • • • • •
1931 – M. Knoll a E. Ruska vyvinuli elektronový mikroskop – možnost sledování objektů menších než 1 nm 1959 – Richard Feynman – první vize nanotechnologie “There’s Plenty of Room at the Bottom” 1973 – teorie uspořádání molekul 1981 – G. Binning a H. Rohrer – snímací tunelový mikroskop (STM) – je schopen zhotovovat snímky jednotlivých atomů na povrchu materiálu 1983 – řetězová reakce v polymeru – vytvořen první umělý chromozóm 1985 – R.F. Curl, H. W. Kroto a R. E. Smalley – objevili buckminsterfullereny (exotické molekuly uhlíku o velikosti kolem 1μm ) 1986 – zaznamenány kvantové skoky v atomech – založen FORESIGHT INSTITUTE 1986 – Eric Drexler vydal knihu „Stroje stvoření“ („Engines of Creation“) 1989 – první přenos lidského genu s pomocí virového vektoru 1991 – založen Institute for Molecular Manufacturing 1992 – Drexlerova kniha „Nanosystémy“ 1997 – ZYVEX – první firma zabývající se konstrukcí nanomechanizmů 2000 – rozluštění lidského genomu 2000 – administrativa prezidenta B. Clintona vyhlásila nanotechnologickou iniciativu 2000 – Eiger a kolektiv vytvořili „magnetickou fata morgánu“ – magnetický atom umístěný v jednom ohnisku elipsy vytvořené řetězem atomů vyvolá fatu morgánu stejného atomu ve druhém ohnisku 2002 – inteligentní kompozitní materiály = „SMART NANOPARTICLES” 2004 – první komerčně vyráběný nanotechnologický produkt
NANOMATERIÁLY • Stavebními jednotkami jsou nanočástice s definovanými vlastnostmi: – Rozměry, tvar, atomová struktura, krystalinita, mezifázové rozhraní, homogenní/heterogenní složení, chemické vlastnosti • NANOSPHERES, QUANTUM DOTS, NANOPOWDER,
• Makroskopické multi-klastrové materiály s různým topologickým uspořádáním – Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencí nebo podložkou a mohou vytvářet: • Nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity – NANOWIRES, NANOTUBES, NANOFIBERS, NANOORDS, …
• Tenké filmy nebo vrstvy
ART GALLERY
PŘÍPRAVA NANOČÁSTIC • Nanočástice kovu: – Fyzikální metoda – mechanické dělení kovových agregátů • Částice, jejichž průměry mají velkou variabilitu (větší než 10 nm), nejsou reprodukovatelně připravitelné • Mechanické mletí hrudkových materiálů a stabilizace nanočástic přidáním koloidních chránicích činidel • Techniky odpařování kovů
– Chemická metoda – nukleace a růst zárodku • Chemická a elektrochemická redukce solí kovů a kontrolovaný rozklad metastabilních organometalických sloučenin • Stabilizátory – donorové ligandy, polymery a detergenty • Reprodukovatelný standardní návod pro přípravu koloidů kovů publikoval TURKEVICH
NANOČÁSTICE • Průměr od jednotek do desítek nanometrů • Dobře definované složení povrchu • Reprodukovatelná syntéza a vlastnosti • Izolovatelnost a možnost opětovného rozpuštění
TENKÉ VRSTVY • Materiál o tloušťce od desítek nanometrů až po několik mikrometrů, který je vytvořený na základním materiálu tj. substrátu • Používají se k povrchovým úpravám různých substrátů • Použití : elektrotechnický průmysl, strojírenství, dekorační technika, textilní průmysl, lékařské aplikace • Průhledné tenké vrstvy ve viditelné části spektra a přitom vodivé – Úprava skla a průhledných fólií – Transparentní elektrody k plochým zobrazovacím panelům a k solárním článkům
METODY PŘÍPRAVY TENKÝCH VRSTEV • Depozice tenkých vrstev – Chemická metoda – CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) • Směs chemicky reaktivních plynů (CH4, C2H2, …) zahřátou na vysokou teplotu 900 – 1100 °C. Reakční složky jsou přiváděny v plynné fázi a vrstva vzniká na povrchu substrátu heterogenní reakcí
– Fyzikální metoda – PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD) • Fyzikální princip odprášení nebo odpaření materiálů obsažených ve vrstvě (Ti, Al, Sc, Cr, Au, Ag, Pt, …) a jejich následné nanesení na substrát Diamant
Platina
Fe
CHEMICKÉ METODY DEPOZICE VRSTEV • Velmi rozmanité vrstvy kovů, polovodičů a různých chemických sloučenin v krystalickém nebo amorfním tvaru, jež jsou vysoce čisté a mají požadované vlastnosti • Jsou velmi levné, avšak omezené vysokou teplotou (dochází k degradaci substrátu) • Při povlakovaní se hrany zaoblují • Používají se toxické chloridy kovů
•
Tenká vrstva se na povrchu substrátu vytváří v důsledku chemických procesů probíhajících v objemu plazmatu a přímo na rozhraní plazmatu a substrátu.
FYZIKÁLNÍ METODY DEPOZICE VRSTVY • Ekologicky nejšetrnější metody – žádný nebezpečný materiál, neuvolňují se žádné toxické látky. • Odolnost vrstev, nízký koeficient tření, možnost vytvořit velké množství různých druhů (kombinací) vrstev, malá a snadno reprodukovatelná tloušťka vrstev, možnost tvorby přesných tlouštěk. • PVD proces se uskutečňuje v prostředí vysokého vakua při teplotě 150 – 500 °C. • Vysoká čistota procesu je dosažena tepelným odpařováním materiálu, jenž je použit k povlakování a také jeho bombardováním ionty (naprašování). Současně je vpuštěn plyn (dusík, nebo plyny obsahující uhlík) , který reaguje s kovovými parami, čímž vzniká sloučenina. Tato sloučenina se následně deponuje na substrát za vzniku tenké velmi přilnavé vrstvy.
FYZIKÁLNÍ METODY DEPOZICE VRSTEV
…POKRAČOVÁNÍ …
• Vytváření tenkých vrstev nejen na nástrojích z oceli, součástkách z hliníku a plastů, ale i na velmi tenkých fóliích z PP a PE a dalších materiálů bez teplené degradace během depozice vrstvy • Podstatou je vypařování materiálu (tvořícího vrstvu) ve vakuu, nebo rozprašování ve výboji udržovaném za nízkých tlaků • Nejčastěji používané fyzikální metody: – Naprašování • Rozprašování materiálu katody (terče) energetickými ionty • kondenzací částic odprášeného materiálu na substrátu
– Napařování • Elektronovým svazkem • Obloukovým výbojem • Laserem
– Iontové plátování
LASEROVÁ DEPOZICE TENKÝCH VRSTEV Základní experimentální uspořádání pro laserovou depozici tenkých vrstev • vakuová depoziční komora • držák podložek umožňující ohřev podložek a přesné měření teplot • materiál terče a podložek
Fokusovaný paprsek dopadá na terč, vysokou hustotou záření se materiál terče převede do plazmového obláčku a následně materiál kondenzuje na podložce umístěné nad terčem. Procesy během PLD zahrnují tři druhy interakce: • laserové záření – pevná látka • plazma – pevná látka • plazma – laserové záření
1 – laserový svazek, 2 – odražeč, 3 – čočka, 4 – vstupní okno depoziční komory, 5 – karusel s terči, 6 – topný stolek s podložkou 7 – vakuový čerpací systém, 8,9 – vakuové měrky
MAPLE (MATRIX ASSISTED PULSED LASER EVAPORATION) • Depozice tenkých vrstev složitých organických molekul (biopolymery, proteiny, organika a biomateriály) bez degradace jejich fyzikálních a chemických vlastností – Selektivní absorpce laserového záření ve speciálně připraveném terči chlazeném na nízké teploty (-40°C až -190°C) – Terč se skládá z látky, kterou chceme přenést do vrstvy a z rozpouštědla, které účinně absorbuje danou vlnovou délku depozičního laseru – Vytvoří se roztok aktivní látky (0,05 až 5,0 wt.%) a rozpouštědla – Při tak nízké koncentraci obklopuje rozpouštědlo každou molekulu deponované látky a tím ji separuje od ostatních – Jako rozpouštědlo používáme vodu, chloroform, metanol, butanol, atd. – Terč se vyrábí zmražením roztoku v tekutém dusíku – Při dopadu laserového záření na terč je záření absorbováno rozpouštědlem a tím nedochází k poškození organické molekuly
MAPLE
… POKRAČOVÁNÍ …
FULLERENY • 1966 – předpovězena jejich struktura Davidem Jonesem • 1984 – pozorování při laserovém odpařování grafitu • 1996 – udělena Nobelova cena za chemii – Robert F. Curl – Richard E. Smalley – Harold W. Kroto
• Pojmenovány podle Richarda Buckminstera Fullera – americký architekt, matematik a vynálezce (1895 – 1983) Montreal Biosphere, EXPO ‘67
FULLERENY
… POKRAČOVÁNÍ …
• Při výzkumu kovových klastrů (vznikajících odpařováním kovu) pomocí hmotnostní spektrometrie – tuto metodiku aplikovali na grafitový substrát – vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů, přičemž výrazně vyčnívají maxima odpovídající složení C60 a C70. Uzavřená uhlíková struktura složená z pěti- a šesti-uhelníků podobná fotbalovému míči
ZVLÁŠTNÍ VLASTNOSTI FULLERENŮ • Pokud do ní uzavřeme nějakou molekulu, je sice s obalem nerozlučně spjata, ale není na něj ani chemicky vázána, ani nemůže interagovat s vnějším světem – ENDOHEDRICKÉ MOLEKULY • Do větších fullerenů je možné umístit i víceatomové molekuly – molekuly léčiv, nebo radioaktivní atomy • Nejrůznější atomy mohou být navázány na povrch fullerenů – EXOHEDRICKÉ MOLEKULY • V kombinaci s alkalickými kovy u nich byla pozorována supravodivost • U C60 byl pozorován mimořádně vysoký index lomu • Využití fullerenů v ochranných sklech – při intenzivním osvětlení zvyšuje C60 absorpci a udržuje množství světla na nízké hodnotě • Vysokým tlakem je možné přeměnit fullereny na diamant • Z C60 lze vypěstovat krystaly s krychlovou symetrií – fullerity
NANOTRUBIČKY • Grafitový list stočený do trubice • Průměr nanotrubiček jakýkoliv • Délka nanotrubiček v μm – 100 až 1000 násobek tloušťky, dnes se dají vyrobit nanotrubičky jakékoliv délky • Konce bývají zakončeny polovinou fullerova míče • Při přípravě fullerenů byly objeveny uhlíkové jehličky – nanotrubičky různého průměru vložené do sebe – uhlíkové cibule
LEKCE Z PŘÍRODY
MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE • Hnací silou je představa, že biologické koncepce, mechanizmy, funkce a struktury mohou sloužit jako výchozí bod na cestě k vývoji nových syntetických materiálů s novými vlastnostmi a nových technologií • Molekulární biologie se zabývá především studiem molekul v roztoku. V buňce jsou však molekuly často organizovány do funkčních agregátů v nanometrických rozměrech • Vizualizace a studium těchto struktur, zvláště mění-li se během funkčních cyklů, je jednou z oblastí, kdy biologie využívá nástrojů nanotechnologie
BIOLOGICKÉ STAVEBNÍ ČÁSTICE STAVEBNÍ KAMENY BUŇKY
1.
VĚTŠÍ KOMPLEXY V BUŇCE
CUKRY
POLYSACHARIDY
MASTNÉ KYSELINY
LIPIDY/MEMBRÁNY
AMINOKYSELINY
PROTEINY
NUKLEOTIDY
NUKLEOVÉ KYSELINY
Tyto chemické struktury umožňují život. Hierarchické sestavování těchto základních prvků do pracujících biochemických strojů je základem buněčných funkcí. Vše probíhá v rozměrové škále nm Významným cílem je: Detailní charakteristika struktury – pro porozumění těmto procesům a pro jejich využití v technologických procesech
BIOLOGICKÉ STAVEBNÍ ČÁSTICE
2.
• Nanočástice a nanostruktury – subjekty o velikosti 1 – 100 nm • Bakterie: 1 – 10 μm … v mezoskopické škále velikosti • Viry: 10 – 200 nm … v horní části velikosti u nanočástic • Bílkoviny (proteiny): 4 – 50 nm … spodní část nanometrické škály • Stavebními bloky proteinů je 20 aminokyselin, každá o velikosti kolem 0,6 nm • Pro vytvoření proteinu jsou kombinace aminokyselin pomocí silných peptidových vazeb … tvoří dlouhé řetězce – polypeptidy, které se podobají nanovláknům
STRATEGIE VYTVÁŘENÍ STRUKTUR • Základním přírodním zákonem vytváření objektů a systémů ve všech měřítkách je jejich spontánní sestavování bez vnějšího popudu • Z termodynamického hlediska – SAMOSESTAVOVÁNÍ (SELF-ASSEMBLY) – ke spojování dochází za podmínky termodynamické rovnováhy v uzavřeném systému – SAMOORGANIZACE (SELF-ORGANISATION) – vyžaduje situaci daleko od termodynamické rovnováhy a je možná jen v otevřených systémech
Celulóza
Glukóza
DENDRIMERY • V souvislosti s nanotechnologiemi se do popředí dostává otázka syntézy nanomolekul s přesně definovanou strukturou a velikostí, které by sloužily jako stavební bloky nanotechnologických procesů. • Polymery vykazují příliš velkou polydisperzitu • Dendrimery představuji první syntetické makromolekuly s přesně definovanou velikostí – Základním stavebním rysem je monomer (větvící se jednotka ), jejímž postupným spojováním dospíváme k dendronu. Ten může být vázán k polyvalentnímu jádru, takže vzniká molekulární struktura s jádrem a pravidelně se opakujícími větvícími jednotkami – DENDRIMER – Důležitou součástí každého dendrimeru je jeho povrchová část
DENDRIMERY
… POKRAČOVÁNÍ …
• Zcela ojedinělý nový typ oligomerů • Jejich složení, velikost a funkce jsou přesně kontrolovány během jejich vzniku • Lze je přirovnat k vysoce organizovaným biomolekulám typu DNA nebo proteinů, jejichž architektonické uspořádání je v biologickém prostředí schopno přesně zachovat velikost, tvar, topologii, flexibilitu i vlastnosti povrchu makromolekuly
DENDRIMERY
… POKRAČOVÁNÍ …
MICELY • Shluky molekul tenzidů dispergované v kapalném prostředí • Vytvářejí agregáty s hydrofilní části molekuly orientovanou do vodního prostředí a hydrofobní části skrytou uvnitř • Mají kulovitý tvar, můžou vytvářet elipsoidy, válce a dvojvrstvy • Tvar a velikost micely jsou ovlivněny jak geometrií molekuly tenzidu, tak vlastnostmi roztoku – teplota, koncentrace, pH, iontová síla • V nepolárním prostředí je interakce polárních částí molekul s okolím nevýhodná, takže hydrofilní části molekuly jsou uschovány v jádře micely a hydrofobní skupiny tvoří vnější obal – inverzní micely
MICELY
… POKRAČOVÁNÍ …
BIOLOGICKÉ PROSTŘEDÍ V NANOROZMĚRECH • Biomolekuly drží pohromadě složitým komplexem vazebních i nevazebních sil • Jsou téměř imunní k zákonům přitažlivosti a setrvačnosti • Tepelný pohyb • Vodní prostředí • Transport hmoty a agitace
HIERARCHICKÉ USPOŘÁDÁNÍ BIOMINERALIZACE
BIOLOGICKÉ MEMBRÁNY • Tenká vrstva lipidových molekul a připojených proteinů, která obklopuje každou buňku
VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MEMBRÁN • Neprostupnost pro polární molekuly a ionty. Průnik těchto látek jen v případě, že jsou vybaveny proteinovými transportéry, nebo se jedná o specializované membrány (membrána jádra, vnější membrána mitochondrií) • Nejsou rigidní útvary, ale jsou schopny flexibilní adaptace podle změny tvaru a objemu buněk a organel • Mají uniformní vzhled • Obsahují proteiny, jejichž funkce není pouze strukturální, ale vykazují řadu aktivit • Struktura membrán je dynamická a její složky jsou v neustálém pohybu
MOLEKULÁRNÍ KANÁLY A PUMPY • Široká škála transmembránových kanálů – Pasivní kanály jsou uzavírány třeba příchodem signálních molekul, napětím v membráně, uvnitř které se nacházejí – Aktivní kanály přepravují ionty Na+, Ca2+, K+ • V případě iontů Na+ mohou být jejich koncentrace uvnitř buňky až 10 – 20 krát menší než je tomu v mimobuněčném prostředí – nutně musí existovat „zařízení“, které pracuje proti těmto obrovským gradientům: sodíkodraslíková pumpa Na+ – K+, která je poháněna hydrolýzou ATP
MOLEKULÁRNÍ MOTORY • V buňce je nutné dopravovat různé větší nebo menší buněčné složky z místa na místo • Molekulární motory – převážně enzymy, které přeměňují chemickou energii ve formě ATP na mechanický pohyb
BUŇKA • Molekulární továrna
• Jadérko • Jádro • Ribozom • Transportní váčky • Drsné endoplazmatické retikulum • Golgiho agregát • Cytoskelet • Hladké endoplazmatické retikulum
– Obsahuje membránami ohraničené struktury – organely a další části
• Mitochondrie • Cytoplazma • Lysozom • Centrozom
BIOMIMETIKA • Obor, který se zabývá napodobováním přírodních materiálů a struktur • Vychází z bioniky, tj. ze zkoumání principů živé přírody a tyto poznatky využívá při řešení technických problémů • Vzniká v osmdesátých letech 20. století • Využití: – V aplikované mechanice – stroje, které detailně napodobují pohyb živočichů – Stavebnictví – rozmanitá architektura ale i funkčnost – Biominerály – kostry živočichů – skořápky, ulity, …
NOVÉ OBORY • Genomika, Transkriptomika, Proteomika, Metabolomika • DNA nanotechnologie • Proteinové inženýrství • Nové nanostrukturální nanomateriály
PŘEVRATNÉ ZMĚNY V NÁZORECH NA VZNIK CHOROB A ZPŮSOB JEJICH LÉČENÍ
NANOBIOTECHNOLOGIE & BIONANOTECHNOLOGIE • Konvergence biologických věd a nanotechnologie 1.
NANOBIOTECHNOLOGIE Oblast, která používá principů a technik nanotechnologie pro porozumění biosystémům (živým i neživým) a pro jejich přeměnu
2.
BIONANOTECHNOLOGIE Využívá poznatků ze zkoumání živé přírody, principy z oblasti biologie a biomateriálů k vytváření nových přístrojů a systémů v nanorozměrech
Molekulární biologie
Imunologie
Mikrobiologie
Biochemie
Biologie
Genetika
MOLEKULÁRNÍ BIOTECHNOLOGIE
LÉČIVA
VAKCÍNY
DIAGNOSTIKA
POTRAVINY
Chemické inženýrství
NANOTECHNOLOGIE V MEDICÍNĚ Nanomedicína – medicína 21. století
NANOMEDICÍNA • Je definovaná jako soubor věd a technologií využívaných pro diagnózu, terapii a prevenci chorob a traumatických poranění, utišení bolesti a pro ochranu a zlepšení lidského zdraví, používající molekulární nástroje a znalosti o lidském těle na molekulární úrovni. • Nanotechnologie ovlivňují především následující oblasti medicíny: výzkum léků doprava léků do organizmu metody zobrazování a diagnostiky terapie chirurgické techniky tkáňové inženýrství implantáty včetně aktivních
FARMACIE A NANOTECHNOLOGIE • Hnací sílou rozvoje se stávají biotechnologie → BIOFARMACIE • nové přístupy se objevují s úspěšným sekvencováním lidského genomu a s rozvojem farmakogenetiky, genomiky a proteomiky – Významně přispívají k objasnění regulačních a fyziologických mechanizmů nemocí – Mají rozhodující význam pro výzkum, vývoj a výrobu nových produktů, zejména biofarmak, vakcín, diagnostických nástrojů a metod
• NANOTECHNOLOGIE – Vývoj nových léků – Doprava léků v organizmu
FARMACIE • Výzkum lidského genomu – Identifikace důležitých markerů genetické diverzity, které mohou být relevantní při pátrání po genech způsobujících choroby • Polymorfizmus jednotlivých nukleotidů – mutace, které mohou zvyšovat riziko určité poruchy
• Diagnostika – Imunodiagnostika je založena na specifické interakci mezi protilátkami (imunoglobuliny – Ig) a antigeny – DNA diagnostika souvisí se specifickou strukturou DNA molekuly a její schopností denaturovat a opět hybridizovat – DNA mikrosoubory – dovolují současnou detekci tisíců genů
CÍLENÁ DOPRAVA LÉKŮ • Snaha zlepšit kontrolu nad farmakokinetikou a farmakodynamikou léků, nad jejich nespecifickou toxicitou, imunitními reakcemi, rozpoznáváním biologických systémů a zároveň zvýšit účinnost léků • Rozměrová škála, ve které objevování a výzkum léčiv probíhá je stejná, jako ta, kterou jsou definovány nanotechnologie – Vznik integrovaných systému, které kombinují technická zařízení s terapeutickými molekulami (malé molekuly, nukleové kyseliny, peptidy a proteiny → vytváření implantovatelných zařízení, které mohou monitorovat zdravotní stav a poskytnout profylaktické nebo terapeutické působení in situ
CÍLENÁ DOPRAVA LÉKŮ • Motivace pro zmenšování léků: – Co nejmenší zásah do těla – Cílená doprava specifických druhů tkání – Zvýšení účinnosti léků – Snížení dávky a vedlejších účinků Nové systémy mají za cíl minimalizovat znehodnocení léku a jeho ztrátu, zabránit jeho škodlivým účinkům a zvýšit dostupnost léku v místě výskytu nemoci. Jako nosiče léku slouží mikro a nanokapsle, lipoproteiny, micely, liposomy, dendrimery – zkonstruovány tak, aby se odbourávaly pomalu, reagovaly na podněty a měly specifický účinek v místě působení Jiné metody týkající se dopravy léků se zaměřují na překonání určité fyzikální bariery – např. hemoencefalické bariéry
NOSIČE LÉKŮ • Micely • Liposomy • Dendrimery • Tekuté krystaly • Nanočástice – nanokoule a nanopouzdra, polymerní nanočástice • Aerosoly – dodávka hluboko do plicních tkání • Nanoporézní materiály • Molekulárně tištěné polymery
MEMS – MIKROELEKTROMECHANICKÉ SYSTÉMY • Může být uskladněno nebo uvolněno mnoho druhů chemikálií v jakékoliv formě. • Spouštěčem pro chemické uvolnění látek je rozpad bariérové membrány, který nastane tím, že je aplikován elektrický potenciál. • Mnoho vysoce účinných látek může být doručeno přesně a bezpečně. • Je možná i lokální dodávka léků. Přičemž nastává vysoká koncentrace tam, kde je jej potřeba. • Zavedením bariérové membrány se vyhneme průniku vody do zásobníku, čímž se zvýši stabilita léku na bázi konjugovaných proteinů, které mají omezenou životnost obálky. • Zařízení se vyvíjejí pro uvolňování dávek léků, a to jak pro okamžitou tak dlouhodobou dodávku.
SMART NANOPARTICLES – INTELIGENTNÍ SYSTÉMY • Umožňují řízení dávkování léku v reálném čase v závislosti na změnách chemické a fyziologické situace – Aktivace molekulárních interakcí světlem, radiofrekvenční (RF) a ultrazvukovou energií. – Systémy s materiály, u nichž kinetika uvolňování léků může být měněna externími stimuly – nanostrukturované inteligentní povrchy – elektricky řiditelné, které umožňují přímou metodu pro změnu rychlosti uvolňování léku. – Spojení s implantovanými biosenzory a jinými implantáty • Největší problém – vývoj biokompatibilních a stabilně se zpětnou vazbou pracujících senzorů – systémy integrující dodávku léku a indikaci obsahu cukru v krvi • Výzkum bezdrátového přenosu energie k implantovaným senzorům
BIOKOMPATIBILITA • Dlouhodobě implantovaných zařízení – schopnost zařízení poskytovat zamýšlenou funkci s požadovaným stupněm spojení s hostitelem, bez vyvolání vedlejších nežádoucích místních nebo systémových jevů
• Krátkodobě implantovaných zařízení (zařízení úmyslně umístěna do kardiovaskulárního systému z diagnostických nebo terapeutických důvodů) – schopnost provádět funkci v proudu krve s minimálními interakcemi s krví, které by nepříznivě ovlivnily činnost zařízení, naopak zařízení nesmí indukovat nekontrolovatelnou aktivaci buněčných proteinů a proteinů v plasmatické membráně vedoucích ke kaskádovitému srážení krve
• Produktů tkáňového inženýrství (skeletu, nebo matrix pro výrobky tkáňového inženýrství) – působí jako substrát, který podporuje buněčnou aktivitu, optimalizuje regeneraci tkáně bez vyvolání jakékoliv nežádoucí odezvy
ZOBRAZOVACÍ A DIAGNOSTICKÉ METODY
DIAGNOSTIKA in vitro • Jediný biosenzor nebo integrované zařízení, obsahující hodně biosenzorů • Biosenzor – biologický prvek (např. enzym), který je schopen rozpoznat a signalizovat prostřednictvím určité biochemické změny, přítomnost, aktivitu nebo koncentraci specifické biologické molekuly v roztoku • Miniaturizaci umožňují techniky převzaté z elektronického průmyslu – odběr menších vzorků • Vyšší specifičnost snižuje invazivnost diagnostických nástrojů a zároveň zvyšuje významně efektivnost ve smyslu poskytování biologických informací např. o fenotypech, genotypech nebo proteomech • Integrovaná zařízení mohou měřit desítky až tisíce signálů z jednoho vzorku • Některá nanobiozařízení byla vyvinuta k analýze části genomu nebo proteomu s použitím fragmentů DNA nebo protilátek jako sond (genové nebo proteinové nano soubory či čipy)
DIAGNOSTIKA in vitro
…POKRAČOVÁNÍ…
• Integrovaná zařízení (pokroky v mikrofluidice, dodává všechny údaje z jednoho vzorku) – Včasná diagnostika – Sledování pokroku v léčbě
• Point-of-care devices • Konečným cílem diagnostiky in vitro je rychle, spolehlivě, specificky odhalit několik (nebo dokonce jedinou molekulu) v komplexním, neamplifikovaném a neoznačeném vzorku
DIAGNOSTIKA in vivo • Nano-zobrazování zahrnuje přístupy, které využívají techniky výzkumu molekulárních dějů in vivo a techniky používané k manipulaci s molekulami + moderní optické zobrazování (CT, NMR, RTG, SONO) a spektroskopie, nukleární zobrazování • Každá z těchto metod závisí na diagnostickém indikátoru nebo na kontrastní látce • Používá se – Pro určení místa zánětu, vizuální znázornění cévních struktur nebo specifických stavů při onemocněních či při anatomickém vyšetření – Pro výzkum řízeného uvolňování léků, pro odhad distribuce léků a pro včasné odhalení neočekávané a potenciálně nebezpečné akumulace léků – Sledování stádia onemocnění
DIAGNOSTIKA in vivo
…POKRAČOVÁNÍ…
• Vývoj nanočástic jako indikátorů nebo kontrastních látek – fluorescenční nanokrystaly (kvantové tečky) • lze je upravit tak, aby světélkovaly • jsou užitečné u zobrazováni živých tkání, kde jsou signály zatemňované rozptylem • provádějí se toxikologické studie, aby se přesně zjistil vliv na člověka, zvířata a životní prostředí • Nový výzkum je zaměřen na povlakování nanočástic s cílem zlepšit účinnost jejich zacílení a biokompatibilitu
ZAMĚŘENÍ VÝZKUMU • Zkvalitnění detekce – Lékařské kamery – Kombinace různých způsobu zobrazování (PET + NMR, NMR + SONO)
• Nanočástice jako sondy – Nanočástice pronikající do buňky, podávající zprávu o jejím stavu, uvolňující léky – Nejranější projevy onemocnění jsou v těle naznačeny změnami v buňkách – např. defektní adheze buněk, buňky vysílají nesprávné signály, vyskytují se mitotické chyby, chyby při nitrobuněčné komunikaci a abnormální cytoplazmatické změny
TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ
TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ • Založeno na vytváření nových tkání in vitro s jejich chirurgickým umístěním v těle nebo na stimulaci potřebné opravy (regenerace) poškozené tkáně in situ použitím biokompatibilních umělých struktur nebo implantátů živých buněk zavedených do nebo blízko oblasti poškození • Zaměření výzkumu: – Rostoucí chrupavka – Jaterní a neuronové kmenové buňky z vlastních buněk pacienta – Regenerace buněk slinivky břišní – Nový růst ostrůvkových buněk a jejich transplantace do jater – Stimulace dospělých buněk (např. bílé krvinky)
• Řešení problémů: – Pomocí živých buněk, které se používají jako konstrukční materiál • Umělá kůže, která obsahuje živé fibroblasty • Chrupavka opravitelná živými chondrocyty • Tekuté tkáně: krev, buňky získávané odstřeďováním
MATERIÁLY A ZPŮSOBY SYNTÉZY KOSTER • Kostry musí splňovat následující podmínky: – Pro zajištění přichycení buněk a difúze buněk i výživných látek strukturou musí být porézní s přiměřenou velikostí pórů – Musí být biodegradovatelná (předpokládá se, že kostra bude absorbována prostředím) – Materiál kostry by měl být biokompatibilní
• Materiály: – pro porézní kostry v tuhém stavu: • Lineární alifatické polyestery (PGA, PLGA, PLA, …) • Přírodní makromolekuly (proteiny (kolagen), polysacharidy (chitosan, hylauronát, alginát), hedvábí) • Anorganické materiály (bioaktivní sklo, kalciumfosfáty, …)
– pro hydrogelové kostry: • PEG, PIPA, PAC, kolagen, fibrin, elastin
– nanovláknité kostry: PuraMatrix
ZPŮSOBY SYNTÉZY KOSTER • Molekulární samosestavování nanovláken • Textilní technologie • Odlévání rozpouštědla a vymývání částic • Zpěnění plynem • Tištění buněčných struktur
REGENERACE TKÁNÍ
Rabbit eye with PFPE corneal inlay implanted for two years
Hemostat on arterial wound of a pig
INTELIGENTNÍ BIOMATERIÁLY A CHYTRÉ IMPLANTÁTY • Jsou zkonstruovány tak, aby reagovaly na změny v nejbližším prostředí a stimulovaly specifickou reakci buněk na molekulární úrovni – Přímé dělení buněk, jejich diferenciace, uspořádání a výroba extracelulárních matrix
• Pomocí nanotechnologie lze také zdokonalit nevstřebatelné biomateriály a účinněji řídit biologické interakce na nanometrické úrovni – Zkvalitnění funkčnosti a životnosti implantovaných materiálů – Je možné obklopit implantovanou tkáň nanometrickou ohradou, která zabraňuje aktivování potlačujících mechanizmů hostitele – širší využití darovaných orgánů – Nanomateriály se zlepšenými elektrickými vlastnostmi by mohly nahradit tradiční materiály v nervové protetice – Je možné zkonstruovat bioaktivní skla a makroporézní pěny s cílem aktivovat geny, které by stimulovaly regeneraci tkání
BIOAKTIVNÍ SIGNALIZAČNÍ MOLEKULY • Přirozeně se nacházejí v buňkách (hormony, růstové faktory, receptory, nervové mediátory apod.) a spouštějí regenerační proces na buněčné úrovni • V současnosti nejdostupnější léčba – neřízená dodávka jediného růstového faktoru • Zaměření výzkumu: – Konstrukce bioaktivních materiálů a kódování biologických signálů, jež jsou pak schopny spustit biologické děje – Hlavním cílem je vyvinout extracelulární materiály s vlastnostmi jako matrix • Kombinace přírodních polymerů nebo syntetické molekuly kombinované s matricelulárními podněty • Znehybněním specifických proteinů, peptidů a jiných biomolekul na materiálu je možné provést imitaci prostředí ECM a zajistit multifunkční povrch s buněčnou adhezi • Faktory rozpoznávání a specifikace buněk mohou být začleněny do vstřebatelného polymerního povrchu včetně adhezivních proteinů, fibronektinu a jiných funkčních domén ECM
BUNĚČNÁ TERAPIE • Buněčná diferenciace – součást embryologického vývoje, v dospělosti je součásti normální buněčné proměny a při opravě, která následuje po poškození – Ve střevním epitelu, krvi a epidermis – probíhá rychle – V kostech a chrupavkách – pomalu – V mozku nebo v srdci – je buněčná proměna velmi omezená nebo neexistuje
• Dnešní poznatky změnily pohled na schopnost regenerace po ischemickém poškození • Zaměření výzkumu: – Využít potenciál samočinné opravy, který byl pozorován u zralých kmenových buněk – Efektivní získáváni zralých kmenových buněk – Vzít v úvahu krátkou preimplantaci, stádium kultivace, nebo zajistit, aby došlo k okamžitému intraoperativnímu podání s použitím inteligentního biomateriálu, který by sloužil jako biointeraktivní nosič léčiva
TERAPIE RAKOVINY
RAKOVINA • Je onemocnění způsobené zhoubným nádorem, pro který je charakteristické: – Nekontrolovaný růst s ničením okolních tkání – Zakládání metastáz – Celkové působení na organizmus
• Léčebné metody: – Chirurgická léčba – Radioterapie – Genotoxická chemoterapie – BIOTERAPIE
NANOTECHNOLOGIE A POROZUMĚNÍ RAKOVINNÝM PROCESŮM • Rakovinné buňky – Dospívají k soběstačnosti v růstových signálech – Stávají se necitlivými vůči signálům proti růstu – Vyhýbají se apoptóze (ztráta proteinu P53) – Získávají nekonečný potenciál ke své reprodukci – Spouští trvalou angiogenezi – Metastazují a napadají další tkáně – Genomy rakovinných buněk se stávají nestabilní
VÍCEÚČELOVÉ NANOMETRICKÉ ZAŘÍZENÍ
ONKOLOGICKÝ PROGRAM ČESKÉ REPUBLIKY Národní program výzkumu II – „ZDARVÝ A KVALITNÍ ŽIVOT“ na léta 2006 – 2013 • Vyvinutí nových diagnostik založených na molekulárně – biologických metodách • Molekulární genetika a biotechnologie pro nová léčiva – cílená terapie a řízené uvolňování léčiv, originální struktury s novými mechanizmy antibakteriálních, antivirových, imunomodulačních a protizánětlivých účinků, zvýšení účinnosti chemoterapie nádorů • Nanomateriály pro aplikace v biologii a medicíně – např. vývoj nových magnetických nanokompozitních materiálů pro NMR • Genomika, proteomika a diferenciace buněk u onkologických chorob
PORÉZNÍ KŘEMÍKOVÉ NANOČÁSTICE Nosiče hydrofobních protirakovinných léků Jie Lu, Monty Liong, Jeffrey I. Zink, Fuyuhiko Tamanoi Department of Microbiology, Immunology, and Molecular Genetics,, California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles
HYDROPHOBIC ANTICANCER DRUGS • Jsou nerozpustné ve vodě • Brzdí a znemožňují přístup léčiva do místa působení krevní řečištěm • Není možné ani je aplikovat intravenózně • Cílem studie: – Vytvořit fluoreskující mezoporézní křemíkové nanočástice (FMSN), do kterých bude uloženo cytostatikum CAMPTOTHECIN (CPT) – CYTOSTATIKUM 21. STOLETÍ – Doprava těchto nanočástic do různých rakovinných lidských buněčných linií
CAMPTOTHECIN • Velmi efektivní proti karcinomu žaludku, tlustého střeva, močového měchýře, plic a leukémie in vitro • Klinické aplikace na lidech nebyly zatím provedeny právě kvůli nerozpustnosti Camptothecinu ve vodě • Potřeba vytvořit formu rozpustnou ve vodě – různé chemické modifikace základní molekuly – irinotecan, které snižují účinnost CPT – Ztráta protinádorové aktivity – Významné změny v toxikologickém profilu léčiva
FMSN • Mají velký povrch a velké póry, do kterých je možno vložit hydrofobní molekuly léčiva • Velikost pórů, tvar a velikost nanočástic můžeme připravit přesně na míru • Tyto neorganické částice tolerují, tj. nereagují s organickými rozpouštědly • Mají přibližně průměr 130 nm, velikost pórů – 2 nm • CPT molekuly – 1,3 nm x 0,6 nm • Nutná podmínka – zůstanou rozptýlené v roztoku a nespojují se v agregáty
FMSN + CPT • Křemíkové nanočástice získají cytostatikum jejich namáčením v roztoku dimethylsulfoxidu s CPT přes noc • Organické rozpouštědlo odstraníme centrifugací • FMSN jsou potom dvakrát vyprány, aby všechny slabě navázané molekuly léčiva byly odstraněny • Homogenní suspenze FMSN + CPT je potom přidána k buněčným liniím karcinomu pankreatu • Nakonec musíme zjistit, zda jsou křemíkové nanočástice schopny vstoupit do buňky a přinést léčivo • Porovnáme FMSN + PCT vs. PCT v PBS (phosfate-buffer saline) – fosfátový pufr s fyziologickým roztokem
VÝSLEDKY
Vychytávání FMSN + CPT rakovinnými buňkami - normální mikroskop Fluorescenční mikroskopie: B: PANC-1 buňky L: zabarvené Acridine Orange, R: fluorescence C: L: lysoSensor Green DND-187, R: fluorescence D: fluorescence CPT po vychytání CPT buňkami L: CPT v PBS R: MSFN + CPT
TRANSPORT NANOČÁSTIC BAKTERIEMI Včasná detekce onemocnění, terapie Purdue University
BAKTERIE JAKO NOSIČE NANOČÁSTIC • „Smart nanoparticles“ – přesné umístění senzorů, léků, DNA řetězců • Nanočástice se umísťují na vnější povrch baktérií, na ně se navážou DNA • K těmto účelům se používají neškodné kmeny bakterií, přičemž se využívá jejich přirozené schopnosti vniknout do buňky i do jádra • Pouze v případě, že se DNA nachází v jádru, produkuje DNA specifickou funkci, která je nadefinovaná, např. oprava genetické patologické informace • V případě, že se bakterie dostanou k cílovým buňkám, jsou obklopeny vnější membránou – váčky, kulovité útvary – které jsou dostanou do vnitřního prostředí buňky – bakterie rozpustí tyto mebrány a uvolní léky, nebo části DNA
BAKTERIE JAKO NOSIČE NANOČÁSTIC
… DĚKUJI ZA POZORNOST …
