Gymnázium Jana Nerudy Hellichova 3, Praha 1
Závěrečná práce studentského projektu Cílený transport léčiv pomocí nanotechnologií
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
Vedoucí práce:
Vypracovaly:
RNDr. Jana Parobková
Petra Kloudová Anna Polášková
V Praze, leden 2014 1
Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem tuto závěrečnou práci vypracovala samostatně, pouze za odborného vedení vedoucí práce RNDr. Jany Parobkové. Dále prohlašuji, ţe veškeré podklady, ze kterých jsem čerpala jsou uvedeny v seznamu pouţité literatury.
V Praze dne 5.1.2014
……………..
……………..
Petra Kloudová
Anna Polášková
2
Obsah Prohlášení ......................................................................................................................................... 2 Obsah ................................................................................................................................................ 3 1 Úvod .............................................................................................................................................. 5 2 Obecně o nanotechnologiích ......................................................................................................... 6 2.1 Nanotechnologie ..................................................................................................................... 6 2.2 Historie ................................................................................................................................... 6 2.3 Nanomedicína ......................................................................................................................... 7 3 Na jakém principu by měl cílený transport fungovat .................................................................... 9 3.1 Základní strategie cíleného transportu .................................................................................... 9 3.1.1 přímé doručení léčiva do určitého místa .......................................................................... 9 3.1.2 pasivní cílený transport .................................................................................................... 9 3.1.3 aktivní cílený transport .................................................................................................. 10 3.2 Polymerní nosiče léků .......................................................................................................... 11 3.2.1 dendrimery ..................................................................................................................... 11 3.2.2 magnetické nanočástice.................................................................................................. 11 3.2.3 liposomy ......................................................................................................................... 12 3.2.4 fullereny ......................................................................................................................... 12 3.2.5 nanoslupky ..................................................................................................................... 12 3.2.6 zeolity ............................................................................................................................. 12 3.2.7 nanotrubičky .................................................................................................................. 12 3.3 Porovnání s perorálním podáním léčiv ................................................................................. 13 4 Oblasti vyuţití nanotechnologií v medicíně ................................................................................ 14 4.1 Nanotechnologie v chirurgii ................................................................................................. 14
3
4.2 Nanotechnologie v onkologii................................................................................................ 14 4.2.1 diagnostika ..................................................................................................................... 14 4.2.2 terapie ............................................................................................................................. 15 5 Budoucnost a výzkum ................................................................................................................. 17 5.1 Biochemie transportu plynů.................................................................................................. 17 5.2 Analýza moči, krve a jiných tělních tekutin (magnetické nanočástice) ............................... 17 5.3 Nanostroje (nanorobot) ......................................................................................................... 18 5.4 Fluorescenční nanočástice (detekční technologie) ............................................................... 19 Závěr............................................................................................................................................... 20 Zdroje: ............................................................................................................................................ 21
4
1 Úvod Časy se mění. Dříve nemyslitelné se stává skutečností. 21. století se stalo nanostoletím a nanotechnologie představují nejfantastičtější vizi do budoucnosti. V této práci se pokoušíme nastínit vyuţití nanotechnologií, přesněji cíleného transportu léčiv. Snaţíme se přiblíţit problematiku nanotechnologií a jejich konkrétního vyuţití v medicíně. Osvětlit samotný pojem „nanotechnologií“ přes krátkou odbočku do historie a zakládní strategie cílené léčby, její výhody a nevýhody. Popsat léčbu onkologických onemocnění a letmo nahlédnout do budoucnosti: co můţem čekat od výzkumů v budoucnu? Vzhledem k dynamice vývoje a obrovského pokroku dnešní doby je samozřejmostí, ţe tato práce je pouhým úvodem do celé problematiky.
5
2 Obecně o nanotechnologiích
2.1 Nanotechnologie Pojem nanotechnologie je odvozen z řeckého slova nanos (trpaslík) a techné (dovednost, zkušenost). Nanotechnologie představují nový a v podstatě převratný přístup k objektům ve velikosti nanometrů (10-9 m), přesněji v rozmezí 1-100 nm. Označujeme je jako nanostruktury, které jsou základní stavební jednotkou nanomateriálů. Nanotechnologii bychom mohli definovat jako široce interdisciplinární a průlomovou technologii, která praktickým vyuţitím specifických vlastností nanomateriálů pro výrobu nových struktur a zařízení. Specifické vlastnosti nanomateriálů jsou odvozeny od jejich velikosti a výrazně se liší od vlastnostích kompaktních forem. Jsou dány předevšim povrchovými jevy a velikostním efektem. S klesající velikostí částic se projevují povrchové jevy na základě malých rozměrů a velkého podílů celkového počtu atomů na povrchu a rozhraních, to zajišťuje vlastnosti dané malým objemem a velkým povrchem. Další vlastností je takzvaný velikostní efekt, který souvisí s klesající velikostí částic. Dochází zde ke kvantovému omezení a tedy vytváření nových energetických stavů. Výsledkem je změna v optických a elektronických vlastnostech.
2.2 Historie Přestoţe si některých specifických jevů u nanomateriálů všímali lidé uţ v období 4. století př. n. l. v Egyptě a Římě při výrobě Lykurgových pohárů, za největšího průkopníka ve světě nanotechnologií se povaţuje bezesporu Richard P. Feynman. Richard Phillips Feynman byl jeden z nejvýznamnějších amerických fyziků a drţitel Nobelovy ceny za svou teorii kvantové elektrodynamiky. V roce 1959 přednášel na zasedání American physical society a během své přednášky s názvem „There’s plenty of room at th bottom“ poloţil dnes uţ slavnou otázku: „Proč bychom nemohli zapsat na špendlíkovou hlavičku všech 24 dílů Encyklopedie Britanniky?“. Přestoţe se jednalo v té 1
1
době o lehce kontroverzní přednášku od muţe, jeţ se během
Richard Feynman http://www.atomicarchive.com/Images/bio/B35.jpg
6
války účastnil například Manhattanského projektu, vyvolalo to velkou vlnu zájmu v řadách vědců a výzkum v miniaturním měřítku tak zaţil první opravdový „boom“. Další dvě desetiletí přinesla miniaturizaci v elektronice, objevy jako řádkovací tunelový mikroskop (ang. Scanning Tunneling Microscope, STM) nebo technika mikroskopie atomárních sil (ang. Atomic force microscopy, AFM). Následovníkem a populizátorem Feynmanových myšlenek byl v 80. a 90. letech K. Eric Drexler. Drexler pracoval předevšim v myšlenkou nanotechnologické revoluce a zabýval se popisem miniaturních umělých systémů, které se budou podobat ţivým systémům. Upozornil však také na pozitivní a negativní stránky molekulární nanotechnologie. Dalším vizionářem nanotechnologí byl Timothy Leary, který byl znám svým optimismem a zabýval se předevšim výzkumem v oblasti nanokybernetiky. Jeho nejslavnější myšlenkou byla teorie, ţe jednou budeme schopni vytvořit z prachu a slunečního svitu předmět. To bylo samozřejmě vědci povaţováno spíše za „science-fiction“. V druhé polovině 20. století se výzkum zabýval především vlastnostmi základních stavebních prvků hmoty a způsoby, jakými příroda vytváří různé struktury. A s vynalezením STM a AFM pomalu vznikl obor, který dnes nazýváme nanotechnologie, který našel vyuţití v průmyslu, medicíně a mnoha dalších oborech.
2.3 Nanomedicína Přestoţe se stále jedná o obor, který je v základech výzkumu a můţeme ještě očekávat obrovský rozkvět, uţ dnes se v medicíně částečně vyuţívá přímá aplikace technik molekulární nanotechnologie. Foresight Institute, který mimo jiné kaţdoročně předává Feynmanovu cenu, definuje nanomedicínu takto: „Nanomedicína může být definována jako monitorování, oprava konstrukce a kontrola lidského biologického systému na molekulární úrovni pomocí nanozařízení a nanostruktur.“ Tato definice ovšem bude pravděpodobně v budoucnu ještě mnohokrát přepsána, neboť nanomedicína je ve stádiu zrodu a v tuto chvíli zatím nejde přesně určit, kam aţ se postupem času dostane. Nanodiagnóza - přesného vyuţití v medicíně je celá řada, můţeme zmínit například nanodiagnózu, která vyuţívá nanosenzorů. Ty dokáţou detekovat v těle fyzikální, chemické a biologické veličiny. 7
Nanofarmakologie - dalším oborem je například farmakologie, v té se vyuţití nanotechnologií shledává s velkými úspěchy. Nanofarmakologie je především zaloţena na výzkumu konvenčních léků a sledování distribuce léků v organismu pomocí nanočástic.
8
3 Na jakém principu by měl cílený transport fungovat
Základní myšlenkou cíleného transportu léčiv je doručení léčivé látky pouze do „postiţené“ buňky, tkáně nebo orgánu, a tím pádem zamezení negativnímu působení léčivých látek na zdravé buňky, respektive k sníţení jejich vedlejších účinků. V ideálním případě by léčivo během transportu do cílového místa nemělo mít ţádný vliv na organismus, následně by se mělo aktivovat výhradně v cílovém místě, působit zde v poţadované koncentraci přesně tak dlouho, aby bylo dosaţeno maximum léčebného účinku a po dosaţení tohoto maxima by se léčivo včetně nosičového systému mělo úspěšně vyeliminovat z organismu. Tak lehké to ale bohuţel vţdy není.
3.1 Základní strategie cíleného transportu Způsoby doručování léčiv můţeme rozdělit na tři základní kategorie:
3.1.1 přímé doručení léčiva do určitého místa Jde o nejjednodušší způsob cílení účinku léčiva, kdy se účinná látka (která je navázaná na polymerní nosič) aplikuje přímo na cílové místo. Polymerní nosič má za úkol řízené uvolňování léčiva a jeho setrvání na místě aplikace. Toho lze dosáhnout například injekcemi.
3.1.2 pasivní cílený transport Lékový transportní systém se do cílového orgánu dostane díky své vnitřní vlastnosti (např. velikosti částic). Pasivní směrování objevil lékař Maeda, kdyţ si ještě se svými spolupracovníky všiml hromadění se makromolekulárních látek v pevných nádorech. Příčinou je fakt, ţe
cévy
zásobující
nádor
propouští
z krevního řečiště (porušeným endotelem) i makromolekuly,
na
rozdíl
od
cév
„normálních“. A právě tyto větší molekuly 2 se zde shlukují. Kdybychom problém zjednodušili, mohli bychom nádor přirovnat k vysavači, 2
Obrázek shlukování: : http://www.vesmir.cz/files/obr/nazev/2003_498_02/type/html
9
který vsává makromolekuly a tím objasnit, proč se pasivnímu směrování také říká pasivní akumulace.3 Optimální velikost nanonosičů by měla být menší neţ 100 nm v průměru, aby se předešlo jejich pohlcování makrofágy RES4
3.1.3 aktivní cílený transport Léčivo je při něm vybaveno směrovací částí. Paul Ehrlich5 aktivní směrování nazval „kouzelnou střelou“. Směrující molekula, nebo také Ehrlichův „poštovní doručovatel“ se stává součástí polymerního konjugátu6 léčiva a snaţí se léčivo doručit na správnou „adresu“. Pod pojmem „adresa“ si můţeme představit znak, kterým se nemocná buňka liší od těch zdravých, tedy cílovou buňku s odpovídajícím receptorem, na nějţ se potom směrující molekula naváţe. Ačkoli se jedná o velmi účinný způsob, problémem zůstává fakt, ţe jen velmi málo nemocných buněk vystavuje specifické receptory a vlastně prakticky nikdy je nevystavují všechny nemocné buňky. (Navíc buňky svůj povrch často mění v závislosti na prostředí, o to více buňky nádorové.) Dnes ovšem víme, ţe aktivní směrování není jediný způsob, jímţ lze léčivo ve vyšší koncentraci k cílové tkáni dopravit. Směrovací části můţeme rozdělit na tři typy: i) monoklonální protilátky – ty jsou zaměřeny proti jednotlivým buněčným typům nebo tkáním, zejména nádorům. ii) externí spouštěcí jednotky – transport částic je řízen zvnějšku, například pomocí magnetického pole. iii) interní spouštěcí jednotky – částice, které jsou navrţeny tak, aby se rozloţily určitým enzymem nebo rozpustily při změně pH cílového místa léčby, a tím doručily svůj obsah do poţadovaného místa.
3
To je také důvod, proč i nesměrovaná vysokomolekulární polymerní léčiva mívají výrazně lepší farmakologický účinek neţ klasická nízkomolekulární cytostatika. 4 RES – retikuloendotelový systém je „soustava fagocytujících buněk roztroušená v řadě orgánů zejm. ve slezině, játrech, lymfatické tkáni. Podílí se na imunitě organismu.“ Definice z http://lekarske.slovniky.cz/pojem/retikuloendotelovy-system 5 Paul Ehrlich byl německý chemik, lékař, serolog a imunolog, který zkoumal především barvením bakterií a jich zkoumáním, roce 1908 obdrţel Nobelovu cenu 6 Konjugát - léčivo a směrující molekula, které jsou kovalentní vazbou navázány na nosič
10
3.2 Polymerní nosiče léků Přenašečů léčiv existuje celá řada a můţou se od sebe dost lišit, všichni ale musí nutně být stabilní během transportu:
3.2.1 dendrimery Dendrimery (z řeckého slova dendros = strom) jsou syntetické makromolekuly s přesně definovanou velikostí. Základem dendritické struktury je monomer, větvící se jednotka, jehoţ postupným spojováním do stromovité struktury dospíváme k dendronu. Dendron se kovalentně váţe k jádru, takţe vzniká molekulární struktura s pravidelně se opakujícími větvícími jednotkami, pro kterou se vţil název dendrimer.
7
Dendrimery se vyznačují relativně velkým prostorem uvnitř a velkým počtem funkčních skupin na povrchové části. Díky tomu lze aktivní látku uskladnit ve vnitřním prostoru a na povrchu navazovat látky, které zvyšují biokompatibilitu.
3.2.2 magnetické nanočástice 8
Zde se vyuţívá magnetických vlastností nanočástic k nasměrování léčiva
na
dané místo a to tak, ţe v místě např. nádoru je magnet, který přesně lokalizuje postiţený prostor pro podané látky.
7
Princip vzniku dendrimeru: http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n383a51.htm Schéma navádění: https://moodle.fp.tul.cz/nano/pluginfile.php/2592/mod_resource/content/1/Co%20je%20nanomedic%C3%ADna.pdf 8
11
3.2.3 liposomy Liposomy jsou fosfolipidové částice, které bývají řazeny mezi 9
nanočástice, i kdyţ podle rozměrů nejde o produkt
nanovědy.10 Jde vlastně o dutinu ohraničenou fosfolipidovou membránou, která obaluje prostor s vodní fází. V liposomech se dají transportovat jak hydrofobní, tak hydrofilní látky. Dají se např. pouţít k aplikaci léků cestou kůţe nebo sliznice.
3.2.4 fullereny 11
Fullereny, nebo také buckminsterfullereny, jsou duté
uhlíkaté koule (C60) s průměrem 1nm, čímţ umoţňují léčivu přiřadit
12
prostorovou orientaci na jeho povrchu.
Jejich název odkazuje na jméno amerického architekta Richarda Buckminstera Fullera, který projektoval geodetické kopule podobného tvaru.
3.2.5 nanoslupky Nanoslupky jsou zlatem pokryté křemíkové nanočástice obsahující léčivo, které mohou absorbovat světelnou energii a přeměnit ji v teplo. (Hovoří se o nich jako o potenciálních antinádorových látkách.)
3.2.6 zeolity Zeolity jsou krystalické porézní hlinitokřemičitany, které mohou absorbovat různé malé molekuly. Mohou usnadňovat iontovou výměnu a slouţit jako nosiče kyslíku. Jejich zvláštností je vysoká stabilita v jakémkoliv prostředí.
3.2.7 nanotrubičky Nanotrubičky jsou molekuly uhlíku válcového tvaru, které se kombinují např. s liposomy.
9
Obrázek liposomu: http://gvm.vm.cz/vyuka/bio_pojmy/hesla/liposomy.html
10
Průměr liposomů se pohybuje od 20nm do 5nm. Buckminster Fulleren a jeho geodetická kopule: http://scodpub.wordpress.com/2011/04/30/buckminster-fuller/ 12 Obrázek fullerenu: http://www.zschemie.euweb.cz/uhlik/uhlik2.html 11
12
3.3 Porovnání s perorálním podáním léčiv Konvenční systém podávání léků je zaloţen na absorpci léku přes membránu, zatímco koncept cíleného transportu léčiv je zaloţen na dopravě léčiva na místo určení v neměnné formě a v co nejvyšší koncentraci. Nedochází tak k distribuci léčiva do míst v organismu, kde je jeho přítomnost zbytečná, nebo i často nebezpečná a ohroţující, a tím se sniţují vedlejší nechtěné účinky. Dávka cíleně podávaných léčiv tak můţe být větší, neboť agresivita léčiva neohrozí zdravé buňky. Tím pádem by samotná léčba měla být daleko efektivnější. Dalšími výhody cíleného transportu léčiv je sníţení četnosti dávek léčiva a tím zvýšení pohodlí pacienta, sníţení fluktuace13 léčiva v krevním oběhu pacienta, zachování účinné koncentrace léčiva v krvi, větší kontrola distribuce látek v organismu. Přes nesporně pozitivní přínos nanotechnologií vědci varují před moţnými neţádoucími účinky na lidské zdraví. Částice vzhledem ke své velikosti mohou proniknout všude a je třeba zabránit jejich negativnímu vlivu na zdravé buňky ev. na DNA. Zároveň není dořešená otázka likvidace nepotřebných nanočástic. Dálší nevýhodou je vysoká cena a zatím dost experimentální charakter.
13
Fluktuace znamená nepravidelný a nesoustavný pohyb „sem a tam“.
13
4 Oblasti využití nanotechnologií v medicíně
Vyuţití nanotechnologií v medicíně je celá řada, je jen otázkou času, kdy se jich dočkáme v reálném ţivotě. Na úvod alespoň zmiňme klinickou diagnostiku, toxikologii, výzkum kmenových buněk, bioanalytický výzkum, klinickou diagnostiku.
4.1 Nanotechnologie v chirurgii Co se týče oboru chirurgického, i zde nanomateriály najdou své uplatnění. A to hlavně díky své povrchové struktuře, která napomáhá k vhojení a samotné integraci cizorodého tělesa do organismu. Dále se pak nanotechnologie dají pouţít jako vylepšení „šicího materiálu“, a to například impregnací nanočásticemi stříbra.
4.2 Nanotechnologie v onkologii „Rakovina je dlouhodobě druhou nejčastější příčinou úmrtí v ČR po nemocech srdce a cév.“
14
V dnešní době existuje mnoho metod, jak bojovat s nádorovým onemocněním: onkologická chirurgie, chemoterapie, radioterapie. Chemoterapie ale stejně jako ostatní jmenované metody má svá úskalí. Při léčbě chemoterapeutiky je to především jejich nespecifický účinek. Ten má za následek ničení i okolních zcela zdravých buněk a léčba je provázena spoustou neţádoucích vedlejších účinků od nevolnosti, zvracení, ztráty vlasů aţ po poškození jater a útlum krvetvorby. Chemoterapeutika totiţ působí na buňky bez rozdílu, ať uţ jde o buňky nádorové nebo zdravé. Proto jsou poznatky z nanovědy v onkologii, konkrétně cíleného transportu léčiv, velice důleţité a zlomové. A to jak pro diagnostiku tak pro následnou terapii.
4.2.1 diagnostika Při záchytu a určení typu nádoru (tzv. typing – určení histologického typu a grading – určení stupně změn a jejich závaţnosti) hraje velkou roli molekulární medicína. Ta zjednodušeně řečeno dodává informace o identifikovaném nádoru. Nanověda pak uţ jen dodá postupy, jak tyto
14
http://www.mamo.cz/index.php?pg=aktuality&aid=542
14
informace zpracovat. Tímto způsobem lze získat opravdu velké mnoţství dat, a proto jejich samotná analýza rozhodně není lehký úkol. To uţ má ale na starosti bioinformatika. Pro moţnost léčby je nutné znát úplný rozsah nádorového onemocnění: jeho lokalizaci, velikost primárního tělesa, v pokročilejším stádiu i jeho metastáz. K tomu slouţí nanotechnologiemi rozšířené moţnosti zobrazovacích metod a to v konstrukcí kontrastních látek. Ty ve spojení s nanotechnologiemi získávají výrazně lepší diagnostické schopnosti. Např. lze opatřit nanočástice receptorem a tím pak sledovat distribuce konkrétních povrchových molekul v pacientově těle. Jako nosiče receptorů se vyuţívají zejména fullereny a liposomy.
4.2.2 terapie Jak jiţ bylo řečeno, hlavním nedostatkem chemoterapeutik je jejich neselektivita cytotoxicity15 vůči nádorovým buňkám. Cílená chemoterapie je jednou z moţností, jak tento nedostatek odstranit a zefektivnit výslednou léčbu: umoţňuje cílený transport cytotoxických látek do loţiska nádoru, čímţ neohroţuje okolní zdravé tkáně. Dalším výrazným pozitivem je zlepšení ţivota pacienta během léčby, právě díky sníţení vedlejších negativních účinků. Připomeňme strategie cíleného transportu, která je zaloţena na faktu, ţe nádorové buňky se od zdravých buněk liší v některých strukturních prvcích a dějích. Na základě toho jsou hledány látky, které pro navázání na cytostatikum fungují jako nosiče či navigátory k těmto specifickým strukturám a pomáhají při vstupu cytostatik16 do buňky. Jako přenašeče léčiv se pouţívají hlavně liposomy a dendrimery. U dendrimerů je sice moţnost cílení větší neţ u liposomů, jejich nevýhodou je ale podstatně menší transportní kapacita. U liposomů, které dokáţí přenášet lipofilní17 i hydrofilní látky o relativně velkém objemu, je hlavní nevýhodou omezená moţnost cílení účinku. Přesto je nejrozšířenější enkapsulace léčiv právě v liposomech a to hlavně díky technologickým důvodům. K dispozici je pět cytostatických preparátů na bázi liposomů, z toho ve třech případech je účinnou látkou doxorubicin18, v jednom daunorubicin a v jednom cytosin arabinosid.19
15
Cytotoxicita „je schopnost buněk nebo chemických látek ničit buňky.“ podle http://www.wikiskripta.eu/index.php/Cytotoxicita 16 Cytostatika „jsou látky, které se pouţívají k léčbě nádorových onemocnění. Jejich účinkem je zastavení růstu nádorových buněk.“podle http://cs.wikipedia.org/wiki/Cytostatika 17 Lipofilní – rozpustný v tucích 18 Doxorubicin patří mezi nejpouţívanější cytostatika. 19 V ČR a na Slovensku jsou registrovány čtyři přípravky na bázi nanotechnologií: doxurubicin, cytarabin, paclitaxel.
15
Cytotoxickou látkou nemusí být pouze cytostatikum, rozvíjí se i koncepty spojené s radioterapií20, případně senzitizací nádoru pro jiné vnější faktory. Názorným příkladem vyuţití nanočástic v radioterapii je zvýšení účinnosti neutronové záchytné terapie. Do nanočástice (např. dendrimeru) se vpraví izotop boru 10B a následně se takovými nanočásticemi infiltruje nádor. Při ozařování cílového pole neutrony reagují jádra boru s pomalými neutrony za vzniku α částice a izotopu 7Li. Vzniklé částice pak lokálně destruují nádor. Jinou alternativou je cílená hypertermie21 nádorů působením vnějšího magnetického pole. Funguje tak, ţe se do nanočástic vpraví feromagnetická látka22, následně se těmito nanočásticemi infiltruje tumor a po vystavení proměnnému magnetickému poli dojde k ohřevu a chtěné destrukci. Podobně lze pouţít i nanopěnu, která je zvláštní pro svou vlastnost relativně rychle ztrácet feromagnetické schopnosti.
20
Radioterapie se vyuţívá především k léčbě zhoubných nádorů citlivých na záření. Ozařování se provádí před operací i po ní, můţe být i samotným léčebným postupem u pokročilých neoperovatelných nádorů. Často se také uplatňuje v kombinaci s chemoterapií. 21 Hypertermie označuje záměrné léčebné zvýšení teploty části či celého lidského těla. V léčbě zhoubných nádorových onemocnění se vyuţívá zejména ke zvýšení efektu radioterapie či chemoterapie na nádorové buňky, kterého lze dosáhnout především při zvýšení jejich teploty na 41 aţ 45 °C. 22 Látka vykazující feromagnetické vlastnosti, tj. spontánní magnetizaci.
16
5 Budoucnost a výzkum
5.1 Biochemie transportu plynů Biochemie transportu plynů v těle je dobře známá. Červené krvinky, tvořené především bílkovinou hemoglobinem se po okysličení mění na oxyhemoglobin. Takto je transportováno 95% kyslíku v těle. Na základě parciálního tlaku CO2 se pak kyslík v23 tkáních uvolňuje. Jiţ 80 let se vědci snaţí objevit umělé částice, které by transportovaly kyslík. Respirocyty jsou hypotetické červené krvinky o průměru 1 micrometr, které jsou schopné transportovat 236x více kyslíku neţ přirozené červené krvinky. Respirocyty by byly ovládány zabudovanými nanocomputery, které by reagovaly
na četné chemické a tlakové senzory.
Polovinu povrchu by zabíraly glukózové pumpy, umístěné po obvodu kaţdé umělé krvinky. Ty by zajišťovaly dostatek energie pro kaţdý respirocyt. Myšlenku respirocytů představil Robert A. Freitas Jr. poprvé v r. 1998. Od té doby prošel celý projekt mnoha vylepšeními a je jen otázkou času a peněz, kdy bude realizován. To vše by pak umoţnilo např. pacientům se srdečním selháním přeţít aţ 4 hod.,
eventuelně při
potápění zůstat celý den pod vodou. To nejslibnější by bylo ovšem zpomalení stárnutí tkání a výrazné prodlouţení délky ţivota.
5.2 Analýza moči, krve a jiných tělních tekutin (magnetické nanočástice) Příkladem vyuţití nanotechnologií v analýze moči můţe být detekce krevních sraţenin v těle. Ta je v současné době velmi obtíţná. Přitom krevní sraţeniny - tromby jsou příčinou ţivot ohroţujících stavů jako je infarkt myokardu nebo cévní mozková příhoda. 23
Znázornění respirocytu http://www.citesciences.fr/english/ala_cite/exhibitions/nanotechnologies/images/diapo02/02-Gen6_640.jpg
17
Vědci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) testovali jiţ na myších novou technologii. Do těla jsou injekčně vpraveny nanočástice, na jejichţ povrchu je protein, který reaguje na přítomnost trombinu, tedy bílkoviny, která hraje klíčovou roli v systému sráţlivosti krve. Po zájemném kontaktu se uvolňují částice, které se pak vylučují močí. Ty jsou pak analyzovány a je vyhodnoceno riziko trombózy. Krevní testy na HIV jsou díky nanotechnologiím 10x citlivější neţ dosud. Rychlý test HIV ze slin jiţ existuje, ale není příliš citlivý a je často falešně negativní. Nová metoda spočívá v pouţití zlatých nanočástic,které se v přítomnosti biomarkeru HIV p24 shlukují uţ při velmi nízkých koncentracích a mění barvu zkoumaného vzorku na modrou. Tato metoda se můţe téţ pouţívat k detekci biomarkerů rakoviny prostaty.
5.3 Nanostroje (nanorobot) Nanoroboty budou jednoho dne plout krevním řečištěm a řešit různé zdravotní problémy.. 24 Představte si, ţe přijdete k lékaři s vysokými horečkami. Namísto tablety léku vám do těla vpraví nanorobot, který pomocí kamery objeví příčinu vašich potíţí a na dané místo dopraví příslušnou dávku léčiva. Nanoroboty budou moci například putovat krevním řečištěm, identifikovat krevní sraţeninu a odstranit jí. Při léčbě zhoubných nádorů mohou nanoroboty v budoucnu pomocí laseru zneškodňovat rakovinné buňky, pomocí ultrazvuku tyto buňky oslabovat, dopravovat cíleně léčiva. Jiné nanoroboty, zvané clottocyty, urychlí proces sráţlivosti krve a budou mít vyuţití u hemofiliků nebo při ošetřování rozsáhlých poranění. Další nanoroboty budou schopné odstranit z těla všechny parazity. Dna je onemocnění, při kterém v těle zůstávají zvýšené hladiny kyseliny močové, jejíţ krystalky se pak usazují v kloubech způsobují bolest a poškozují je. Nanoroboty by mohly zmíněné krystaly odstraňovat.
24
Nanorobot s krevním řečišti http://static.ddmcdn.com/gif/nanorobot-1.gif
18
Ledvinové kameny mohou být příkladem dalšího vyuţití nanorobotů.
5.4 Fluorescenční nanočástice (detekční technologie) Nejpouţívanější detekční technologií jsou metody zaloţené na fluorescenční mikroskopii, která nedestruktivním způsobem sleduje značené nanočástice v těle pacienta v reálném čase a poskytují tak informaci o prostorové distribuci zkoumané látky v jednotlivých částech těla.
19
Závěr
V této práci jsme se snaţily proniknout do světa nanotechnologií. Soustředily jsme se hlavně na vyuţití nanotechnologií v oblasti medicíny a to především na cílený transport léčiv. Navštívily jsme prof. Dr. RNDr. Pavla Matějku na VŠCHT, který nám poskytl spoustu cenných materiálů a to především vědeckých článků v angličtině, které sledují aktuální dění v dané problematice. Dále jsme čerpaly z mnoha bakalářských a diplomových prací českých studentů. Díky tomu jsme získaly přehled v oblasti nanovědy a uţ jen čekáme na moment, kdy se nanotechnologie reálně stanou součástí okolního světa. Je nám jasné, ţe nanotechnologie v medicíně představují ohromný potenciál a lidstvo v nich vidí naději na zárnější zítřky a úspěšnější léčby. Například cílená léčba s jejich pomocí zabraňuje neţádoucímu působení účinných látak na zdravé buňky, tkáně a orgány, umoţňuje aplikaci léčebné látky ve vyšší koncentraci, a tedy rychlejší a účinnější průběh léčby. Budoucí „běţné“ pouţívání nanotechnologií v medicíně má ovšem i velmi zneklidňující aspekt, který je prozatím veřejností zanedbáván. Za šest let tomu bude sto let, co Karel Čapek varoval před lidskou zkázou zapříčiněnou lidskou chtivostí a vynalézavostí publikací dramatu RUR. Je otázka, nakolik jeho knihy byly sci-fi a nakolik varováním před budoucí realitou. Kde bude hranice mezi člověkem a strojem v případě, ţe lidskou bytost budou zčásti tvořit inteligentní nanoroboti? Nebude naše společnost „plodem“ umělé inteligence? Nebyl náhodou Čapek Orwellem naší doby?
20
Zdroje:
LEHNER, R. Inteligent nanomaterials for medecine: Carrier platforms and targeting strategie in the kontext of clinical application. Nanomedjouranal 9. 2013, s. 742-746 LAGZI, I. Chemical robotíce – chemotactic drug carriers. Versita 2012. s. 377-380 ŘÍHOVÁ, B. Polymerní terapeutika u nás a ve světě. Chemické listy. 2009, roč. 103, č. 1, s. 498 PŘIBYLOVÁ, M.; DVOŘÁKOVÁ, M.; VANĚK T. Deriváty paklitaxelu pro cílený transport cytostatika. Chemické listy. 2010, roč. 104, s. 1023 RABIŠOVÁ, M. Vyuţití nanočásticových systémů v medicíně. Remedia. 2008, č.18, s. 89-92 RABIŠOVÁ, M. Nanočástice pro lékové formy. Remedia 2007, 17; 495-501 JELÍNKOVÁ, E. Polymerní systémy pro řízené uvolňování a cílenou dopravu léčiv. Bakalářská práce (Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně). 2013 HÁJKOVÁ,
Z.
Návrh
implementace
novách
poznatků
z interdisciplinárního
oboru
„nanotechnologie“ do výuky přírodovědných předmětů na SŠ. Diplomová práce. PřFUK. 2009 TRUNTÁKOVÁ, A. Polymerní nosiče léčiv. Bakalářská práce. (Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně). 2009 BLAŢKOVÁ, L. a kol. Moderní zobrazovací techniky pro antracyklinová cytostatika. Klinická onkologie. roč. 26, č. 4, str. 239-244 ŠRÁMEK, J. Nanotechnologie v medicíně. Masarykova univerzita. 2009 ZVATORA, P. Studium povrchové modifikace nanomateriálů a jejich aplikace. Disertační práce. VŠCHT. 2013 ULBRICH, K. Cílená léčba nádorových onemocněné – fikce, nebo naděje? Prezentace. Ústav makromolekulární chemie AV ČR. LOUDA, P.; BAKALOVA, T. Nanomedicína. Přednáška. Technická univerzita v Liberci KUBÍNEK, R.; STRÁNSKÁ, V. Úvod do problematiky nanotechnologií THORLEY,
A.
J.;
TETLEY,
T.
D.
Pharmacology&Therapeutics, roč. 2013 http://cs.wikipedia.org http://nanomedicina.sweb.cz/ http://nanowerk.com 21
New
perspective
in
nanomedicine,
