Mikroeszközök és nanotechnológia a XXI. századi orvostudományban

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Mikroeszközök és nanotechnológia a XXI. századi orvostudományban"

Csenge Barta
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Mikroeszközök és nanotechnológia a XXI. századi orvostudományban Kelemen Lóránd MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Bevezetés Mikrofluidikai eljárások Nanorészecskék Nanorobotok

2 Mikrométer: 10-6 m, 1/1.000 milliméter 5µm PNAS 106: (2009) Nanométer: 10-9 m, 1/ milliméter 3.4 nm Kutatási fázisban lévő eszközök, eljárások

106:21495-21499(2009) Nanométer: 10-9 m,

3 Mikrofluidika µm tipikus keresztmetszetű csatornákból, reakcióterekből, rezervoárokból épül fel Komplett laboratórium egyetlen mikroszkóp tárgylemezen Lab-on-a-chip Pikoliter, femtoliter térfogatú reakciók Egyedi sejteken végezhetők vizsgálatok

egyetlen mikroszkóp tárgylemezen Lab-on-a-chip Pikoliter,

4 Rák diagnosztizálása a tumorsejtek deformálhatósága alapján Mikrofluidikai csatornában végzett optikai vizsgálat Hordozható eszközzé fejleszthető Kezdeti klinikai kísérletek Optikai szál Lézernyalábok Sejt Optikai szál Megvilágítás hatására megnyúlik Egészséges sejtek Csatorna Tumorsejtek Megnyúlás mértéke Cancer Res 2009; 69: (5), p1728

klinikai kísérletek Optikai szál Lézernyalábok Sejt Optikai szál Megvilágítás

5 Sejtek válogatása fénynyomás segítségével Fluoreszcensen jelölt sejteket válogatja ki egy sejtszupenzióból Mikroszkóp tárgylemezre integrálható mobil eszközzé fejleszthető A sejt B sejt kontroll Mérő, irányító lézernyaláb 50µm Sejt keverék

Mikroszkóp tárgylemezre integrálható mobil eszközzé

6 Detektálja a fluoreszcencensen megjelölt a sejteket detektálás gerjesztés Az irányító nyaláb szelektíven a megfelelő csatornába tereli a sejteket

7 Mikromanipuláció optikai csipesszel Laboratóriumhoz kötött Nagyobb precizitás, 3D mozgatás Lézernyaláb Mikroszkóp objektív Sejt Fókuszba térítő erő Keményítő darabkák (~5-10µm)

8 Lézeres polimerizáció Mioreszközök kézítése 3D-ben Méretek: 100 nm 100 µm Fókuszált lézernyaláb Polimerizált szerkezet Fényre keményedő polimer

9 Lézerrel polimerizált mikrotű gyógyszer bőrszövetbe juttatására Mechanikai ellenállás sertés hámszöveten tesztelve A tű anyaga polimer-kerámia hibrid (ORMOCER, sejtbarát) Int. J. Appl. Ceram. Technol., 4[1] (2007)

tesztelve A tű anyaga polimer-kerámia hibrid (ORMOCER,

10 Optikai csipeszben használható mikroeszközök Nano-, mikroméretű testek kontrollált mozgatása fénnyel, fizikai kontaktus nélkül Optikai csipesszel megragadott mikroeszköz, amit szabadon lehet forgatni és pozícionálni Próba Fogantyú d

kontaktus nélkül Optikai csipesszel megragadott

11 Optikai csipeszben használható mikroeszközök Készítés Geometriai jellemzők Felület funkcionalizálás Arany nanorészecskék 10µm

Optikai csipeszben használható mikroeszközök Sejtek felületének vizsgálata felület-erősített fluoreszcenciával / Raman spektroszkópiával

12 Optikai csipeszben használható mikroeszközök Sejtek felületének vizsgálata felület-erősített fluoreszcenciával / Raman spektroszkópiával Vizsgált terület: ~100nm Intenzitás (AU) Au nanorészecskék nélkül Au nanorészecskékkel Erősített fluoreszcencia spektrum Hullámhossz (nm)

spektroszkópiával Vizsgált terület: ~100nm Intenzitás (AU) Au

13 Lézeres mikrosebészet Idegsejt átvágása in vivo egyetlen lézerimpulzussal, µm mélységben Infravörös hulámhossz: a szövetben nagyobb mélységben lehet dolgozni Egyedileg lehet idegi kapcsolatokat megszakítani 60µm a sejt többi részének károsodása nélkül 25µm a környezet károsodása nélkül J. Biomed. Optics, 12[5] (2007)

dolgozni Egyedileg lehet idegi kapcsolatokat megszakítani 60µm a sejt többi

14 Nanocsipesz Nano-, mikroméretű testek kontrollált mozgatása mikromechanikai eszközzel Fém elektródák Szén nanocsövek közelít megragad eltávolít 2µm Science 286: (1999)

15 A legegyszerűbb nanorobot: a nanorészecske A megcélzott sejtet felismerő és a hatóanyagokat nanorészecskékre (-be) csomagolják Szilárd maggal Liposzómában Lipid kettősréteg PEG Belső kontrasztanyag Külső kontrasztanyag Hatóanyag Antitest Felismerő ligand PEG Célsejtet felismerő réteg Intracelluláris felismerés Terápiás összetevő Egyéb érzékelő Szilárd mag (MRI kontraszt vagy Q-pötty) Forgalomban lévő gyógyszerek liposzóma hordozóban Termék Hatóanyag Gyártó Doxil Doxorubicin ALZA DaunoXome Daunorubicin Gilead Sciences Ambisome Amphotericin B Gilead Sciences Amphotec Amphotericin B ALZA Abelect Amphotericin B ELAN

felismerés Terápiás összetevő Egyéb érzékelő Szilárd mag (MRI kontraszt vagy Q-pötty) Forgalomban lévő gyógyszerek liposzóma hordozóban Termék Hatóanyag

16 Nanorészecskék alkalmazásának főbb módozatai Képalkotás javítása Lokalizált terápia Rák felismerése Célzott kezelés Tumorhoz kötődés Rákos sejtek elpusztítása

17 Szabadalmak (csak két példa ) Ferromágneses anyagba csomagolt gyógyszer, kontrasztanyag Polimer mátrixba csomagolt kontrasztanyag

18 Nanorészecskék sejtfelismerő molekulák nélkül Számít a méret és a töltés! töltés: pozitív átmérő: 5nm Arany nanorészecskék koncentrációja az egyes szervekben a méret és a töltés függvényében vér agy izom hasnyálm. tumor szív vese tüdő máj lép töltés: negatív átmérő: 5nm töltés: negatív átmérő: 10nm vér agy izom hasnyálm. tumor szív vese tüdő máj lép vér agy izom hasnyálm. tumor szív vese tüdő máj lép Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 3: (2007)

19 Képalkotás javítása: MRI kontrasztanyag (patkány agy) Nanorészecske: szilárd mag + lipid réteg Kontrasztanyag nélkül 45 perccel a kontrasztanyag beadás után 45 perccel a kontrasztanyag beadás után (kiemelve) Polipeptid Paramágneses lipid PEG+lipid Kvantum pötty Angiogenesis 12:17 24(2009)

kontrasztanyag beadás után 45 perccel a kontrasztanyag beadás után

20 Lokalizált terápia: tumor hőkezeléses terápiája A tumorban felhalmozódott nanorészecskék lézeres megvilágítás hatására felmelegszenek Polisztirén mikrogömb (~0.2µm átmérő) Arany nanorészecske kezdemények (~7nm) Teljes arany nanorészecskefedettség (~20nm vastag kéreg) Infravörös lézerfény Hőleadás Nanotechnology (2008)

(~0.2µm átmérő) Arany nanorészecske kezdemények (~7nm) Teljes arany

21 Lokalizált terápia: tumor hőkezeléses terápiája Nanorészecske + lézerfény Csak lézerfény Kontroll 0. nap A tumor lassabban nő a kezelés hatására 12.nap Tumor térfogat (mm 3 ) kezelt csak lézerfény kontroll Kezelés óta eltelt idő (nap) Nanotechnology (2008)

hőmérséklet, a gyógyszer ki tud diffundálni a mátrixból Laboratóriumban demonstrálták a hőmérséklet emelkedést kobalt

22 Lokalizált terápia: hatóanyag termikus felszabadítása Mágneses részecskék és gyógyszer polimer mátrixban Mágneses kezelésre hőfelszabadulás a nanomágnesekben A polimerben kötések szakadnak fel: a mátrix kitágul Amíg magasabb a hőmérséklet, a gyógyszer ki tud diffundálni a mátrixból Laboratóriumban demonstrálták a hőmérséklet emelkedést kobalt ferrit szuszpenzióval Példák a mágneses anyagokra: MagnetitFe 3 O 4 Hematit, Fe 2 O 3 Kobaltferrit, CoFe 2 O 4 Pharmaceut. Res., 26: (2009)

23 Nanorobot tervezési stratégia Fény, hő, mechanikai, kémiai energia Energia átalakítás Energia tárolás Érzékelők Környezeti változások Adattovábbítás Adatfeldolgozás vezérlés dx.doi.org/ /nl201505c

24 Nanorobot tervezési stratégia Nanogenerátor vázlata és a megvalósult eszköz Elektróda ZnO nanorúd réteg Elektróda Hajlékony műanyag szubsztrát nanorudak Alakváltozásra piezoelektromos feszültség keletkezik Összenyomás Megnyúlás Mechanikai deformáció az áramkörök által használható elektromos feszültséggé alakul Külső bemenő jel: LED fénye Kimenő jel: rádiófrekvenciás adás dx.doi.org/ /nl201505c

25 Nanorobot működésének számítógépes modellezése Vércukorszint-figyelő robot Modell elemei: Nanorobot Hajszálerek Folyadékáramlás Vércukor szintje VVT Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 4: (2008)

26 Nanorobot működésének számítógépes modellezése Vércukorszint-figyelő robot Erőforrás: CMOS Mozgás: passzív áramlás Vércukorszint megfigyelés: SGLT-3 fehérje szint mérése Kommunikáció: rádiófrekvenciás impulzusok (mobiltelefon?) Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 4: (2008)

27 Lépések a nanorobot felé: mikrorobot Mágneses fejjel és helikális testtel rendelkező struktúra forgó mágneses mezőben Mágneses fej Cr/Ni/Al hármas réteg 10nm, 180nm és 10mnm vastagsággal Helikális test 4µm InGaAs/GaAs/Cr hármas réteg 11nm, 16nm és 15mnm vastagsággal Szalag szélessége: 1.8µm A test mindig a mágneses mező irányára merőlegesen áll be A forgó mező megforgatja a testet Flagella-szerű mozgást végezve a forgó mozgás egyenesen haladóvá alakul Appl Phys Lett 94, (2009)

28 Lépések a nanorobot felé: mikrorobot Mágneses fejjel és helikális testtel rendelkező struktúra forgó mágneses mezőben Appl Phys Lett 94, (2009)

29 Lépések a nanorobot felé Vezeték nélküli, mágneses térrel irányítható és termikusan vezérelhető mikrofogó Műanyag Nikkel Réz Króm Nyitott állapot Hő hatására bezárul PNAS 106: (2009)

30 PNAS 106: (2009)

31 PNAS 106: (2009)

32 MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biofizikai Intézet Ormos Pál Dér András Valkai Sándor Kirei Huba BadriA. L. Rao Mathesz Anna Vizsnyiczai Gaszton

34 UV-fény polimerizációval készített 3D vázszerkezet sejtkultúrák számára Akril-alapú polimer váz A vászerkezeten nőtt, fluoreszcens festékkel jelölt sejtek 2008 Han

35 Lokalizált terápia: hatóanyag termikus felszabadítása Hőmérséklet emlkedésének hatása a vivőanyagra

Hasonló dokumentumok

Röntgen-gamma spektrometria

Röntgen-gamma spektrometria Röntgen-gamma spektrométer fejlesztése radioaktív anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű meghatározására Szalóki Imre, Gerényi Anita, Radócz Gábor Nukleáris Technikai Intézet