Nanomedicina, vagyis nanotechnológia a modern orvostudományban Készítette: Csányi Éva Tüdőtisztító szerkezetek Veszprém, 2005.december 1
Az élő rendszerek alulról építkeznek, molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak, így a hatékony gyógyítás nélkülözhetetlen eleme a molekuláris szintű beavatkozás. Erre már régebben rájöttek, és attól kezdve sok tudóst foglalkoztatott az elképzelés, hogy molekuláris ill. sejt szinten történjen a beavatkozás az élő szervezeteknél. Az egyik ilyen tudós a Nobeldíjas Feyman. Az ő korai elképzelése az volt, hogy nanorobotok és hozzájuk kapcsolódó szerkezetek tervezhetőek, és készíthetőek, amik méretüknél fogva bejuttathatók lennének az emberi szervezetbe, hogy ezzel molekuláris szinten valósítsák meg a sejt javítást. 1959-es munkájában felvetett gondolata az volt, hogy gépeket lehetne használni kisebb gépek gyártására, amik azonban még kisebb gépeket gyártanának és így tovább. Ilyen elképzelés mentén gyorsan eljutunk a nanorobotok gondolatához, és az ezeket megvalósító nanotechnológiához. Emellett felvetették egy olyan nanoszerkezet létrehozását mely a vérerekbe juttatva egészen a szívig, tudna eljutni, ott szétnézni, illetve segítene a különböző szervi problémák megoldásában. Manapság tényleg sikerült ilyen gépeket megtervezni és megépíteni. Egyre több (100 és 100) nano eszköz készül, melyeknek számos, nagyon fontos hasznuk van. Általánosságban végülis a nanomedicinek a gyógyítási eszközök miniatürizálását jelentik, amelyek ráadásul precízebbek, jobban kontrollálhatók, sokoldalúbbak, megbízhatóbbak, hatásosabbak és egy gyorsabb módját ígérik az emberi élet minőségének javításának. Nagyvonalakban a nanomedicinek alkalmazási területei: Ható- és jelzőanyagok irányított célbajuttatása Nanoszenzorok RNS és DNS terápiák Nanokapszulák és nanobevonatok Távirányítású biomolekulák Bio- és nanorobotok 2
Valamint részletesebben a kutatási területek néhány példával: Nyers nanoanyagok Nanorészecske bevonatok Nanokristály anyagok nanoszerkezetű anyagok Gyűrűs peptidek Dendrimerek Méregtelenítő hatóanyagok Fullerének Funkcionális gyógyszer hordozók MRI vizsgálat (nanorészecskék) Nanovonalkódok Nanoemulziók Nanorostok Nanorészecskék Nanotölcsér Szén nanocsövek Nemszén nanocsövek Kvantum pontok Mesterséges kötőhelyek Mesterséges antitestek Mesterséges enzimek Radiopharmaceuticalok Mesterséges receptorok Felületszabályozás Mesterséges felületek adhéziós Mesterséges felületek nemadhéziós Mesterséges felületek irányított Biokompatibilis felületek Biofilm bevonatok Megtervezett felületek Vékony-réteg bevonatok Nanopórusok Immun-izoláció Molekuláris szűrők és csatornák Nanoszűrő membránok Nanopórusok Elválasztók Biológiai kutatások Nanobiológia Nanotudomány Sejt szimulációk és sejt diagnosztika Sejt chipek Sejt szimulátorok DNS módosítás, szekvenálás, diagnosztika Genetikai tesztelés DNS mikrotömbök Ultragyors DNS szekvenálás DNS módosítás és kontrollálás Eszközök és diagnosztika Baktérium felismerő rendszerek Biochipek Biomolekuláris képfeldolgozás Bioszenzorok és biodetektálás Diagnosztika és megelőzés Endoszkóp robotok és mikroszkópok Fullerén-alapú szenzorok Képfeldolgozás Laboratórium egy chipen Megfigyelés Nanoszenzorok Fehérje mikrotömbök Sejten belüli eszközök Sejten belüli vizsgálat Sejten belüli bioprogramozás Sejten belüli szenzorok Implantátumok sejtekbe BioMEMS Beültethető anyagok és eszközök Beültethető biomems, chipek, és elektrodák MEMS/nanoanyag-alapú protézisek Érzékelők segédeszköze(mesterséges retina) Mikrotömbök Mikrokonzol-alapú szenzorok Mikrofolyadékok Mikrotűk Gyógyászati MEMS MEMS sebészeti eszközök Nanogyógykezelés Antibakteriális és vírusölő nanoeszközök Fullerén-alapú gyógyszerek Photodinamikus terápia Szintetikus biológia és korai nanoeszközök Dinamikus nanoraktér nanosome Tecto-dendrimerek Mesterséges sejtek és liposzómák Polimer 3 micellák és nanosome
Gyógyszerszállítás Gyógyszer felfedezés Biopharmaceutika Gyógyszerszállítás Gyógyszer betokozás Könnyű gyógyszerek Molekuláris orvosság Genetikai terápia Pharmacogenomia Mesterséges enzimek és kontrolálás Enzimmódosítás és kontrolálás Biotechnológia és biorobotika Biológiai vírus- terápiák Vírus-alapú hibridek Törzs sejtek és klónózás Szövet tervezés Mesterséges szervek Nanobiotechnológia Biorobotok Nanorobotika DNS-alapú eszközök és nanorobotok Gyémánt-alapú nanorobotok Sejt javító eszközök 4
Néhány eljárásról, eszközről részletesebben 1., Immun-izoláció Az egyik legegyszerűbb orvosi nanoanyag egy lyukakkal vagy nanopórusokkal átlyuggatott felület. Desai és társai 1997-ben létrehozták az egyik legelső, gyógyászat területén is bevált nanoeszközt. Mikroszerkezeteket használtak arra, hogy parányi üregeket hozzanak létre egy egykristályos szilikon ostyában, ebbe az üregbe biológiai sejtek helyezhetők el. Az üregeknek a körülvevő biológiai környezettel érintkező felülete a polikristályos szilikon szűrő membránokon keresztül micromachined, ezáltal biztosított az egységes nanopórusok nagy sűrűsége, melyeknek átmérője 20 nm. Ezek a pórusok elég nagyok ahhoz, hogy a kisméretű molekulákat, mint a víz, glükóz, és inzulin átengedjék, de elég kicsi, hogy a nagyobb molekulák, mint az immunrendszer molekulái (mint például az immunglobulinok) vagy a graft-bone virus részecskék áthaladását megakadályozzák. Lényegében az eljárással mikrokapszulák hozhatók létre, amelyek védve vannak az immunrendszer támadásaitól. Beültethetők pl. diabéteszes betegek bőrébe, amivel lényegében megvalósítható a szervezet állandó glükóz- szint kontrollja, miközben elkerülhető a beteg immunrendszerének erőteljes reakcióját, ami megnövelné a lehetséges fertőzés kockázatát. Ezekkel a kapszulákkal kezelhetők más enzim-,vagy hormonhiány okozta betegség is, ha neuronokat helyeznek el bennük, amelyek beültethetők az agyba és elektromosan stimulálhatók, hogy felszabadítsák a neuronátvivőket. A jövőben így lehetőség nyílhat akár még az Alzheimer-,vagy Parkinsonkór gyógyítására is. 2., Vezérelt nanoszita Az első mesterséges feszültség-vezérelt molekuláris nanoszűrőt Nishizawa és társai készítették 1995-ben. Egy hengeres arany nanocsöves tömbje volt, 1,6 nm-es átmérőjű belső résszel. Amikor a csövek pozitív töltésre vannak kapcsolva, akkor csak a negatív ionok képesek áthaladni a membránon, negatív feszültség esetén pedig értelemszerűen csal a pozitív ionok haladhatnak át. Ezáltal egy egyszerű nanoeszközben megvalósították a feszültség vezérlést, amihez a nanosziták esetében hozzájárul még a jól meghatározott pórusméret, és alak. A töltéskényszer és pórusátmérő segítségével precíz kontroll alatt tartható az iontranszport, és a molekulaspecifikusság is megvalósul. Manapság Martin és Kohle tesz arra erőfeszítéseket, hogy immobilizálja a biokémiai molekulafelismerő hatóanyagokat, mint amilyenek többek között az enzimek, antitestek, más fehérjék és a 5
DNS. Ezek felhasználásával a nanocső belsejébe lényegében egy aktív biológiai szenzort készítenek, amivel még a gyógyszer elválasztás is megvalósítható, vagy elősegíti a szelektív biokatalízist. 3., Ultragyors DNS szekvenálás Branton és munkatársai egy elektromos-mezőt használtak fel, hogy különböző RNS és DNS polimereket vezessenek át egy α-hemolizin fehérje középső nanopórusának csatornáján, méghozzá egy lipid kettősrétegben. Így ez a szerkezet egy élő sejt falához hasonlít. Brandon először is megmutatta, hogy a naopórus nagyon gyorsan meg tudja különböztetni a pirimidin és purin szegmenseket, és ezeken keresztül egy egyszerű RNS molekulát a DNS lánctól, ha azok felépítése csupán egy bázispár sorrendben tér el. Manapság kutatásaik arra irányulnak, hogy speciális átmérőjű pórusokat készítsenek, méghozzá ismételhető geometriával és nagyfokú pontossággal. Szeretnék a DNS kettős-spirál szétnyílását minél jobban megérteni és fel is gyorsítani, ehhez az elképzelés a következő: egy DNS szálat elkezdenek keresztül húzni a póruson, majd elektromosan töltött elektródákat kötnek a pórusra, aminek az az előnye, hogy meggyorsítja a hosszirányú szétválást, lehetőleg egészen a DNS alap struktúrájáig. Abban az esetben, ha ez az eljárás megoldható lenne, akkor a nanopórus-alapú DNS szekvenáló eszközökkel akár a 1000 bázis/ mp sebességű olvasása a DNS-nek is megvalósítható lenne. 4., Fullerén- alapú gyógyszerészet A fullerének (focilabda-alakú 60 C atomból álló molekula) nagyon ígéretes anyagnak tűnnek a gyógyszerészet területén. Jó a biokompatibilitásuk és alacsony a toxikusságuk, még viszonylag nagy dózisoknál is. A fullerén alkotórészek vírusölő hatóanyagként is ismeretesek (főleg az AIDS vírussal szemben), antibakteriális hatóanyagok is (Escherichia Coli, Streptococus, tuberkolozis mikrobaktérium) valamint hasznos elemének bizonyultak a photodynamic antitumor, és rákellenes terápiáknak. Valamint antioxidáns, antipoptosis hatóanyag és így az izomsorvadás vagy a Parkison-kór gyógymódjai között szerepelnek. Kedvező tulajdonságaiknak köszönhetően lehet azonban sok más felhasználási lehetőség is. 5., Nanoshell -ek Halas és West kifejlesztett egy nanohártya felületet a gyógyszer célbajuttatására, amit nanoshell-nek neveztek el-dielekromos (arannyal bevont szilika) nanogömb, aminek az optikai rezonanciája az alkotó réteg relatív méretének paramétere. Ezek a nanoshell-ek 6
beágyazodnak egy gyógyszert (tumort megcélzó) tartalmazó hidrogél polimerbe, és utána a szervezetbe injekciózva, a tumoros sejtekhez el tud jutni. nanoshells_ani.gif Mikor egy infravörös lézerrel felmelegítik akkor minden nanoshell szelektíven abszorbeál speciális infravörös frekvenciát, felmelegítve ezzel a polimert és aktiválva a gyógyszer hasznos site-ját. A nanoshellek talán nagyon hasznosak lesznek a diabétesz gyógyításában isa beteg egy golyóstoll- méretű infravörös lézerrel felmelegíti a bőr azon részét, ahol a nanoshell-ek beinjekciózása történt, ezzel egy adag inzulint felszabadítva. A naponta többször történő injekciózás helyett így elegendő lenne ezt néhány havonta megtenni. 6., Egyszerű- vírus detektorok Lieber és csapata nem olyan régen publikálta egy eljárását a direkt, valós idejű elektromos detektálásának az egyszerűvírus részecskéknek, nagy szelektivitással. Mindehhez nanoszál FET tranzisztorokat használtak. A naoszálokon kötő és nemkötő helyek vannak, amelyek vírus antitestekkel modósítottak. Ezeknek a konduktanciáját mérve egyedi karakterisztikákat kapunk. Ezek a helyek detektálják a folyadékba juttatott vírusokat. Lieberék teszteteket végeztek ún. moleculary imprinted polimerekkel. A nanoszálakon a molekulák módosításával különböző vírusokra specifikus tömbök lettek kialakítva, mint például az influenza A, paramyxo- és adene-vírus. A detektor meg tudta különböztetni mind a három vírust, mivel mindegyik hozzákötődött a neki megfelelően módosított receptorhoz. Mivel mindegyik különböző ideig csatlakozik a receptorához ( különböző időkarakterisztika szerint) mielőtt kiszabadulna kötéséből, ezért elég kis kockázattal meg lehet állapítani, melyik vírus volt a folyadékban. 7., Tectodendrimerek A dendrimerek fa-alakú mesterséges molekulák néhány nanométeres átmérővel, melyeknek a szokásos elágazó struktúrája van. Baker és Tomalia kutatócsoportjai szintetizáltak többkomponensű nanoeszközöket, amelyeket tectodendrimereknek neveztek el. Ezeknek van egy egyszerű mag dendrimerjük, amikhez különböző módokon további 7
dendrimer molekulák csatlakoznak. A csatlakozó dendrimerek mindegyike különböző, és így létrejön egy ötletes terápiás nanoeszközök azáltal, hogy különböző funkciókat képesek ellátni. Sejtszintű rákterápia dendrimer alapú nanorészecskékkel A különböző dendrimerekből kombinációiból következően nagyon nagy számú tectodendrimer lehet, amik különböző funkciókat látnak el: a) Károsodott sejt felismerése b) A károsodás állapotának diagnosztizálása c) Gyógyszer célhelyre juttatása d) Helyzetjelentés a terápiáról e) Eredmény-jelentés a terápiáról Ezek a váz-struktúrák képesek megtámadni rákos sejteket, méghozzá specifikusan, tehát kifejleszthetők olyan dendrimerek, amik csak bizonyos rákos sejteket támadnak meg, míg a többi sejtet érintetlenül hagyják, tehát nem károsítják az egészséges sejteket. 8., Távírányítású biomolekulák Jacobson és munkatársai kifejlesztett egy apró rádiófrekvenciás (RF) 1,4 nm arany nanokristályok < 100 atom a DNS-hez. Mikor ~ 1GHz es RF mágneses teret vezetnek a 8
parány antennákba, ezzel a nanokristályokban egy pontosan lokalizált induktív melegítést előidézve. A melegítés hatására másodperceken belül elérhető az adott ponton a kettős-spirálú DNS lánc szétválása két szálra egy teljesen reverzibilis dehidratáció során, tehát a szomszédos molekulák érintetlenek maradnak. Ennek az eljárásnak a továbbfejlesztéseként az antennák beépíthetők lennének az élő szervezetekbe, és így a gének működése kontrolálható lenne a távvezérelt elektronikus kapcsolón keresztül. Az arany nanokristályokat fehérjékhez is hozzá lehet kötni, ami felveti annak a lehetőségét is, hogy elektromosan kontroláljunk komplexebb biológiai folyamatokat is. 9., Biológiai robotok A megtervezett bakteriális biorobotok 300 erősen összekapcsolt génből lettek előállítva (~ 150 000 nukleotid bázis), amit egy funkcionális mikroba minimális számú lehetséges genomja alakít ki. Gyógyszerekben használva ezek a mesterséges mikrobák kialakíthatók úgy, hogy olyan hasznos vitaminokat, enzimeket, hormonokat vagy citokineket termeljenek, amik az élő szervezett számára nagyon fontosak (vagy esetleg létfontosságúak is), de azt valami betegségből, vagy mérgezésből kifolyólag saját maga nem képes előállítani. A jövő gyógyászati nanorobotjai Hosszabb idő, talán 10-20 szükséges még, hogy a korai molekuláris gép rendszerek és nanorobotok csatlakozzanak az orvosi eszközök palettájához. A szerves építő anyagok (pl. fehérjék, polinukleotidok) nagyon jók az ön-felépítésben, de mégis feltételezhetően a legígéretesebb molekuláris gépezeteket az ún. diamondoid (diamond = gyémánt) anyagokból fogják előállítani, ami az ismert legerősebb alkotóelem. Sok technikai felfedezés szükséges azonban még addig, míg a gyógyászati nanorobotok valósággá válnak. 10., Respirocyte Egy példa a jövő eszközére a mesterséges mechanikai vörös vérsejt vagy respirocyte. Egy vérből-származó, gömbölyű, 1 mikrométeres diamondoid ellen tud állni a vérerekben lévő akár 1000 atmoszférás nyomásnak is (amit az endogén glükóz szérum által táplált aktív pumpa tart fenn). Ez a mesterséges sejt képes akár 236-szor több oxigént szállítani a szövetekhez, mint a természetes vörös vérsejt. Minden eszközön kívül található 9
egy gáz- koncentráció szenzor, ami tudatja a nanorobottal, mikor kell oxigént felvenni és szén-dioxidot leadni (a tüdőnél), vagy ennek a fordítottja (szöveteknél). 5mL-es 50% respirocyte-ot tartalmazó emulzió véráramba történő injekciózásának eredményeként képes megduplázódni a gáz-szállítás kapacitás egy felnőtt ember, kb. 5,4 l-nyi vérében. Az elsődleges felhasználása ezen találmányoknak lehet a transzfúzióval bejuttatható csere vér, gyógymódjaként az anemiának vagy a tüdő problémák esetén, tumor terápiákban és diagnosztikában. 11., Microbivores Egy mesterséges mechanikai mikroszkópikus méretű fehér vérsejt a microbivore. Elsődleges feladata, hogy elpusztítsa a mikrobiológiai kórokozókat, amik az emberi véráramban találhatóak, melyre két eljárást alkalmaznak. A magassági microbivore nanorobot 3,4 mikrométer átmérőjű a főátló mentén, míg a mellékátló mentén 2,0 mikrométer. 10
Melléklet 1., Sejtjavító rendszerek 11
12
Nanomedicinek némileg futurisztikus ábrázolásban Immunszerkezetek Artériatisztító 13
14
15
DNS javító 16
17
Modell fehérje (BSA) gyógyszer tartalmú mikrogömbök (14-15 mm átlagméret), mátrix jellegű nanostruktúrával, lineáris (egyenletes) leadási kinetikával. A hatóanyagrészecskék mérete kb. 4-500 nm) Hordozó PLA/PEEP (polietilén-foszfát) Léptékvonal: 20 mm Őssejtek bevitelére alkalmas PLGA mikrogömb felületi morfológiája. A porózus felületi textúra elősegíti a sejtek megtapadását és növekedését. Előállítás w/o/w dupla emulziós szolvent evaporációs módszer Léptékvonal: 20 mm 18
Peptid-gyógyszer tartamú PLGA mikrogömbök felületi és belső architektúrája, a hatóanyag kioldódása után. Réteges (héj/mag) felépítés és belül porózus nanostruktúra. Előállítás: w/o/w dupla emulziós - szolvent evaporációs technika Részecskeméret: 70-160 mm. Pórusméret: 3 1000 nm 19