Нанотехнологиите, манипулацията на материята в атомната и молекулярна среда, за да се създадат материали с изключително разнообразни и нови свойства, е бързо разширяваща се област на изследване с огромен потенциал в много сектори – от здравеопазването до конструкцията и електрониката. В медицината, тя обещава да революционизира доставката на лекарства, генната терапия, диагностиката и много области на изследване, развитие и клинично приложение.
Тази статия не се опитва да обхване цялото поле, но предлага чрез някои примери няколко прозрения в hownanotechnology има потенциала да промени лекарството, както в изследователската лаборатория, така и клинично, като същевременно се докосва до някои от предизвикателствата и опасенията, че тя повдига.
Какво представлява нанотехнологията?
Префиксът "нано" произлиза от древногръцката дума "джудже". В науката това означава една милиардна (10 до минус 9) нещо, така че нанометър (nm) е една милиард от метър, или 0.000000001 метра. Нанометърът е с ширина от три до пет атома или около 40 000 пъти по-малък от дебелината на човешката коса. Вирусът обикновено е с размери 100 nm.
Способността да манипулирате структури и свойства на наномащаба в медицината е като да имате подмикроскопична лабораторна пейка, върху която можете да боравите с клетъчни компоненти, вируси или части от ДНК, като използвате набор от миниатюрни инструменти, роботи и епруветки.
Манипулиране на ДНК
Терапиите, които включват манипулирането на отделни гени или молекулярните пътища, които влияят върху тяхното изразяване, се изследват все по-често като опция за лечение на заболявания. Една от най-търсените цели в тази област е способността да се налагат специални ремонти според генетичния състав на отделните пациенти.
Това създава необходимост от инструменти, които помагат на учените да експериментират и да развиват такива лечения.
Представете си например, че можете да разтегнете част от ДНК като направление спагети, за да можете да я изследвате или да работите върху нея, или да изграждате nanorobots, които могат да "ходят" и да извършват ремонт вътре в клетките. Нанотехнологията приближава този научен поток до реалността.
Например, учените от Австралийския национален университет успяха да свържат покрити латексови мъниста с краищата на модифицирана ДНК и след това с помощта на "оптичен капан", съдържащ фокусиран светлинен лъч, за да задържат перлите на място, те разтягаха веригата на ДНК за да се изследват взаимодействията на специфичните свързващи протеини.
Наноботите и наностарите
Междувременно химиците в Нюйоркския университет (Нюйоркски университет) са създали робот от наномащаба от ДНК фрагменти, който ходи на два крака с дължина 10 nm. В публикация от 2004 г., публикувана в списание Nano Letters, те описват как техният "наноалекар", с помощта на молекули на псориален, прикрепени към краищата на краката си, взема първите бебешки стъпки: два напред и два гърба.
Един от изследователите, Нед Шейман, каза, че той предвижда, че ще бъде възможно да се създаде молекулярна мащабна производствена линия, където да се премести една молекула до достигане на точното местоположение и един нанобот прави малко химици на него, – заваряване "на линията за акумулатори. Лабораторията на Сейман в Нюйоркската Ню Йорк също се стреми да използва нанотехнологията на ДНК, за да направи биочип компютър и да открие как биологичните молекули кристализират – област, която понастоящем е изпълнена с предизвикателства.
Работата, която свързват Сейман и колегите, е добър пример за "биомиметика", където с нанотехнологиите те могат да имитират някои от биологичните процеси в природата, като поведението на ДНК, да разработят нови методи и може би дори да подобрят.
ДНК базирани нанооботи се създават и за насочване на ракови клетки. Например, изследователи от Харвардското медицинско училище в САЩ съобщиха наскоро в "Наука" как са направили "ориами наноробот" от ДНК, за да пренасят молекулярно полезно натоварване. Барабанният нанобот може да носи молекули, съдържащи инструкции, които карат клетките да се държат по определен начин. В своето проучване екипът успешно демонстрира как модифицираните молекули предизвикват клетъчно самоубийство в левкемията и лимфомните клетки.
Nanobots, произведени от други материали, също са в процес на разработка. Например, златото е материалните учени в NorthwesternUniversity, които използват "наностар", прости, специализирани, звезда с форма на наночастици, които могат да доставят лекарства директно към ядрата на раковите клетки. В хартия в списанието ACS Nano те описват как наночастите, натоварени с наркотици, се държат като дребни стопани, които след като са привлечени от прекалено експресирания протеин на повърхността на човешките ракови клетки от рак на шийката на матката и яйчниците, депозират техния полезен товар в ядрото на тези клетки ,
Изследователите откриват, че дават на наноботите си формата на звезда, която е помогнала да се преодолее едно от предизвикателствата на употребата на наночастици, за да се получат лекарства: как точно да се освободят лекарствата. Те казват, че формата помага да се концентрират светлинните импулси, използвани за освобождаване на лекарствата точно в точките на звездата.
Нанофактории, които правят наркотиците на място
Учените откриват, че лекарствата на базата на протеини са много полезни, защото могат да бъдат програмирани да доставят специфични сигнали до клетките. Но проблемът с конвенционалната доставка на такива лекарства е, че тялото разрушава повечето от тях преди да достигнат целта си.
Но какво би станало, ако е възможно да се произвеждат такива лекарства на място, точно на целевия обект? Е, в неотдавнашен брой на NanoLetters, изследователи в Масачузетския технологичен институт в САЩ показват как може да се направи точно това. В основата на принципното изследване те демонстрират осъществимостта на самосглобяващите се "нанофактори", които приготвят протеинови съединения при поискване в целевите места. Досега те са тествали идеята при мишки чрез създаване на наночастици, програмирани да произвеждат или зелен флуоресцентен протеин (GFP), или луцифераза, изложена на ултравиолетова светлина.
Екипът на MIT излезе с идеята, докато се опитва да намери начин да атакува метастазирали тумори, тези, които растат от ракови клетки, които са мигрирали от оригиналния сайт до други части на тялото. Над 90% от смъртните случаи от рак се дължат на метастазиращ рак.Те сега работят върху наночастици, които могат да синтезират потенциални лекарства против рак, както и други начини за тяхното включване.
нановлакна
Нано влакна са влакна с диаметри по-малки от 1000 nm. Медицинските приложения включват специални материали за превръзки за рани и хирургически текстил, материали, използвани в имплантите, тъканно инженерство и изкуствени органови компоненти.
Наночастиците, изработени от въглерод, също имат обещание за медицински изображения и точни научни инструменти за измерване. Но има огромни предизвикателства, които трябва да се преодолеят, като един от основните е как да ги направят последователно с правилния размер. Исторически това е било скъпо и отнема много време.
Но миналата година изследователи от Държавния университет в Северна Каролина разкриха как са разработили нов метод за производство на въглеродни нанолаки със специфични размери. Писане в ACS Applied Materials & Interfaces през март 2011 г. те описват как успяват да растат въглеродни нанолаки еднакви в диаметър, като използват никелови наночастици, покрити с обвивка от лиганди, малки органични молекули с функционални части, които се свързват директно с метали.
Никелните наночастици са особено интересни, защото при високи температури те помагат да се развиват въглеродни нанолаки. Изследователите също установиха, че има друга полза при използването на тези наночастици, те биха могли да дефинират къде са нараснали наночастите и чрез правилното поставяне на наночастиците те биха могли да развият наночастиците в желания специфичен модел: важна характеристика за полезните материали.
Оловото е друго вещество, което се използва като нанофибър, доколкото Matthew MacEwan, който учи във Вашингтонската университетска школа по медицина в Сейнт Луис, започва своята собствена наномедицинска компания, насочена към революционизиране на хирургическата мрежа, която се използва в операционните зали по целия свят.
Продуктът от олово е синтетичен полимер, състоящ се от отделни нишки от нанолаки и е разработен за възстановяване на наранявания на мозъка и гръбначния мозък, но MacEwan смята, че може да се използва и за възстановяване на херния, фистули и други наранявания.
Понастоящем хирургическите отвори, използвани за ремонт на защитната мембрана, която покрива мозъка и гръбначния мозък, са направени от дебел и силен материал, с който трудно може да се работи. Оловото нишково око е по-тънко, по-гъвкаво и по-вероятно да се интегрира с тъканите на организма, казва МакЕван. Всяка нишка от нанофибърната мрежа е хиляди пъти по-малка от диаметъра на клетката на ангела. Идеята е да се използва материалът от нано влакна не само за да се улеснят операциите за хирурзите, но също така да има по-малко усложнения, защото се разпада естествено с течение на времето.
Изследователи от Политехническия институт на Нюйоркския университет (NYU-Poly) наскоро демонстрираха нов начин за извличане на протеини от makenanofibers. Писане наскоро в списанието "Advanced Functional Materials", изследователите казват, че са достигнали до намирането им почти случайно: те са изучавали някои цилиндрични протеини, получени от хрущял, когато те отбелязвали, че в големи концентрации някои протеини спонтанно се събират и се самоглобяват intonanofibers.
Те извършват допълнителни експерименти, като добавяне на метални разпознаващи аминокиселини и различни метали, и откриват, че могат да контролират образуването на влакна, да променят формата си и как се свързват с малки молекули. Например, добавянето на никел трансформира нишките в купчинки, които могат да се използват за задействане на освобождаването на прикрепена лекарствена молекула.
Учените се надяват, че този нов метод ще подобри значително доставянето на лекарства за лечение на рак, сърдечни заболявания и болестта на Алцхаймер. Те също така могат да видят приложения при регенериране на човешка тъкан, кост и хрущял, а дори и като начин за развитие на по-мощни и по-мощни микропроцесори за използване в компютрите и потребителската електроника.
Схематична илюстрация, показваща как наночастиците или други лекарства за рак могат да бъдат използвани за лечение на рак. Тази илюстрация е направена за ръководството на Opensource на нанонауката и нанотехнологиите
Какво за бъдещето и загрижеността около наноматериалите?
През последните години се наблюдава взрив в броя на проучванията, показващи разнообразието от медицински приложения на нанотехнологиите и наноматериалите. В тази статия сме забелязали само едно малко напречно сечение на това огромно поле. Въпреки това в целия диапазон съществуват значителни предизвикателства, най-големият от които изглежда е как да се увеличи производството на материали и инструменти и как да се намалят разходите и сроковете.
Но друго предизвикателство е как бързо да се осигури общественото доверие, че тази бързо разрастваща се технология е безопасна. И досега не е ясно дали това се прави.
Има хора, които предполагат, че притесненията относно нанотехнологиите могат да бъдат преувеличени. Те посочват факта, че само защото аматериалът е наноразтворен, това не означава, че е опасно, а наночастиците са били наоколо, тъй като Земята се е родила, настъпвайки естествено например във вулканичната пепел и морското пръскане. Като странични продукти от човешка дейност, те са присъствали от каменната ера, в дим и сажди.
От опитите да се изследва безопасността на наноматериалите, Националният институт по рака в САЩ казва, че има толкова много наночастици, които естествено присъстват в околната среда, че те са "често по-високи от порядъка на по-високи нива от инжектираните частици, които се оценяват". В много отношения те посочват, че "повечето инженерни наночастици са далеч по-малко токсични от продуктите за домашно чистене, инсектицидите, използвани за домашни любимци, и лекарствата за борба с пърхота", и че например при употребата на химиотерапевтици при лечение на рак , те са много по-малко токсични от лекарствата, които носят.
Може би повече в хранителната промишленост сме свидетели на някои от най-голямото разрастване на наноматериалите на търговско ниво. Въпреки че броят на храните, които съдържат наноматериали, все още е малък, изглежда се очаква да се промени през следващите няколко години, когато технологията се развива. Наноматериалите вече се използват за понижаване на нивата на мазнините и захарта, без да се променя вкусът, или за да се подобри опаковането, за да се запази по-дълго време храната или да се каже на потребителите дали храната е развалена. Те също така се използват за увеличаване на бионаличността на хранителните вещества (например в хранителните добавки).
Но има и заинтересовани страни, които подчертават, че макар скоростта на научните изследвания да се ускорява, и пазарът на наноматериали, изглежда, че не се прави достатъчно, за да се открият техните токсикологични последици.
Това е становището на Комитета за наука и технологии на Камарата на лордовете в британския парламент, който в скорошен доклад за нанотехнологиите и храната повдига няколко опасения относно наноматериалите и човешкото здраве, и по-специално риска от наноматериалите.
Например, една област, която се отнася до комитета, е размерът и изключителната мобилност на наночастиците: те са достатъчно малки, ако са погълнати, да проникнат в клетъчните мембрани на лигавицата на червата, с потенциал за достъп до мозъка и други части на тялото , и дори вътре в ядрата на клетките.
Друга е разтворимостта и устойчивостта на наноматериалите. Какво се случва, например, за неразтворимите наночастици? Ако те не могат да бъдат раздробени и разградени или разрушени, съществува опасност те да се натрупват и да повредят органи? Наноматериалите, съдържащи органични метални оксиди и метали, се смятат за най-вероятните рискове в тази област.
Също така, поради високото си повърхностно съотношение към масата, наночастиците са силно реактивни и могат например да предизвикат все още известни химически реакции или чрез свързване с токсини да им позволят да влизат в клетки, които иначе няма да имат достъп.
Например, с тяхната голяма повърхност, реактивност и електрически заряд, наноматериалите създават условия за това, което се дефинира като "агрегация на частици", дължащо се на физически сили и "агломерация на частиците", дължащо се на химическите сили, така че индивидуалните частици се събират, за да образуват по-големи. Това може да доведе не само до драстично по-големи частици, например в клетките вътре в клетките, но също така може да доведе до разпадане на натрупвания на наночастици, които могат радикално да променят своите физикохимични свойства и химическа реактивност.
"Такива обратими явления добавят към трудностите при неразбиране на поведението и токсикологията на наноматериалите", коментира комисията, чието цялостно заключение е, че нито правителството, нито научноизследователските съвети отдават достатъчно приоритет на изследването на безопасността на нанотехнологиите, особено "като се има предвид, Наноматериалите могат да бъдат разработени ".
Те препоръчват много повече изследвания, за да се гарантира, че регулаторните органи могат ефективно да оценят безопасността на продуктите, преди да бъдат разрешени на пазара.
Следователно, изглежда, дали действителното или възприетото, потенциалният риск, който нанотехнологията създава за човешкото здраве, трябва да бъде изследван и да бъде разглеждан като изследван. Повечето наноматериали, както предполага NCI, вероятно ще се окажат безвредни.
Но когато технологията се развива бързо, знанията и комуникацията за нейната безопасност трябва да вървят в крак, за да я направят преимущество, особено ако тя също така гарантира общественото доверие. Трябва само да погледнем какво се е случило и в някаква степен все още е все още с генномодифицирана храна, за да видим как това може да се окаже лошо погрешно.
Написано от Катарин Пандок, доктор
