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 Nobel-

díjas 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 Sejt szimulációk és sejt diagnosztika Nanorészecske bevonatok Sejt chipek Nanokristály anyagok Sejt szimulátorok nanoszerkezetű anyagok DNS módosítás, szekvenálás, diagnosztika Gyűrűs peptidek Genetikai tesztelés Dendrimerek DNS mikrotömbök Méregtelenítő hatóanyagok Ultragyors DNS szekvenálás Fullerének DNS módosítás és kontrollálás Funkcionális gyógyszer hordozók MRI vizsgálat (nanorészecskék) Eszközök és diagnosztika Nanovonalkódok Baktérium felismerő rendszerek Nanoemulziók Biochipek Nanorostok Biomolekuláris képfeldolgozás Nanorészecskék Bioszenzorok és biodetektálás Nanotölcsér Diagnosztika és megelőzés Szén nanocsövek Endoszkóp robotok és mikroszkópok Nemszén nanocsövek Fullerén-alapú szenzorok Kvantum pontok Képfeldolgozás

Laboratórium egy chipen Mesterséges kötőhelyek Megfigyelés Mesterséges antitestek Nanoszenzorok Mesterséges enzimek Fehérje mikrotömbök Radiopharmaceuticalok Mesterséges receptorok Felületszabályozás Sejten belüli eszközök Mesterséges felületek—adhéziós Sejten belüli vizsgálat Mesterséges felületek—nemadhéziós Sejten belüli bioprogramozás Mesterséges felületek—irányított Sejten belüli szenzorok Biokompatibilis felületek Implantátumok sejtekbe Biofilm bevonatok Megtervezett felületek BioMEMS Vékony-réteg bevonatok Beültethető anyagok és eszközök Beültethető bioMEMS, chipek, és elektrodák

MEMS/nanoanyag-alapú protézisek Érzékelők segédeszköze(mesterséges retina)

Nanopórusok Mikrotömbök Immun-izoláció Mikrokonzol-alapú szenzorok Molekuláris szűrők és csatornák Mikrofolyadékok Nanoszűrő membránok Mikrotűk Nanopórusok Gyógyászati MEMS Elválasztók MEMS sebészeti eszközök Biológiai kutatások Nanobiológia Nanotudomány

3

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 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 Parkinson-

kór 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 molekula-

felismerő 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 is-

a 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

13

Artériatisztító

14 14

15

16

DNS javító

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