Nanotechnologie, nanomedicine en ziekte

Nanotechnologie verwijst naar het gebruik van man-made van nano-grootte (meestal 1-100 miljardste meter) deeltjes voor industriële of medische toepassingen die geschikt zijn voor hun unieke eigenschappen. Fysische eigenschappen van bekende elementen en materialen kunnen veranderen aangezien hun oppervlak-tot-gebied-verhouding dramatisch toeneemt, i. e. wanneer nanoschaalgroottes worden bereikt. Deze wijzigingen vinden niet plaats wanneer u van macro naar microschaal gaat.

Veranderingen in fysieke eigenschappen, zoals colloïdale eigenschappen, oplosbaarheid en katalytische capaciteit, zijn zeer nuttig gevonden in gebieden van biotechnologie, zoals bioremediëring en geneesmiddelafgifte.

De zeer verschillende eigenschappen van de verschillende soorten nanodeeltjes hebben geleid tot nieuwe toepassingen. Bijvoorbeeld kunnen verbindingen die algemeen inerte materialen zijn, katalysatoren worden. De extreem kleine grootte van nanodeeltjes laat ze toe om cellen door te dringen en te communiceren met cellulaire moleculen. Nanoparticles hebben vaak ook unieke elektrische eigenschappen en maken uitstekende halfgeleiders en beeldvormende middelen. Door deze kwaliteiten heeft de wetenschap van nanotechnologie de afgelopen jaren afgenomen, met het testen en documentatie van een breed spectrum aan nieuwe toepassingen voor nanodeeltjes, met name in nanomedicine.

De ontwikkeling van nanotechnologieën voor nanomedische toepassingen is een prioriteit geworden van de National Institutes of Health (NIH).

Tussen 2004 en 2006 heeft het NIH een netwerk van acht Nanomedicine Development Centers opgericht, in het kader van het NIH Nanomedicine Roadmap Initiative. In 2005 heeft het National Cancer Institute (NCI) 144, 3 miljoen over 5 jaar voor haar programma "Alliantie voor Nanotechnologie in Kanker" toegewezen, die zeven centra of excellence for cancer nanotechnology financieren (Kim, 2007).

De financiering ondersteunt diverse onderzoeksprojecten op het gebied van diagnostiek, apparaten, biosensoren, microfluidica en therapeutica.

Onder de langetermijndoelstellingen van het NIH-initiatief zijn doelen zoals het gebruik van nanodeeltjes om kankercellen te zoeken voordat tumoren groeien, verwijderen en / of vervangen van "gebroken" delen van cellen of celmechanismen met miniatuur-, molecuul- grote biologische "machines", en gebruik soortgelijke "machines" als pompen of robots om medicijnen te leveren wanneer en waar nodig in het lichaam. Al deze ideeën zijn haalbaar op basis van de huidige technologie. We weten echter niet genoeg over de fysieke eigenschappen van intracellulaire structuren en interacties tussen cellen en nanodeeltjes, om op dit moment al deze doelstellingen te bereiken. Het hoofddoel van de NIH is het toevoegen van de huidige kennis van deze interacties en cellulaire mechanismen, zodat nauwkeurige ingebouwde nanodeeltjes geïntegreerd kunnen worden zonder nadelige bijwerkingen.

Veel verschillende soorten nanoparticles worden momenteel bestudeerd voor toepassingen in nanomedicine.Ze kunnen op koolstof gebaseerde skelet-type structuren zijn, zoals de fullerenen, of micelleachtige lipide-gebaseerde liposomen, die al in gebruik zijn voor talrijke toepassingen bij de drugsproductie en de cosmetische industrie.

Colloïden, typisch liposoom nanodeeltjes, geselecteerd voor hun oplosbaarheid en suspensie eigenschappen worden gebruikt in cosmetica, crèmes, beschermende coatings en vlekbestendige kleding. Andere voorbeelden van op koolstof gebaseerde nanodeeltjes zijn chitosan en alginaat gebaseerde nanodeeltjes, beschreven in de literatuur voor orale afgifte van eiwitten, en diverse polymeren die onderzocht worden voor insulineafgifte.

Extra nanodeeltjes kunnen worden gemaakt van metalen en andere anorganische materialen, zoals fosfaten. Nanoparticle contrastmiddelen zijn verbindingen die MRI- en ultrageluidresultaten verbeteren in biomedische toepassingen van in vivo beeldvorming. Deze deeltjes bevatten typisch metalen waarvan de eigenschappen dramatisch veranderd zijn op de nano-schaal. Gouden "nanoshells" zijn nuttig in de strijd tegen kanker, in het bijzonder zachte weefseltumoren, vanwege hun vermogen om straling op bepaalde golflengten op te nemen.

Zodra de nanoshells tumorcellen binnengaan en radiotherapie wordt toegepast, absorberen ze de energie en verwarmen ze genoeg om de kankercellen te doden. Positief geladen zilveren nanodeeltjes adsorberen op enkelstrengs DNA en worden gebruikt voor de detectie daarvan. Veel andere instrumenten en apparaten voor in vivo beeldvorming (fluorescentiedetectiesystemen), en om contrast te verbeteren in ultrasone en MRI-beelden, worden ontwikkeld.

Er zijn tal van voorbeelden van ziektebestrijdingsstrategieën in de literatuur, waarbij nanodeeltjes gebruikt worden. Vaak, met name in het geval van kankertherapieën, worden geneesmiddelafgifte-eigenschappen gecombineerd met beeldvormende technologieën, zodat kankercellen visueel kunnen lokaliseren tijdens behandeling. De overheersende strategie is om specifieke cellen te targeten door antigenen of andere biosensoren (bijvoorbeeld RNA-strengen) aan het oppervlak van de nanodeeltjes te koppelen die gespecialiseerde eigenschappen van de celwanden detecteren. Zodra de doelcel is geïdentificeerd, zullen de nanodeeltjes zich vasthouden aan het celoppervlak, of de cel binnenkomen, via een speciaal ontworpen mechanisme, en leveren zijn lading.

Eén van de medicijnen wordt afgeleverd, als de nanopartikel ook een beeldvormend middel is, kunnen artsen zijn voortgang volgen en is de verspreiding van de kankercel bekend. Dergelijke specifieke targeting en detectie zullen helpen bij de behandeling van late-fase gemetastaseerde kankers en moeilijk te bereiken tumoren en geven aanwijzingen voor de verspreiding van deze en andere aandoeningen. Het verlengt ook het leven van bepaalde geneesmiddelen die langer in een nanodeeltje gevonden zijn dan wanneer de tumor direct geïnjecteerd werd, omdat vaak drugs die in een tumor zijn geïnjecteerd, voor het effectief doden van de tumorcellen.

Een significante ontwikkeling in de behandeling van kanker was het koppelen van siRNA (kleine interfererende RNA) behandelingen met nanopartikelafgifte. In 1999 werd siRNA eerst beschreven als een nieuwe manier om eiwit expressie in cellen te remmen.Echter, de RNA-strengen werden vaak door cellulaire mechanismen vernietigd voordat ze hun doelen bereiken. Nanopartikels leveren de beschermings- en afleveringsmechanismen. SiRNA moleculen moeten doelweefsels bereiken.

Verscheidene bedrijven hebben al klinische proeven van nanoparticle-geleverde siRNA therapieën ingevoerd (Alper 2006).

Moleculaire zelfsamenstelling is het fenomeen waardoor moleculen spontaan samenvoegen in gedefinieerde stabiele formaties op basis van atoominteracties zoals waterstofbinding, hydrofobe en van der Waals-krachten. "Bottom-up" constructie van nanodeeltjes maakt gebruik van moleculaire zelf-assemblage om specifieke structuren te bouwen op basis van ons begrip van deze spontane formaties. Een toepassing hiervan is de specificiteit van Watson-Crick DNA base pairing te gebruiken om nucleïnezuren van bepaalde structuren te bouwen met specifieke toepassingen. In een andere nieuwe toepassing van moleculaire zelfsamenstelling, onder ontwikkeling in Zwitserland, worden porieproteïnen geïntroduceerd in nanodeeltjes tijdens het polymeersamenstel. De poriën worden in de oppervlakmatrix opgenomen, en hun opening en afsluiting geven de afgifte van geneesmiddelen specifiek aan bepaalde omgevingsomstandigheden (in dit geval pH-veranderingen) in de cel toe (Broz et al.,

2006). Poriën openen of sluiten vaak als ze reageren op pH, temperatuur of andere omgevingsfactoren. Gebruik van soortgelijke poriën in nanodeeltjes maakt het mogelijk specifieke leveringen of biosensoren onder specifieke cellulaire omstandigheden, bijvoorbeeld insulineafgifte wanneer de bloedsuikerspiegel een behoefte aanduidt.

Het is vaak wenselijk dat de nanodeeltjes op een of andere manier worden verwijderd of gemetaboliseerd, ideaal zonder toxische bijwerkingen.

De voordelen van het gebruik van nanodeeltjes zijn inderdaad dat toxische bijwerkingen van traditionele straling en chemotherapie kunnen worden vermeden, door alleen de tumor of ongezonde cellen te behandelen en het nabijgelegen gezond weefsel niet te beschadigen. Sommige nanodeeltjes worden verwacht dat ze relatief veilig zijn door hun neiging om eenmaal in cellen op te lossen, en sommige bestaan ​​uit materialen die al in gebruik zijn in biomedicine, zoals nanodeeltjes vervaardigd uit dezelfde polymeren als voor suturen (Bullis, 2006). Wat de aanpak betreft, zijn de voordelen van de levering van nanoparticles enorm en omvatten de verbeterde biologische beschikbaarheid van geneesmiddelen door specifieke organen, weefsels of tumoren te richten, waardoor de hoogste dosis geneesmiddel direct beschikbaar is waar nodig en vermindering van afval en kosten als gevolg van afbraak voorafgaand aan een drug die aan zijn doel stond.

Nanomedicine is een relatief nieuw gebied van biotechnologie, maar de mogelijkheden voor nieuwe therapieën en operaties om ziekten en ziekten zoals kanker te behandelen, lijken eindeloos. Het concept van nanorobots en celreparatiemachines is ook levensvatbaar en kan ooit zo vaak zijn als het nemen van een aspirine is vandaag.

_Bronnen:

Kim, 2007. Nanotechnologie platforms en fysiologische uitdagingen voor kankertherapie.

In de pers, doi. org / 10. 1016 / j. nano. 2006. 12. 002.

Alper, 2006, Nanoparticles en siRNA - Partners op de weg naar nieuwe kankertherapieën.NCI Alliantie voor Nanotechnologie in Kanker. // nano. kanker. gov / news_center / monthly_feature_2006_august. adder.

Broz et al. , 2006. Naar intelligente nanosize bioreactoren: Een pH-omschakelbare, kanaal uitgeruste, functionele polymeer nanocontainer. Nano Letters 6 (10): 2349-2353.

Bullis, 2006. Single-Shot Chemo. Technology Review. // www. technologyreview. com / read_article. aspx? ch = specialsections & sc = emergingtech & id = 16469.