Nanotechnologijos medicinoje: didziulis potencialas, bet kokia rizika?

Nanotechnologija, manipuliacija medziaga atomines ir molekulines mastu, siekiant sukurti medziagas su labai skirtingomis ir naujomis savybemis, yra sparciai besiplecianti moksliniu tyrimu sritis, kurioje yra didziulis potencialas daugelyje sektoriu, pradedant nuo sveikatos prieziuros iki statybos ir elektronikos. Medicinoje jis zada keisti narkotiku vartojima, genu terapija, diagnostika ir daugeli tyrimu, vystymo ir klinikines taikymo sriciu.
Siame straipsnyje nebandoma apibudinti viso lauko, taciau pateikiant keleta pavyzdziu pateikiama keletas izvalgu apie tai, kaip nanotechnologijos gali keisti medicina tiek moksliniu tyrimu laboratorijoje, tiek klinikoje, tuo pat metu kalbant apie kai kuriuos issukius ir rupescius tai kelia.

Kas yra nanotechnologija?

Priesdelis "nano" kiles is senoves graiku del "nykstuku". Moksle tai reiskia viena milijarda (nuo 10 iki minuso 9) kazka, taigi nanometras (nm) yra vienas milijardasis metras arba 0,000000100 metru. Nanometras yra mazdaug nuo triju iki penkiu atomu plocio arba mazdaug 40 000 kartu mazesnis uz zmogaus plauku stori. Paprastai virusas yra 100 nm dydzio.
Gebejimas manipuliuoti strukturomis ir savybemis nanoskaituose medicinoje yra toks, kaip submikroskopines laboratorijos stendo, kuriame galite tvarkyti lasteliu komponentus, virusus ar DNR gabalus, naudodami nedidelius irankius, robotai ir vamzdelius.

Manipuliuoti DNR

Terapijos, susijusios su atskiru genu manipuliavimu arba molekuliniu taku, turinciu itakos ju israiskai, vis dazniau tiriamos kaip galimybe gydyti ligas. Vienas labai norimas tikslas sioje srityje yra sugebejimas pritaikyti gydyma pagal atskiru pacientu genetine sudeti.
Tai sukuria poreiki naudoti priemones, kurios padeda mokslininkams eksperimentuoti ir tobulinti tokius gydymo budus.
Pavyzdziui, isivaizduokite, kad galite istiesti DNR seka, panasiai kaip spageciu sruoga, kad galetumete istirti ar veikti ant jo arba sukurti nanorobotus, kurie galetu "vaikscioti" ir atlikti remonta lasteliu komponentu viduje. Nanotechnologija priartina sia moksline svajone realybe.
Pavyzdziui, Australijos nacionalinio universiteto mokslininkai sugebejo priklijuoti latekso granules i modifikuotos DNR galus ir tada, naudojant "optine spastele", apimancia fokusuota sviesos spinduli, kad butu laikomos granules, jie istiese DNR siekiant istirti specifiniu risamuju baltymu saveika.

Nanobots ir Nanostars

Tuo tarpu Niujorko universiteto (NYU) chemikai sukure nanoskatu robota is DNR fragmentu, kurie vaziuoja dviem kojomis tik 10 nm ilgio. 2004 m. Leidinyje, paskelbtame zurnale Nano raides, jie apibudina, kaip ju "nanowalkeris" su psoraleno molekuliu, pritvirtintu prie koju galu, pagalba ima pirmuosius kudikio zingsnius: du priekinius ir du atgal.
Vienas tyrinetojas Ned Seemanas sake, kad jis numato sukurti molekuline masto gamybos linija, kurioje jus perkeliate molekule iki tinkamos vietos, o nanobotas siek tiek chemiskai dirba, o " vietoje surinkimas "ant automobilio surinkimo linijos. "Seeman" laboratorija NYU taip pat nori panaudoti DNR nanotechnologijas, kad sukurtu biochipo kompiuteri ir issiaiskintu, kaip kristalizuojasi biologines molekules - sritis, kuri siuo metu kyla issukiu.
"Seeman" ir jo kolegu atliktas darbas yra geras biomimetiku pavyzdys, kurio metu nanotechnologija gali imituoti kai kuriuos gamtos biologinius procesus, pvz., DNR elgesi, kurti naujus metodus ir net juos patobulinti.
DNR pagrindu pagaminti nanobotai taip pat yra sukurti siekiant nukreipti vezines lasteles. Pavyzdziui, mokslininkai Harvardo medicinos mokykloje JAV neseniai pranese Mokslas kaip jie padare "origami nanorobota" is DNR, kad butu transportuojama molekuline naudingoji apkrova. Lasteliu formos nanobot gali nesioti molekuliu, kuriose yra instrukciju, kurios lasteles elgiasi tam tikru budu. Savo tyrime komanda sekmingai demonstruoja, kaip ji pristate molekules, kurios sukelia lasteliu savizudybe leukemijos ir limfomos lastelese.
Taip pat kuriama nanoobuta, pagaminta is kitu medziagu. Pavyzdziui, auksas yra mokslininkai is Siaures vakaru universiteto, naudojami "nanostars", paprastiems, specializuotiems, zvaigzdziu formos nanodaleliams, kurie gali tiesiogiai tiekti vaistus vezio lasteliu branduoliams. Neseniai paskelbtame zurnale ACS Nano, jie apibudina, kaip narkotiku pakrautos nanostaros elgiasi kaip mazos autostopuokliai, kurie, pritraukdami pernelyg isreiksta baltyma zmogaus gimdos kaklelio ir kiausidziu vezio lastelese, deponuoja savo naudingaji krovini tiesiai i siu lasteliu branduolius.
Mokslininkai nustate, kad suteikdami nanobota zvaigzdes forma padejo iveikti viena is isbandymu, susijusiu su nanodaleliu panaudojimu narkotikams pristatyti: kaip tiksliai isleisti vaistus. Jie sako, kad forma padeda koncentruoti sviesos impulsus, naudojamus narkotiniu medziagu isleidimui tiksliai zvaigzdes taskuose.

Nanofaktoriai, kurie gamina vaistus In situ

Mokslininkai atranda, kad baltymu pagrindu pagaminti vaistai yra labai naudingi, nes jie gali buti uzprogramuoti konkretiems signalams pateikti i lasteles. Taciau tokiu narkotiku iprastines pristatymo problema yra tai, kad dauguma ju kuno pertraukia, kol jie pasiekia savo paskirties vieta.
Bet kas butu, jei butu imanoma gaminti tokius vaistus in situ, tiesiai i tiksline svetaine? Na, neseniai paskelbtame numeryje Nano raidesMasacusetso technologijos instituto (MIT) tyrejai JAV parode, kaip tai gali buti imanoma padaryti. Savo pagrindiniame tyrimo irodyme jie demonstruoja, kad yra galimybes savarankiskai surinkti "nanofaktorius", kurie pagal poreiki sukuria baltymu junginius tikslinese vietose. Iki siol jie isbande ideja pelems, sukure nanodaleles, kurios buvo paruostos gaminti zalia fluorescuojantiji baltyma (GFP) arba luciferaze, veikiama ultravioletineje sviesoje.
MIT komanda suprato ideja, bandydama rasti buda, kaip uzpulti metastazavusius navikus, tuos, kurie auga is vezio lasteliu, kurios migruoja is originalios svetaines i kitas kuno dalis. Daugiau kaip 90% vezio mirciu yra del metastazavusio vezio. Dabar jie dirba su nanodalelemis, kurios gali sintetinti galimus vezio vaistus, taip pat kitus budus, kaip juos ijungti.

Nano pluostai

Nanofilijos yra pluostai, kuriu skersmuo yra mazesnis nei 1000 nm. Medicinos srityse yra specialios medziagos, skirtos zaizdu padazams ir chirurginei tekstilei, implantuose naudojamoms medziagoms, audiniu inzinerijai ir dirbtiniams organu komponentams.
Nanofilijos, pagamintos is anglies, taip pat turi pazada medicininei vizualizacijai ir tiksliems moksliniams matavimams. Taciau yra didziuliu issukiu iveikti, viena is pagrindiniu is ju yra tai, kaip juos nuosekliai pritaikyti tinkamo dydzio. Istoriskai tai buvo brangus ir daug laiko.

Taciau praejusiais metais mokslininkai is Siaures Karolinos valstybinio universiteto atskleide, kaip jie sukure nauja metoda tam tikru dydziu anglies nanovamzdeliu gamybai. Rastu ACS taikomosios medziagos ir sasajos 2011 m. kovo men. jie apibudina, kaip jiems pavyko auginti anglies nanovamzdeliu vienoda skersmeni, naudojant nikelio nanodaleles, padengtas apvalkalu, pagamintu is ligandu, mazu organiniu molekuliu su funkcinemis dalimis, kurios tiesiogiai jungiasi su metalais.
Ypac idomios nikelio nanodaleles, nes esant aukstai temperaturai jie padeda auginti anglies nanovamzdelius. Tyrejai taip pat nustate, kad buvo naudinga naudoti sias nanodaleles, jie galejo nustatyti, kur isaugo nano pluostai, ir tinkamai isdestydami nanodaleles, jie galetu auginti nanofilus pageidaujamame specifiniame raste: svarbi naudinga nanoskaidrine medziaga.
Svinas yra kita medziaga, kuri naudojama nanofibbertu, todel, kad praejusi neurochirurga Matthew MacEwan, besimokantis Vasingtono universiteto medicinos mokykloje Sv. Luise, pradejo savo nanomedicinos imone, siekiancia revizuoti chirurgini tinkleli, kuris naudojamas operacijose visame pasaulyje.
Svino produktas yra sintetinis polimeras, sudarytas is atskiru nanovamzdeliu giju ir sukurtas siekiant istaisyti smegenu ir nugaros smegenu traumu suzalojimus, taciau MacEwan mano, kad taip pat gali buti naudojamas istaisyti isvarza, fistulas ir kitus suzalojimus.
Siuo metu chirurgines akys, naudojamos apsauginei membranai, apsauganciai smegenis ir nugaros smegenis, istaisyti yra pagamintos is storos ir standzios medziagos, su kuria sunku dirbti. "MacEwan" teigia, kad svino nanovamzdeliu tinklelis yra plonesnis, lankstesnis ir labiau linkes integruotis i kuno audinius. Kiekvienas nanofibro tinklelio sriegis yra tukstanciai kartu mazesnis nei vienos lasteles skersmuo. Ideja yra panaudoti nanofiltravimo medziaga ne tik operaciju atlikimui, bet ir pacientu komplikacijoms po operacijos, nes jis naturaliai suskaidomas laikui begant.
Tyrejai Niujorko universiteto Politechnikos institute (NYU-Poly) neseniai parode nauja buda, kaip nanofiberius pasalinti is baltymu. Neseniai rasau zurnale Isplestines funkcines medziagos, mokslininkai teigia, kad beveik atsitiktinai susidure su ju isvada: jie tyrineja tam tikrus cilindro formos baltymus, gautus is kremzles, pastebeje, kad kai kuriose baltymu koncentracijose spontaniskai susirinko ir susirinko i nanofiltravimus.
Jie atliko papildomus eksperimentus, pvz., Metalo pripazistanciu aminorugsciu ir skirtingu metalu pridejima, nustate, kad jie gali kontroliuoti pluosto formavima, keisti jo forma ir kaip ji prisitaiko prie mazu molekuliu. Pavyzdziui, pridejus nikeli, pluostai paverciami skiltelemis, kurios gali buti naudojamos sukelti pridetos vaisto molekules issiskyrima.
Mokslininkai tikisi, kad sis naujas metodas zymiai pagerins vaistu, skirtu veziui gydyti, sirdies susirgimams ir Alzhaimerio liga, gydyma. Jie taip pat gali matyti pritaikymus zmogaus audiniu, kaulu ir kremzliu regeneravimui, ir net kaip buda sukurti tinierius ir galingesnius mikroprocesorius, naudojamus kompiuteriuose ir plataus vartojimo elektronikoje.

Schematiskai parodyta, kaip nanodaleles ar kiti vezio vaistai gali buti naudojami veziui gydyti. Si iliustracija buvo padaryta Opensource Nanomokslu ir nanotechnologiju vadove

Kokia ateitis ir susirupinimas aplinkiniais nanomedziagomis?

Pastaraisiais metais sparciai isaugo tyrimu skaicius, parodantis ivairius nanotechnologiju ir nanomedziagu medicininius pritaikymus. Siame straipsnyje mes apzvelgeme tik maza sio didziojo lauko skerspjuvi. Vis delto yra dideliu issukiu, kuriu didziausias is ju matyti, kaip isplesti medziagu ir priemoniu gamyba ir kaip sumazinti islaidas bei terminus.
Taciau dar vienas issukis yra tai, kaip greitai uztikrinti visuomenes pasitikejima, kad si sparciai besiplecianti technologija yra saugi. Ir kol kas nera aisku, ar tai daroma.

Yra tu, kurie teigia, kad susirupinimas del nanotechnologiju gali buti per daug isprovokuotas. Jie atkreipia demesi i tai, kad vien del to, kad medziaga yra nanozolizuota, tai nereiskia, kad tai yra pavojinga, is tiesu, kai nanodaleles prasidejo nuo Zemes gimimo, pavyzdziui, naturaliai atsiradusi vulkaniniai pelenai ir juros purskimas. Kaip zmogaus veiklos salutiniai produktai jie buvo akmens amziuje, dumu ir suodziu.
Is bandymu istirti nanomedziagu sauguma JAV Nacionalinis vezio institutas teigia, kad aplinkoje naturaliai yra tiek daug nanodaleliu, kad jos "dazniausiai yra aukstesnes laipsnio nei ivertintos inzinerijos daleles".Daugeliu atzvilgiu jie nurodo, kad "dauguma inzinieriniu nanodaleliu yra zymiai maziau toksiskos nei buitiniai valymo produktai, insekticidai, naudojami seimos gyvunams augintiniams ir beprotiski pleiskanu vaistai", ir kad, pavyzdziui, jie naudojami kaip chemoterapijos nesejai vezio gydymas, jie yra daug maziau toksiski, nei ju vartojami vaistai.
Galbut maisto sektoriuje galime pastebeti didziausia nanomedziagu ispletima komerciniu lygmeniu. Nors maisto produktu, kuriu sudetyje yra nanomedziagu, skaicius vis dar mazas, atrodo, kad per keleta ateinanciu metu tai pasikeis, kai technologija vystysis. Nanomedziagos jau naudojamos mazinti riebalu ir cukraus kiekius, nepakeiciant skonio, arba tobulinti pakuotes, kad maisto produktai butu sviezi ilgiau, arba pasakyti vartotojams, ar maistas yra sugadintas. Jie taip pat naudojami maistiniu medziagu (pvz., Maisto papilduose) biologinio isisavinimo padidinimui.
Taciau yra ir susirupinima kelianciu saliu, kurios pabrezia, kad nors moksliniai tyrimai sparciai auga, o nanomedziagu rinka pleciasi, atrodo, kad ju toksikologiniu pasekmiu atskleidimas nepakankamas.
Tai buvo Didziosios Britanijos parlamento rumu mokslo ir technologiju komitetas, kuris neseniai paskelbtoje nanotechnologiju ir maisto produktu ataskaitoje kelia keleta susirupinima del nanomedziagu ir zmoniu sveikatos, ypac del nenuosekliu nanomedziagu keliamos rizikos.
Pavyzdziui, viena sritis, susijusi su komitetu, yra nanodaleliu dydis ir isskirtinis mobilumas: jie yra pakankamai mazi, jei jie yra nuryti, prasiskverbti i zarnyno gleivines membranas, galintys patekti i smegenis ir kitas kuno dalis ir net viduje lasteliu branduoliu.
Kitas yra nanomedziagu tirpumas ir patvarumas. Kas atsitinka, pavyzdziui, i netirpstancias nanodaleles? Jei jie negali buti suskaidyti ir virskinti ar pazeisti, ar yra pavojus, kad jie kaupsis ir pazeis organus? Manoma, kad nanomedziagos, kuriu sudetyje yra neorganiniu metalu oksidu ir metalu, labiausiai tiketinos sioje srityje.
Be to, del savo didelio pavirsiaus ploto ir mases santykio nanodaleles yra labai reaktyvios ir gali, pavyzdziui, sukelti dar nezinomas chemines reakcijas arba suklijuoti su toksinais, leisti jiems patekti i lasteles, kurias jie kitu atveju neturetu.
Pavyzdziui, del savo dideles pavirsiaus ploto, reaktyvumo ir elektros kruvio nanomedziagos sukuria salygas, vadinama "daleliu agregacija" del fiziniu jegu ir "daleliu aglomeracijos" del cheminiu jegu, todel atskiros nanodaleles sujungiamos i didesne vieni. Tai gali sukelti ne tik zymiai didesnes daleles, pavyzdziui, zarnyne ir lastelese, bet taip pat gali paskatinti nanodaleliu daleliu suskaidyma, kuris gali radikaliai pakeisti ju fizikines ir chemines savybes bei chemini reaktyvuma.
"Tokie griztami reiskiniai padidina sunkumus suprasti nanomedziagu elgsena ir toksikologija", - sako komitetas, kurio bendra isvada yra ta, kad nei Vyriausybe, nei moksliniu tyrimu tarybos nepakankamai demesio skiria nanotechnologiju saugos moksliniams tyrimams, ypac "atsizvelgiant i terminus per kurie gaminiai, kuriuose yra nanomedziagu, gali buti pletojami ".
Jie rekomenduoja daug daugiau moksliniu tyrimu, kad "uztikrintu, jog reguliavimo agenturos galetu veiksmingai ivertinti produktu sauga, kol jie pateks i rinka".
Todel turetu buti istirta, ar faktine ar suvokiama potenciali nanotechnologijos rizika zmoniu sveikatai, ir turetu buti istirta. Kaip rodo NCI, dauguma nanomedziagu greiciausiai pasirodys nekenksmingos.
Taciau, kai technologija sparciai vystosi, zinioms ir komunikacijai apie jos sauguma reikia sparciai siekti, kad ji galetu pasinaudoti, ypac jei taip pat siekiama uztikrinti visuomenes pasitikejima. Turime tik pazvelgti i tai, kas nutiko ir tam tikru mastu vis dar vyksta, genetiskai modifikuotu maistu, kad suzinotumete, kaip tai gali buti blogai klaidinga.
Parase Catharine Paddock, PhD