Nanotechnologie v medicíně (přednáška pro budoucnost) Úvodem • Nanotechnologie v medicíně - definice: biomedicínská zařízení v měřítku 1 – 100 nm • Velmi multidisciplinární problematika • Příslib: – Nové metody pro prevenci, diagnózu a terapii – Denní screening zdravotního stavu (velmi rychlé „přístroje“ pro vyšetřování u lůžka pacienta - Point Of Care – POC) – Individuální přizpůsobení léčby pacientovi – Nové metody a materiály v laboratorní praxi • Dynamický vývoj • Původ slova nano můžeme dohledat v řeckém jazyce, kde νάνο znamená trpaslík Počátky... • 1959 R. Feynman (1918/88) - „There’s plenty room at the bottom“ (Dole je spousta místa) - přednáška přednesená na výročním zasedání American Physical Society poukazovala na možnosti manipulace s materiálem na molekulární úrovni Průkopníci ... Norio Taniguchi – Tokijská univerzita – 1974 poprvé použil termín nanotechnology – nanotechnologie Komerční sféra ... • Mezi prvotní průkopníky na poli výzkumu nanosvěta patří vzpomenout společnost IBM, která investovala nemalé finance do jeho rozvoje a komerčního využití. Průkopníci ... Nano... ve světě, vědě a článcích Počty odkazů na vědecké práce (články, knihy) v databázi SCIENCEDIRECT k datu 2011 x 2012 x 2013 x 2014 x 2015 x 2016 x 2017 x 2018, 2019, 2020, 2021, 2022 pro hesla: Nano – 151 x 209 x 244 x 262 x 251 x 272 x 313 x 406 x 461 x 529 x 600 x 681 tisíc Nanomaterials 23 x 35 x 37 x 47 x 64 x 71 x 85 x 101 x 121 x 147 x 174 x 208 tisíc Nanoparticles – 90 x 128 x 135 x 167 x 206 x 227 x 266 x 327 x 378 x 443 x 506 x 586 tisíc Brain - 1.148 x 1.286 x 1.378 x 1.419 x 1.380 x 1.433 x 1.510 x 1.612 x 1.688 x 1782 x 1.913 x 1.999 tisíc graf procentuálního nárůstu klíčových slov v porovnání s rokem 2011 Google k datu 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022 : Nanomaterials – 2 580, 5 230 , 4 720, 5 490, 4 990, 5 420 , 6 320, 15 000, 14 300, 23 900, 27 000, 120 000 tisíc Nanoparticles – 5 670, 12 500 , 11 600, 13 500, 12 800, 14 700, 17 000, 29 000, 38 200, 34 000, 48 1000, 165 000 tisíc Brain – 264 000, 649 000, 605 000, 557 000, 509 000, 526 000, 652 000, 958 000, 1 240 000, 960 000, 1 780 000, 4 510 000 tisíc Jak velký je nanometr? Definice nanotechnologie • Předmětem zájmu jsou objekty o velikosti menší než 100 nm • Schopnost manipulace a aktivního využívání těchto útvarů a jejich funkcí • Odlišné chování nanotechnologie oproti makrosvětu (kvantové jevy, atomární síly, chemické vazby, ...) http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=J15B8ce_BBo definice dle Medical Device Coordination Group (EU) • „nanomateriálem“ přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší výrobek nebo vyrobený materiál obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1 nm–100 nm;Fullereny, grafenové vločky a jednostěnné uhlíkové nanotrubice s jedním nebo více rozměry pod 1 nm se rovněž považují za nanomateriály; Definice nanomedicíny • je v současné době nejednotná • Dle US National Initiative je nanomedicína aplikací nanotechnologií v medicíně • Definice Europe Science Foundation je jednoznačnější a říká, že „polem působnosti nanomedicíny jsou věda a diagnostické technologie, léčba a prevence nemocí a zranění vedoucí k zmírnění bolesti, zachování a zlepšení lidského zdraví, pomocí nástrojů a znalostí molekulární úrovně lidského těla“. Nanosvět kontra makrosvět • Poměr povrchu ku objemu nanočástic se stává v případě zmenšování částic velmi velkým, díky tomu mají nanočástice dostatečný povrch vhodný pro chemické interakce s biomolekulami. (Bio) chemická reakční doba je v tomto případě mnohem kratší (snižuje se ostře s velikostí vzorku) a díky tomu mohou být např. analytické metody rychlejší a citlivější. • Velmi malá velikost snímací /aktivní/ části (makro- a mikro-) analytického zařízení, např. s nanoelektrodami či nanosenzory může vést k miniaturizaci zařízení. Menší zařízení umožňuje nižší invazivitu a výhledově může být dokonce implantováno v těle pacienta. Další výhodou je miniaturizace aktivní části až na úroveň molekuly, což umožňuje např. v případě biosenzorů provést analýzu ve velmi malém objemu vzorku biologického materiálu. To se stává klíčovým prvkem pro analýzu vzorků, které nejsou dostupné v dostatečném množství, příkladem mohou být např. některé biopsie. • Významnou roli z pohledu silového působení hrají v případě nanomateriálů kohezní síly (např. interakce vzorku se stěnami kapiláry, malé gravitační síly). Kategorizace nanomateriálů využívaných v medicíně a „bio-vědách“ dle autorů D.G. Thomas et al. / Journal of Biomedical Informatics 44 (2011) 59–74 Některé vybrané aplikace a konkrétní příklady nanomateriálů Nanoemulze • Jako nanoemulze jsou označovány disperzní soustavy tvořené kapalným disperzním prostředím a kapalným disperzním podílem, navzájem nemísitelným s velikostí disperzních kapiček pod 100 nm. • Takovéto nanokapičky (obvykle tuky, oleje) tvořící nanoemulzní soustavu mohou sloužit jako nosiče léčiv či jiných látek (např. vitamínů). Pozitiva – cílené doručení, zvýšená vstřebatelnost • Příprava nanoemulzí zejména působením ultrazvukového pole (např. ultrazvukový desintegrátor) či „pasírováním“ disperze přes piezoelektrické výbrusy s póry Nanoemulze Nanopouzdra, nanokuličky • Příkladem může být zlaté nanopouzdro, které je tvořeno kulovitou dutou skořápkou z izolantu obalenou vrstvičkou vodiče o tloušťce několika nanometrů. • Změnou tloušťky vrstvičky vodiče lze přesně ladit elektrické a optické vlastnosti nanopouzder, např. přinutit je absorbovat pouze určitou vlnovou délku světla – pak nastává vzrůst teploty. Nanopouzdra, nanokuličky: Lékařská aplikace –Fototermická ablace nádoru • Nanopouzdro je pokryto receptory, které se vážou na nádorové buňky. Nanopouzdra lze jednoduše injikovat do krevního řečiště. Jakmile se dostanou do nádoru, záření z blízké infračervené oblast je aplikováno přes kůži (není příliš absorbováno tkáněmi). Nanopouzdra absorbují IR a mění je s velikou účinností v teplo. Proto se teplota bezprostředního okolí nádorových buněk zvyšuje o 10-20 stupňů a buňky odumírají. Výhoda: nulová toxicita (na rozdíl od chemoterapie), žádné ionizující záření (jako při radioterapii). Nanopouzdra, nanokuličky ... O citlivosti nanokuliček na různé vlnové délky rozhoduje síla zlatého povlaku. Na obrázku jsou výsledky teoretických výpočtů Nanopouzdra, nanokuličky: Lékařské aplikace – Ramanovská spektroskopie jediné molekuly • Již delší dobu je známo, že ramanovský signál vzorku lze zesílit přídavkem koloidních částic. Nanopouzdra jsou koloidy a mohou zesílit ramanovský signál až 10^9x. Tímto způsobem lze analyzovat jednotlivé molekuly (např. látek znečišťujících životní prostředí, chemické nebo biologické toxiny a dokonce viry). • Výhoda: velmi vysoká citlivost, mnohočetnost stanovení (současné měření různých biomolekul), možnost provádět detekci v krvi nebo jiných biologických prostředích. DNA origami • 2D DNA origami. Kredit: Rothemund (2006) Nature. DNA nanopouzdra • Základem těchto struktur jsou dvojrozměrná „plátna“ tvořená řetězci molekul DNA. Na tuto matrix lze uchytit další vrstvu komplementárních vláken DNA a tímto tvořit reliéfní struktury. • Vhodnou kombinací komplementárních vláken DNA lze takovouto plošnou strukturu „poskládat“ např. do tvaru krychle s vnitřní dutinou. DNA nanopouzdra • DNA nanostructures with complex 3D curvatures. (A) Schematic representation of the hemisphere. (B) Schematic representation of the sphere. (C) Schematic representation of the ellipsoid. (D) TEM images of the hemisphere, randomly deposited on TEM grids. The concave surface is visible as a dark area. (E) TEM images of the sphere, randomly deposited on TEM grids. Due to the spherical symmetry, the orientation can not be determined. (F) TEM images of the ellipsoid. The outline of the ellipsoid is visible. Scale bar for the TEM images in (D), (E) and (F) is 50 nm. (G) Schematic representation of the nanoflask. (H) AFM images of the nanoflask. Scale bar is 75 nm. (I) TEM images of the nanoflask, randomly deposited on TEM grids. The cylindrical neck and rounded bottom of the flask are clearly visible in the images. Scale bar is 50 nm. • Han, D. et al. DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space. Science 332, 342–346 (2011). Dendrimery • Dendrimery jsou polymery globulárního tvaru tvořené větvícími se a opakujícími se jednotkami, které vycházejí z centrálního jádra (jako keřík či sněhová vločka). • Biodendrimery jsou dendrimery tvořené opakujícími se jednotkami, které jsou biokompatibilní nebo biodegradabilní in vivo na přirozené metabolity. • Dutiny nacházející se v dendrimerech mohou být využity jako vazebná místa pro menší molekuly – takto se dendrimer stává efektivním nano-nosičem, nano-nádobkou pro různé molekuly. Dendrimery: Lékařské aplikace – multifunkční nano-nosiče (‘platformy’) Dendrimer jako indikátor zánětu Metoda využití nanodendrimerů jako indikátoru zánětu je založena na faktu, že v místech, kde se začíná tvořit zánět, je přítomno zvýšené množství peroxidu vodíku Podstata detekce přítomného peroxidu vodíku spočívá ve vytvoření dendrimerů z biodegrabilních polymerů obsahujících také ester peroxalát. Uvnitř částice z polymeru jsou mikrokapičky flurescenční barvy (pentacen). Jakmile se nanočástice při svém putování dostane do prostředí, kde je peroxid vodíku, dojde k excitaci a barvička začne emitovat fotony. Rozsvícené částice lze pak snadno optickým zařízením detekovat. Fullereny (a nanotrubičky) • Molekuly tvořené uhlíkovými atomy ve tvaru duté koule, elipsoidu, trubičky nebo prstenu. • Válcovité fullereny se často nazývají nanotrubičky – CNT carbon nanotube. • Nejmenší fulleren je C[60] (tj. 60 C atomů)- objev 1985, • Uvnitř fullerenu mohou být uzavřeny jiné atomy, např. La@C[82] • SWNT - single walled nanotubes – nanotrubičky s jednoduchou stěnou – cca 1990 • MWNT - multiwall carbon nanotube – nanotrubičky s vícenásobnou stěnou Fullereny (a nanotrubičky) Tvorba trojrozměrných nanoútvarů není jen doménou uhlíku, tuto schopnost mají i jiné atomy, například molekuly nitridu bóru (BN). Tento materiál také vytváří obdobné útvary jako jsou uhlíkové trubičky, fullereny či prstence, včetně možného uzavření atomu jiného prvku do vytvořeného prostorového útvaru (v tomto případě atom). Fullereny a nanotrubičky: Lékařské využití • Prozatím ve většině případů ve stádiu zkoumání a pilotních studií • Katétry vyztužené uhlíkovými nanotrubičkami - jsou 5x pružnější než ocel, 100 x vyšší pevnost, 6 x nižší hmotnost než ocel • Na základě nanotrubiček připravené „studené“ katody (uvolňují elektrony bez potřeby termoemise). Změní konvenční technologii rentgenek, protože nepotřebují velký příkon a jsou mimořádně trvanlivé. Malé rentgenky využívající nanotrubiček budou použitelné pro intrakavitární terapii a brachyterapii. • Fulereny obsahující gadolinium jsou 5x účinnějšími kontrastními prostředky pro MRI ve srovnání s nyní používanými. • Multifunkční platformy: navázání specifických antibiotik na fullereny a jejich zacílení na rezistentní bakterie nebo nádorové buňky – přenašeče, cílené doručení léčiv. • Současné vědecké poznání hodnotí interakci fulereny/nanotrubičky – lidský organismus jako problematickou, z důvodu jejich možné (nevyvrácené) toxicity a v případě např. samostatných nanotrubiček s ohledem na jejich schopnost „napichování“ všech buněčných a subbuněčných struktur CNT – med. aplikace (budoucnost?) Hydroxyapatit vykrystalizovaný na podkladu z upravených nanotrubek (University of California, osel.cz) CNT – med. aplikace (budoucnost?) Antibakteriální účinky Výsledky studií ukazují, že povrchy ošetřené uhlíkatými nanostrukturami (fulereny, grafen) samy o sobě vykazují antibakteriální vlastnosti. Další možností využití uhlíkatých nanostruktur je jejich použití k úpravě povrchů (např. chirurgických nástrojů, vybavení sálů, ...) v součinnosti s enzymy. Navázáním nanotrubiček obohacených o molekuly enzymů na povrchy např. lékařských nástrojů dojde k zvětšení vlastního povrchu, což koresponduje se zvětšením množství molekul enzymu a větší pravděpodobností interakce enzym/bakterie a následné enzymatické degradaci bakterií. Cytostatická léčba Práce autorů Bhirde et al, Targeted killing of cancer cells in vivo and in vitro with EGF-directed carbon nanotube-based drug delivery, ACS Nano 3 (2009) popisuje využití nanotrubiček s vícenásobnou stěnou k cílené cytostatické léčbě, kdy principem je provázání cisplatiny a epidermálního růstového faktoru pomocí nanotrubiček a následná vazba tohoto komplexu na receptory růstového faktoru na nádorových buňkách – tj. plní funkci nosiče, stále nutnost obezřetnosti vzhledem k možnosti destrukce buněčných struktur CNT – med. aplikace (budoucnost?) Póry z uhlíkových nanotrubiček jako nástroj při hemodialýze? Steven Buchsbaum z amerických laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory a jeho tým však zjistili, že membrány obsahující póry z uhlíkových nanotrubiček, mohou být jak velmi selektivní, tak i pracovat velmi rychle. Jde o důsledek stále ne zcela jasných procesů, které na takových pórech probíhají v nanoměřítku. Objev by mohl mít dalekosáhlé důsledky v celé řadě technologií. Membrány s uhlíkovými nanotrubičkami by mohly urychlit a zlevnit procesy čištění proteinů a dalších biomolekul, stejně jako recyklaci cenných látek z roztoků elektrolytů. Mohly by se také uplatnit ve vývoji výkonných superkapacitorů s vysokou hustotou uložené energie. Velmi zásadní by mohlo být využití těchto membrán v medicíně. Měly by totiž umožnit zavedení ultrarychlé dialýzy, čímž by podstatně zlepšily kvalitu života pacientů, kteří jsou na této léčbě závislí. Nanotrubičky jako vodiče Grafen • uhlíkatý materiál, jehož jeden rozměr vyhovuje kritériím nanomateriálu Grafen - filtrace vrstevnatá struktura grafenu tvořící filtrační prostředí Uhlíkatá nanovlákna • uhlíkatá, el. vodivá, spletená nanovlákna sloužící k „přemostění“ zjizvené srdeční tkáně po infarktu a plnící funkci převodu elektrického signálu Nanopóry • Do biologie pronikají aplikace pórů o řádově nanometrovém průměru. Používají se pro regulaci toku iontů nebo molekul přes jinak neprostupné membrány buněk nebo organel. Nanopóry: Lékařské aplikace: sekvenování DNA • Při průchodu molekuly DNA přes nanopór, jednotlivé báze vedou k různě velkému poklesu procházejícího proudu a lze je proto identifikaovat. • Tento způsob sekvenování může revolucionizovat genomiku, protože sekvenování celé molekuly se stává otázkou sekund. • Jiné aplikace této techniky zahrnují separaci jednovláknové a dvouvláknové DNA v roztoku a určení délky biopolymerů. Nanokrystaly • Nanokrystal je krystalická částice s nejméně jedním rozměrem menším než 100 nm. • Polovodičové nanokrystaly s rozměrem pod 10nm bývají často označovány jako ‘kvantové tečky’. Kvantová tečka má diskrétní energetické hladiny, nikoliv spojité energetické spektrum jako větší pevná tělesa. Nanokrystaly Kvantové tečky – quantum dots • Shluky atomů tvořící monokrystalické pravidelné struktury • Jako kvantové tečky označovány též klastry atomů vytvořených na vhodném podloží (využití v elektronice, komunikačních technologiích, ...) • Diskrétní rozdělení energetických hladin • Vlastnost fluorescence – vlnová délka dle velikosti jádra kvantové tečky (závislé na ozáření elemag. polem) • Využití – mapování, imunoznačení, MRI kontrast Kvantové tečky – quantum dots Upkonverzní kvantové tečky Nanokrystaly : antibakteriální účinky • Struktura povrchu upraveného na úrovni nanostruktury. Horní povrch poskytuje kostním a vazivovým buňkám více prostoru pro uchycení a současně se zvětšením plochy pomocí materiálů se zlepšují antimikrobiální vlastnosti takto upravených materiálů. Spodní obrázek je povrch implantátů upravený stávající technologií. Stupnice je mikrometrech. (Obrázek: T.J. Webster, osel.cz) Nanokrystaly : tekuté sklo • „Tekuté sklo“ – surovinou je v tomto případě obyčejný křemičitý písek (oxid křemičitý) zpracovaný do podoby nanočástic, k nimž se do směsi přidává voda nebo etanol - podle povrchu, na který se zrovna tekuté sklo nanáší (např. pomocí spreje). Nic další už není potřeba, tekuté sklo se na místě aplikace drží pomocí fyzikálních sil fungujících v nanosvětě. • Sprej s tekutým sklem vytváří vodotěsnou vrstvu o síle zhruba 100 nanometrů, což představuje pouhých 15-30 molekul. • Tekuté sklo má mít velmi trvanlivé antibakteriální účinky. Působí antimikrobiálně, díky sníženému ulpívání mikrobů na takto ošetřeném povrchu. Kromě toho nanoskleněné povrchy odpuzují špínu i vlhkost a zdatně odolávají teplu, ultrafialovému záření nebo silným kyselinám (např. žaludeční, trávící trakt, ...). • Velmi slibně dopadl i roční test tekutého skla v nemocnici v Lancashire, kde používali chirurgické vybavení, implantáty, katetry, nitě k šití stehů i obvazy potažené tímto zajímavým nanomateriálem s výsledkem zvýšení antibakteriální ochrany Magnetické nanočástice • Magnetické nanočástice – charakterizovány magnetickým momentem μ a interakcí s vnějším magnetickým polem H • Přirozený výskyt magnetických nanočástic v přírodě – Magnetospirillum magnetotacticum – magnetit (organela magnetosom), včela, termiti, poštovní holub, delfín Využití v medicíně, biomedicíně: • transport / separace / imobilizace magnetických nanočástic či molekul s těmito částicemi konjugovaných pomocí vnějšího magnetického pole – separace DNA/RNA, cílené doručení léčiv • ohřev (přenos energie z vnějšího magnetického pole na magnetickou nanočástici) – např. magnetic intercellular hyperthermia pří nádorové léčbě • kontrastní zvýšení signálu MRI – např. kontrastní látka Resovist® (oxid železa obalený karboxydextranem) pro vyšetření jater Magnetické nanočástice Magnetické nanočástice: Teplotně řízený transport léčiva Magnetické nanočástice: Teplotně řízený transport léčiva Magnetické nanočástice: Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI • Magnetic resonance and fluorescence imaging of doxorubicin-loaded nanoparticles using a novel in vivo model, Ahmet Erten, Wolf Wrasidlo, Miriam Scadeng, Sadik Esener, Robert M. Hoffman, Michael Bouvet, Milan Makale, Pages 797-807, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 6 (2010) Magnetické nanočástice- léčba infekcí Publikováno NATURE 2014: Základem je modifikovaný protein - manózu vázající lektin (MBL). Ten je součástí přirozeného imunistního systému. Protein na sebe váže více jak 90 různých druhů patogenů a také toxiny které mrtvé bakterie uvolňují. Je rovněž spouštěčem imunitní reakce v případě sepse. Tímto proteinem vědci obalili nanokuličky z magnetického materiálu. Patogeny se na jejich povrchu přichycují. Magnetickým polem lze kuličky z krve vychytat a spolu s nimi i patogeny. Poté se vyčištěná krev do organismu zase vrací. (HIV, Ebola) Magnetické nanočástice - detoxikace • V případě otravy se nanočástice vstříknou do krevního oběhu, kde "sesbírají" toxické látky – pomocí specifické vazby skrze povrchovou úpravu nanočástic. Krev následně projde speciálně upraveným dialyzačním přístrojem, který z ní pomocí magnetu odstraní nanočástice i s toxickou látkou. Vedlejší účinky takové terapie údajně nehrozí. Silné magnetické pole podle dřívějších studií nemá na lidskou krev negativní efekt, a to i přesto, že krevní barvivo hemoglobin obsahuje ionty železa. Magnetické nanočástice • Přístroj T2 Biosystems T2Dx Instrument Funkce – detektor bakterií a hub způsobujících sepse organismu Ø proběhne PCR reakce, čímž se namnoží antigeny patogenů Ø do vzorku se přidají superparamagnetické nanočástice nesené molekulami, které se vážou na hledané antigeny Ø když je antigen přítomen, komplexy antigen-molekula se shlukují Ø shluky obsahující NPS ovlivňují transversální (spin-spin) relaxační čas T2 jader H v molekulách vody (NMR) Ø Rychlost, velká citlivost Nanovlákna • Rozměrově desítky až stovky nanometrů v průměru • Výroba – nejčastěji elektrohydrodynamickou atomizací roztoku polymeru – např. poly-caprolacton (biodegradabilní), chitosan, fibrogen, polyvinylalkohol, … – (přístroj electrospinner) • Možnost „uzavírání“ dalších látek a molekul do nitra nanovlákna -funkcionalizace Nanovláka Optická nanovlákna • Nanovlákno je vlákno o průměru řádově v nm (5-500). • Na obrázku: Světlovodné křemenné nanovlákno ovíjející se kolem vlasu vypadá jako světelný paprsek. Nanovlákna jsou pružná a mohou být tenčí než 50 nm, tisíckrát tenčí než vlas. • Jsou mnohem tenčí než nejmenší krevní kapiláry. To znamená, že nanovlákna v zásadě mohou být protažena krevním řečištěm do jakéhokoliv místa těla, aniž by došlo k ovlivnění normálního toku krve, výměny plynů nebo transportu živin přes stěny kapilár. Nanovlákna: Lékařské aplikace – Vyšetřování a terapie mozku (fantazie) • Svazek nanovláken (nanodrátků) je zaveden cévami do mozku. Zde se nanodrátky rozvětví do nejmenších cév. Každý z nich může být použit pro snímání elektrické aktivity jediného neuronu nebo jejich malé skupiny a tím umožnit přesně zjistit poškození plynoucí ze zranění nebo mozkové mrtvice, zjistit příčinu záchvatů a jiných mozkových abnormalit. Již delší dobu je známo a dnes i terapeuticky využíváno, že lidé trpící Parkinsonovou nemocí mohou pocítit zlepšení po přímém elektrickém dráždění zasažené oblasti mozku. Stimulace je však prováděna pomocí jehlových elektrod zaváděných přes lebku a mozkovou tkáň, což způsobuje zjizvení mozkové tkáně. Nanodrátky zaváděné cévami by mohly posloužit ke stejnému účelu bez nepříznivých vedlejších účinků. Nanovlákna: Lékařské aplikace – Molekulární čidlo znečištění prostředí • Ve srovnání s běžným optickým vláknem, které se jeví jako slabě stejnoměrně svítící čára, nanovlákna při velkém zvětšení vypadají jako posetá svítícími body nebo perličkami. Tento jev je způsoben tím, že drobné ulpívající částice prachu a nečistot způsobují rozptyl světla procházejícího vláknem. Tato citlivost k povrchové kontaminaci vedla k použití nanovláken jako molekulárních čidel. • Mohou být pokryta vazebnými místy pro různé molekuly vyskytující se v okolním prostředí. Pokud budou skutečně přítomny, spojí se s vazebnými místy a stanou se zdroji světla (necháme-li světlo procházet vláknem). Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor Robotický nanosvět Nature 2010 - Molecular robots guided by prescriptive landscapes – Lund et al. Autoři práce představili „nanopavouka“ z proteinu a DNA, který se dokáže pohybovat po trase předem naprogramované pomocí krátkých řetězců ss DNA. Nanopavouk má tělo z bílkoviny streptavidin. Přes biotin (vitamin H) jsou k němu navázány čtyři krátké jednovláknové úseky DNA/enzym, celková velikost nanopavouka 4 nm. Trajektorie dána kompatibilitou ss DNA řetězců podložky a ss DNA řetězců tvořících „končetiny“. Je tedy řízen povely: „start“, "změň směr" a „stop“ Robotický nanosvět Nature 2010 - A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line - Hongzhou et al Veřejnosti byl autory představen nanorobot (obdoba předešlého „nanopavouka“), realizovaný zkomponováním tří různých DNA struktur. Jeho jedinečnost spočívá v schopnosti přemístit z předem daného místa na předem dané místo až tři nanočástice zlata. Ke svému pohybu opět potřebuje matrici sestavenou z úseků ss DNA. Vzdálenost, kterou se tomuto kráčejícímu nanonosiči dosud podařilo překonat, nepřesáhla 200 nm. Robotický nanosvět Princip pohybu nanoauta (Rice University) Nanotechnologie v onkologii (1) (NPO – Nano Particle Oncology) Některé konkrétní z využívaných nanotechnologií v onkologii: • Zapouzdřené zlaté nanočástice – zlaté nanočástice zapouzřené např. polyaminoaminy. Modifikace pouzdra - na aminových skupinách obalu může být navázána např. kyselina listová. Tato má funkci zprostředkovatele cílené vazby na folátové receptory na buněčném povrchu některých nádorových buněk (např. epiteliální karcinom). Využití – fototermická ablace • Polymerové micely s cytostatikem – využití micel například jako nosičů cytostatik (adriamycin, doxorubicin), která jsou vázána v micelách pomocí pH senzitivních vazeb. Využití - cílené doručení a vyvázání léčiva lokální změnou pH • Oxidy kovů – nanočástice, obsahující feromagnetickou látku po vystavení časově proměnnému magnetickému poli výrazně zvyšuje svoji teplotu (teplotní změna při mag. hysterezy) – terapie hypertermií • Krystaly oxidu železa – zapouzdřené dextranem, na povrchu dextranového obalu modifikované peptidové řetězce, umožňující specifickou vazbu. Využití – onkologická diagnostika - kontrastní specificky se vázající látka pro MRI Nanotechnologie v onkologii (2) (NPO – Nano Particle Oncology) Popis nanomateriálů využívaných v onkologii z strukturního a funkčního hlediska – tři hlavní složky: • vlastní nanočástice • komponenty dotvářející nanočástici a ovlivňující celkové chemické vlastnosti • chemicky aktivní látky funkcionalizující nanočástici Další možný popis složek z hlediska: molekulární struktury, biochemické aktivity, existencí vzájemných chemickcýh vazeb, vzájemného prostorového uspořádání složek, tvaru a struktury, fáze (skupenství), fyzikálních a chemických vlastností, druhu aktivace/stimulace, druhu odpovědi/reakce na stimul Zdravotní rizika • Nanočástice jsou na rozdíl od větších částic schopny procházet biologickými membránami do buněk, tkání a orgánů. Mohou proniknout do krevního oběhu po nadechnutí nebo pozření. Přinejmenším některé z nich mohou pronikat kůží. Jakmile se ocitnou v krvi, mohou být transportovány tělem a zachycovány v orgánech nebo tkáních včetně mozku, srdce, jater, ledvin, sleziny, kostní dřeně apod. Mohou proniknout do mitochondrií nebo buněčného jádra. Studie prokázaly možnost vyvolání mutací DNA a vyvolání strukturálních změn v mitochondriích, vedoucích dokonce ke smrti buňky. • Nyní jsou na trhu stovky druhů spotřebního zboží obsahujících nanočástice, včetně kosmetiky, krémů na opalování, sportovního zboží, oděvů, elektroniky, výrobků pro děti a novorozence, potravin a obalů potravin. Titanium dioxide nanoparticles in food and personal care products, Weir A et al, Environ Sci Technol. 2012, 46 Průměrná dávka připadající na dospělého američana - 1 mg nano TiO[2] na jeden kilogram tělesné hmotnosti. Přibližně 5000 tun (5 000 000 kg) nano TiO[2] bylo použito v prostředcích pro osobní péči v roce 2010. EU …například… • KOMISE EVROPSKÝCH SPOLEČENSTVÍ, s ohledem na Smlouvu o založení Evropského společenství, a zejména na články 152 a 153 této smlouvy vydala rozhodnutí komise 2008/721/ES o zřízení poradní struktury vědeckých výborů a odborníků v oblasti bezpečnosti spotřebitele, veřejného zdraví a životního prostředí Zřízeny tři vědecké výbory: • Vědecký výbor pro spotřební zboží (VVSZ), • Vědecký výbor pro zdravotní a environmentální rizika (VVZER) • Vědecký výbor pro vznikající a nově zjištěná zdravotní rizika (VVVNZZR). • Poskytuje stanoviska v otázkách vznikajících nebo nově zjištěných zdravotních a environmentálních rizik a v obecných, komplexních nebo multidisciplinárních otázkách vyžadujících souhrnné posouzení rizik pro bezpečnost spotřebitele nebo veřejné zdraví, jakož i v souvisejících otázkách, kterými se nezabývají jiné subjekty Společenství pro posouzení rizik. …. nanotechnologie…. ČR Oblast nanotechnologií legislativně v souladu s EU řešena např. : Parlament České republiky, POSLANECKÁ SNĚMOVNA, 2008, 5. volební období, 294. USNESENÍ výboru pro evropské záležitosti ze 40. schůze konané dne 6. listopadu 2008 ke Sdělení Komise Evropskému parlamentu, Radě a Evropskému hospodářskému a sociálnímu výboru – regulační aspekty nanomateriálů /kód dokumentu 11010/08, KOM(2008) 366 v konečném znění/ …mimo jiné říká že …V ČR neexistuje národní program pro nanotechnologie a jejich využívání. Největším programem v této oblasti je výzkumný program Nanotechnologie pro společnost, který byl schválen usnesením vlády ČR č. 1006 ze dne 17. srpna 2005 na období 2006 – 2012 a který je realizován na půdě Akademie věd ČR. … Usnesení Evropského parlamentu ze dne 24. dubna 2009 o regulačních aspektech nanomateriálů (2008/2208(INI)) Zdravotní rizika …například… Silver nanoparticles as a safe preservative for use in cosmetics, Satoshi Kokura et al., Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 6 (2010) 570–574 Autoři této práce studovali účinky a působení stříbrných nanočástic v dermatologickém krému z hlediska baktericidního, fungicidního působení, jejich toxicity a průniku do tkáně. Výsledek studie: „In this study, the effects of recently synthesized Ag nanoparticles were investigated on microorganisms, along with the skin permeability and the cytotoxicity in human keratinocytes under UVB-irradiation. Ag nanoparticles were found to be verystable, showed sufficient preservation efficacy against mixed bacteria and mixed fungi, and did not penetrate normal human skin. Ag nanoparticles appear to be suitable for use as a preservative in cosmetics.“