Nanotechnologie in der medizin: riesiges potenzial, aber was sind die risiken?


Nanotechnologie in der medizin: riesiges potenzial, aber was sind die risiken?

Nanotechnologie , Die Manipulation von Materie auf atomarer und molekularer Ebene, um Materialien mit bemerkenswert vielfältigen und neuen Eigenschaften zu schaffen, ist ein schnell wachsendes Forschungsgebiet mit großem Potenzial in vielen Bereichen, von Gesundheit bis hin zu Bau und Elektronik. In der Medizin verspricht es, die Medikamentenabgabe, die Gentherapie, die Diagnostik und viele Bereiche der Forschung, Entwicklung und klinischen Anwendung zu revolutionieren.

Dieser Artikel versucht nicht, das ganze Feld zu decken, sondern bietet anhand einiger Beispiele einige Einblicke darüber, wie die Nanotechnologie das Potenzial hat, die Medizin sowohl im Forschungslabor als auch in der Klinik zu verändern und dabei einige der Herausforderungen und Bedenken zu berühren Dass es sich erhöht

Was ist die Nanotechnologie?

Das Präfix "Nano" stammt aus dem Altgriechischen für "Zwerg". In der Wissenschaft bedeutet es ein Milliardstel (10 bis minus 9) von etwas, also ein Nanometer (nm) ist ein Milliardstel Meter oder 0,000000001 Meter. Ein Nanometer ist etwa drei bis fünf Atome breit oder etwa 40.000 mal kleiner als die Dicke des menschlichen Haares. Ein Virus ist typischerweise 100 nm groß.

Die Fähigkeit, Strukturen und Eigenschaften an der Nanoskala in der Medizin zu manipulieren, ist wie eine submikroskopische Laborbank, auf der man Zellkomponenten, Viren oder DNA-Stücke behandeln kann, wobei eine Reihe von kleinen Werkzeugen, Robotern und Röhren verwendet wird.

Manipulieren von DNA

Therapien, die die Manipulation einzelner Gene oder die molekularen Wege beeinflussen, die ihren Ausdruck beeinflussen, werden zunehmend als eine Option zur Behandlung von Krankheiten untersucht. Ein sehr gezieltes Ziel in diesem Bereich ist die Fähigkeit, Behandlungen nach dem genetischen Make-up der einzelnen Patienten anzupassen.

Dies schafft einen Bedarf an Werkzeugen, die Wissenschaftlern helfen, solche Behandlungen zu erforschen und zu entwickeln.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass Sie einen Abschnitt von DNA wie einen Stab von Spaghetti ausstrecken können, also können Sie darauf untersuchen oder operieren oder Nanorobots erstellen, die "gehen" können und Reparaturen in Zellkomponenten durchführen. Die Nanotechnologie bringt diesen wissenschaftlichen Traum der Realität näher.

Zum Beispiel haben Wissenschaftler an der australischen Nationalen Universität geschafft, beschichtete Latexperlen an die Enden der modifizierten DNA anzubringen, und dann unter Verwendung einer "optischen Falle", die einen fokussierten Lichtstrahl umfasst, um die Perlen an Ort und Stelle zu halten, haben sie die DNA ausgedehnt Um die Wechselwirkungen von spezifischen Bindungsproteinen zu untersuchen.

Nanobots und Nanostars

Mittlerweile haben Chemiker an der New York University (NYU) einen nanoskaligen Roboter aus DNA-Fragmenten geschaffen, die auf zwei Beinen nur 10 nm lang laufen. In einer 2004 erschienenen Zeitung in der Zeitschrift Nano Briefe , Sie beschreiben, wie ihre "Nanowalker", mit Hilfe von Psoralen-Moleküle an den Enden der Füße befestigt, nimmt seine ersten Baby Schritte: zwei vorwärts und zwei zurück.

Einer der Forscher, Ned Seeman, sagte, er beabsichtige, dass es möglich sein wird, eine Molekül-Produktionslinie zu schaffen, wo man ein Molekül entlang bewegt, bis der richtige Ort erreicht ist, und ein Nanobot macht ein bisschen Chemie darauf, eher wie " Punktschweißen "auf einer Fahrzeugmontagelinie. Seeman's Labor bei NYU ist auch auf der Suche nach DNA-Nanotechnologie, um einen Biochip-Computer zu machen, und um herauszufinden, wie biologische Moleküle kristallisieren, ein Bereich, der derzeit voller Herausforderungen ist.

Die Arbeit, die Seeman und Kollegen machen, ist ein gutes Beispiel für "Biomimetik", wo sie mit der Nanotechnologie einige der biologischen Prozesse in der Natur nachahmen können, wie das Verhalten von DNA, um neue Methoden zu entwickeln und sie sogar zu verbessern.

DNA-basierte Nanobots werden auch erstellt, um Krebszellen zu zielen. Zum Beispiel berichteten Forscher an der Harvard Medical School in den USA vor kurzem in Wissenschaft Wie sie einen "origami nanorobot" aus der DNA gemacht haben, um eine molekulare Nutzlast zu transportieren. Der fassförmige Nanobot kann Moleküle tragen, die Anweisungen enthalten, die Zellen in einer bestimmten Weise verhalten. In ihrer Studie zeigt das Team erfolgreich, wie es Moleküle lieferte, die Zell-Selbstmord bei Leukämie und Lymphomzellen auslösen.

Nanobots aus anderen Materialien sind ebenfalls in Entwicklung. Zum Beispiel ist Gold die Materialwissenschaftler an der Northwestern University Verwendung, um "Nanostars", einfache, spezialisierte, sternförmige Nanopartikel zu machen, die Medikamente direkt an die Kerne von Krebszellen liefern können. In einer aktuellen Zeitung in der Zeitschrift ACS Nano , Beschreiben sie, wie drogenbeladene Nanostars sich wie winzige Tramper verhalten, die sich, nachdem sie an ein überexprimiertes Protein auf der Oberfläche menschlicher Zervix- und Eierstockkrebszellen angezogen wurden, ihre Nutzlast direkt in die Kerne dieser Zellen ablagern.

Die Forscher fanden ihre Nanobot die Form eines Sterns geholfen, um eine der Herausforderungen der Verwendung von Nanopartikeln, um Medikamente zu befreien: wie man die Medikamente genau zu lösen. Sie sagen, die Form hilft, die Lichtimpulse zu konzentrieren, die verwendet werden, um die Drogen genau an den Punkten des Sterns freizugeben.

Nanofactories, die Drogen machen Vor Ort

Wissenschaftler entdecken, dass Protein-basierte Medikamente sehr nützlich sind, weil sie programmiert werden können, um spezifische Signale an Zellen zu liefern. Aber das Problem bei der konventionellen Lieferung solcher Medikamente ist, dass der Körper die meisten von ihnen zerbricht, bevor sie ihr Ziel erreichen.

Aber was wäre, wenn es möglich wäre, solche Drogen zu produzieren vor Ort , Direkt am Zielort? Nun, in einer aktuellen Ausgabe von Nano Briefe , Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA zeigen, wie es möglich sein kann, genau das zu tun. In ihrem Nachweis der prinzipiellen Studie zeigen sie die Machbarkeit von selbstorganisierenden "Nanofactories", die Proteinverbindungen auf Anforderung an Zielstellen herstellen. Bisher haben sie die Idee in Mäusen getestet, indem sie Nanopartikel erstellen, die so programmiert sind, dass sie entweder grünes fluoreszierendes Protein (GFP) oder Luciferase, die UV-Licht ausgesetzt sind, produzieren.

Das MIT-Team kam mit der Idee zusammen, während er versuchte, einen Weg zu finden, um metastatische Tumore anzugreifen, diejenigen, die von Krebszellen wachsen, die von der ursprünglichen Seite zu anderen Körperteilen gewandert sind. Über 90% der Krebs-Todesfälle sind auf metastasierende Krebs zurückzuführen. Sie arbeiten jetzt an Nanopartikeln, die potenzielle Krebsmedikamente synthetisieren können, und auch auf anderen Weisen, sie einzuschalten.

Nanofasern

Nanofasern sind Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 1000 nm. Medizinische Anwendungen umfassen spezielle Materialien für Wundverbände und chirurgische Textilien, Materialien, die in Implantaten, Tissue Engineering und künstlichen Organkomponenten verwendet werden.

Nanofasern aus Kohlenstoff halten auch Versprechen für medizinische Bildgebung und präzise wissenschaftliche Messinstrumente. Aber es gibt große Herausforderungen zu überwinden, einer der wichtigsten, wie man sie konsequent von der richtigen Größe zu machen. Historisch gesehen war das kostspielig und zeitaufwändig.

Aber letztes Jahr, Forscher von North Carolina State University, zeigte, wie sie eine neue Methode für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanofasern von bestimmten Größen entwickelt hatte. Schreiben in ACS Applied Materials & Interfaces Im März 2011 beschreiben sie, wie es ihnen gelang, Kohlenstoff-Nanofasern gleichmäßig im Durchmesser zu wachsen, indem man Nickel-Nanopartikel mit einer Schale aus Liganden, kleinen organischen Molekülen mit funktionellen Teilen, die direkt an Metalle binden, beschichtet hat.

Nickel-Nanopartikel sind besonders interessant, denn bei hohen Temperaturen helfen sie, Kohlenstoff-Nanofasern zu entwickeln. Die Forscher fanden auch einen weiteren Vorteil bei der Verwendung dieser Nanopartikel, sie konnten definieren, wo die Nanofasern wuchsen und durch korrekte Platzierung der Nanopartikel konnten sie die Nanofasern in einem gewünschten spezifischen Muster wachsen: ein wichtiges Merkmal für nützliche nanoskalige Materialien.

Blei ist eine andere Substanz, die als Nanofaser Verwendung findet, so dass der Neurochirurg-Matthew MacEwan, der an der Washington University School of Medicine in St. Louis studiert, seine eigene Nanomedizin-Firma begann, die darauf abzielte, das chirurgische Netz zu revolutionieren Wird in den Theatern weltweit eingesetzt.

Das Bleiprodukt ist ein synthetisches Polymer, das einzelne Stränge von Nanofasern umfasst und wurde entwickelt, um Gehirn- und Rückenmarksverletzungen zu reparieren, aber MacEwan denkt, dass es auch verwendet werden könnte, um Hernien, Fisteln und andere Verletzungen zu verbessern.

Derzeit sind die chirurgischen Maschen, die verwendet werden, um die schützende Membran zu reparieren, die das Gehirn und das Rückenmark bedeckt, aus dickem und steifem Material hergestellt, das schwierig zu bearbeiten ist. Das Blei-Nanofasergewebe ist dünner, flexibler und eher mit dem körpereigenen Gewebe zu integrieren, sagt MacEwan. Jeder Faden des Nanofasergewebes ist tausendmal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Zelle. Die Idee ist, das Nanofaser-Material zu verwenden, nicht nur, um Operationen zu erleichtern, um Chirurgen durchzuführen, aber auch so gibt es weniger postoperative Komplikationen für Patienten, weil es natürlich im Laufe der Zeit zerbricht.

Forscher am Polytechnischen Institut der New York University (NYU-Poly) haben vor kurzem einen neuen Weg gezeigt, um Nanofasern aus Proteinen zu machen. Schreiben vor kurzem in der Zeitschrift Erweiterte Funktionsmaterialien , Die Forscher sagen, dass sie fast zufällig auf ihre Suche stießen: Sie studierten bestimmte zylinderförmige Proteine, die aus Knorpel gewonnen wurden, als sie bemerkten, dass in hohen Konzentrationen einige der Proteine ​​spontan zusammenkamen und sich selbst zu Nanofasern zusammensetzten.

Sie führten weitere Experimente durch, wie z. B. das Hinzufügen von Metall-erkennenden Aminosäuren und verschiedenen Metallen, und fanden, dass sie die Faserbildung kontrollieren, ihre Form verändern und wie sie an kleine Moleküle gebunden waren. Zum Beispiel, das Hinzufügen von Nickel verwandelte die Fasern in verklumpfte Matten, die verwendet werden könnten, um die Freisetzung eines angehängten Arzneimittelmoleküls auszulösen.

Die Forscher hoffen, dass diese neue Methode wird erheblich verbessern die Lieferung von Medikamenten zur Behandlung von Krebs, Herzerkrankungen und Alzheimer-Krankheit. Sie können auch Anwendungen in der Regeneration von menschlichem Gewebe, Knochen und Knorpel sehen, und sogar als eine Möglichkeit, kleinere und leistungsfähigere Mikroprozessoren für den Einsatz in Computern und Unterhaltungselektronik zu entwickeln.

Eine schematische Darstellung, die zeigt, wie Nanopartikel oder andere Krebsmedikamente zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden könnten. Diese Illustration wurde für das Opensource Handbook of Nanoscience und Nanotechnologie gemacht

Was ist mit der Zukunft und besorgt um die Nanomaterialien?

Die jüngsten Jahre haben eine Explosion in der Anzahl der Studien gezeigt, die die Vielfalt der medizinischen Anwendungen von Nanotechnologie und Nanomaterialien zeigen. In diesem Artikel haben wir nur einen kleinen Querschnitt dieses riesigen Feldes gesehen. Allerdings gibt es über die Bandbreite hinweg erhebliche Herausforderungen, von denen die grösste davon ausgehen, wie man die Produktion von Materialien und Werkzeugen vergrössert und wie man Kosten und Zeitskalen senken kann.

Aber eine weitere Herausforderung ist, wie man schnell das Vertrauen der Öffentlichkeit sichert, dass diese schnell wachsende Technologie sicher ist. Und so weit ist es nicht klar, ob das geschehen ist.

Es gibt diejenigen, die Bedenken über die Nanotechnologie vorschlagen, können übertrieben sein. Sie weisen darauf hin, dass gerade weil ein Material nanosiert ist, bedeutet das nicht, dass es gefährlich ist, ja Nanopartikel gibt es schon seit der Geburt der Natur, die natürlich in Vulkanasche und Seespray auftritt. Als Nebenprodukte der menschlichen Tätigkeit sind sie seit der Steinzeit in Rauch und Ruß vorhanden.

Von Versuchen, die Sicherheit von Nanomaterialien zu untersuchen, sagt das National Cancer Institute in den USA, dass es so viele Nanopartikel gibt, die natürlich in der Umgebung vorhanden sind, dass sie "oftmals in der Größenordnung höher sind als die entwickelten Partikel, die ausgewertet werden". In vieler Hinsicht weisen sie darauf hin, dass "die meisten Nanopartikel weit weniger giftig sind als Haushaltsreinigungsmittel, Insektizide, die auf Familienhaustieren verwendet werden, und Over-the-Counter-Schuppen-Heilmittel" und das zum Beispiel in ihrer Verwendung als Träger von Chemotherapeutika in Krebsbehandlung, sie sind viel weniger giftig als die Drogen, die sie tragen.

Es ist vielleicht mehr in der Lebensmittelbranche, dass wir einige der größten Expansion von Nanomaterialien auf kommerzieller Ebene gesehen haben. Obwohl die Anzahl der Lebensmittel, die Nanomaterialien enthalten, noch klein ist, scheint es sich in den nächsten Jahren zu ändern, wenn sich die Technologie entwickelt. Nanomaterialien werden bereits verwendet, um die Mengen an Fett und Zucker zu senken, ohne den Geschmack zu verändern, oder um die Verpackung zu verbessern, um das Essen länger frisch zu halten oder den Verbrauchern zu sagen, wenn das Essen verdorben ist. Sie werden auch verwendet, um die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen zu erhöhen (z. B. in Nahrungsergänzungsmitteln).

Aber es gibt auch betroffene Parteien, die das hervorheben, während das Tempo der Forschung beschleunigt und der Markt für Nanomaterialien sich ausdehnt, scheint es nicht genug zu sein, um ihre toxikologischen Konsequenzen zu entdecken.

Dies war die Auffassung eines Wissenschafts- und Technologieausschusses des House of Lords des britischen Parlaments, der in einem kürzlich erschienenen Bericht über Nanotechnologie und Lebensmittel mehrere Bedenken hinsichtlich der Nanomaterialien und der menschlichen Gesundheit, insbesondere des Risikos der aufgenommenen Nanomaterialien, aufwirft.

Zum Beispiel ist ein Bereich, der das Komitee betrifft, die Größe und die außergewöhnliche Mobilität von Nanopartikeln: Sie sind klein genug, wenn sie aufgenommen werden, um Zellmembranen der Auskleidung des Darms zu durchdringen, mit dem Potenzial, auf das Gehirn und andere Körperteile zuzugreifen, Und sogar innerhalb der Zellkerne.

Ein weiteres ist die Löslichkeit und Beharrlichkeit von Nanomaterialien. Was passiert z. B. bei unlöslichen Nanopartikeln? Wenn sie nicht abgebaut und verdaut oder abgebaut werden können, gibt es eine Gefahr, die sie ansammeln und die Organe beschädigen werden? Nanomaterialien, die anorganische Metalloxide und Metalle umfassen, werden als solche angesehen, die in diesem Bereich am ehesten ein Risiko darstellen.

Auch wegen ihres hohen Flächen-zu-Massen-Verhältnisses sind Nanopartikel hochreaktiv und können beispielsweise noch unbekannte chemische Reaktionen auslösen oder durch Toxine verkleben, damit sie in Zellen gelangen, an denen sie sonst keinen Zugang haben würden.

So erzeugen Nanomaterialien mit ihrer großen Oberfläche, Reaktivität und elektrischer Ladung aufgrund von physikalischen Kräften die Bedingungen für die sogenannte "Partikelaggregation" aufgrund von physikalischen Kräften und "Partikel-Agglomeration", so dass einzelne Nanopartikel zu einem größeren zusammenkommen Einsen. Dies kann nicht nur zu dramatisch größeren Partikeln führen, zum Beispiel im Darm und in den inneren Zellen, sondern könnte auch zu einer Disaggregation von Klumpen von Nanopartikeln führen, die ihre physikochemischen Eigenschaften und die chemische Reaktivität radikal verändern könnten.

"Solche reversiblen Phänomene ergänzen die Schwierigkeiten beim Verständnis des Verhaltens und der Toxikologie von Nanomaterialien", sagt der Ausschuss, dessen Schlussfolgerung ist, dass weder die Regierung noch die Forschungsräte genügend Priorität für die Erforschung der Sicherheit der Nanotechnologie haben, vor allem "unter Berücksichtigung der Zeitskala innerhalb Welche Produkte mit Nanomaterialien entwickelt werden können ".

Sie empfehlen viel mehr Forschung ist erforderlich, um "sicherzustellen, dass Regulierungsbehörden können effektiv beurteilen, die Sicherheit der Produkte, bevor sie auf den Markt erlaubt sind".

Es scheint also, ob aktuell oder wahrgenommen, das potenzielle Risiko, das die Nanotechnologie für die menschliche Gesundheit ausübt, zu untersuchen und zu untersuchen. Die meisten Nanomaterialien, wie die NCI vorschlägt, werden sich wahrscheinlich als harmlos erweisen.

Aber wenn eine Technologie schnell voranschreitet, müssen Wissen und Kommunikation über ihre Sicherheit Schritt halten, damit sie profitieren kann, vor allem, wenn es auch um das Vertrauen der Öffentlichkeit zu sichern ist. Wir müssen nur sehen, was passiert ist, und bis zu einem gewissen Grad ist noch passiert, mit genetisch veränderten Lebensmitteln zu sehen, wie das kann schlecht falsch gehen

NanoWebTalk: Größeneffekte in der Nanotechnologie - Prof. Dr. Axel Lorke (Video Medizinische Und Professionelle 2019).

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