Nanotechnologia PDF
Document Details
Uploaded by SplendidMookaite
Tags
Summary
This document details nanotechnology, covering topics like methods of manufacturing nanostructures, nanomaterials in medicine, nanocarriers, and therapies. It provides an overview of nanomaterials and their applications in different medical settings, with a focus on their use as drug delivery systems. The document's structure makes it suitable for an undergraduate course in nanotechnology or a related field.
Full Transcript
Wykład 9 Nanotechnologia Projektuje, otrzymuje i stosuje technologie w skali nano (co najmniej 1 wymiar od 1 do 100nm) Metody wytwarzania nanostruktur: - TOP-DOWN: materiały istniejące -> rozdrabnianie, siły mechaniczne, emulgacja, ultradźwięki, mikrofluidyz...
Wykład 9 Nanotechnologia Projektuje, otrzymuje i stosuje technologie w skali nano (co najmniej 1 wymiar od 1 do 100nm) Metody wytwarzania nanostruktur: - TOP-DOWN: materiały istniejące -> rozdrabnianie, siły mechaniczne, emulgacja, ultradźwięki, mikrofluidyzacja (dynamiczna zawiesina) -> produkty I generacji - BOTTOM-UP: atomy -> Procesy chemiczne: strącanie, nanoszenie reagentów, synteza w war. Hydrotermalnych, hydroliza i kondensacja reagentów, kondensacje w fazie ciekłej lub gazowej -> agregacja -> nanokrystalit (powstaje w układzie ciało stałe-gaz, ciało stałe-ciecz, całoobjętościowa przemiana fazowa) -> produkty II generacji Metoda wpływa na właściwości nanomateriału Nanocząstki w medycynie Nośniki leków np. przeciwnowotworowych (chemioterapia, radioterapia, terapia fotodynamiczna, termiczna). Przykłady: - Liposomy – dwuwarstwa lipidowa otaczająca lek w wodzie, często otoczony biopolimerem (wzrost biodostępności i farmakokinetyki). Ze stałych lipidów, nietoksyczna alternatywa dla stosowanych aktualnie metod. Działanie uwalniania: np. rozpad przez niskie pH mikrośrodowiska nowotworu. Nowotwory piersi, jajnika, szpiczak mnogi, mięsak Kaposiego. Przykład leku: cytostatyczny antybiotyk doksorubicyna (mięsaki tkanek miękkich, z tkanek kostnych, chłoniaki, ostra białaczka limfoblastyczna, szpikowa, rak tarczycy, piersi, jajnika) - Nanoczastki polimerowe – zwiększają wydajność transportu do docelowych komórek -> spadek toksyczności. Przenikają przez błony. Lek jest stabilniejszy, jest dłużej w krążeniu. Np. paklitaksel – polimer kwasu glutaminowego (niedrobnokomórkowy rak płuca, rak jajnika). Mogą opłaszczać liposomy, dendrymery, nieorganiczne makrocząstki (np. glikol polietylenowy -> ochrona nanocząstki przed usunięciem -> przekroczenie barier biologicznych). Leki zamykane przez enkapsulację (fizyczne), połączenie kowalencyjne (chemiczne). Wysoka stabilność, biokompatybilność. Rozpuszcza się w nich słabo rozpuszczalne leki - Micele polimeryczne – amfifilowe kuliste struktury z hydrofobowego rdzenia (rezerwuar leku) i hydrofilowej otoczki (stabilizuje rdzeń, nadaje im rozpuszczalność w wodzie). Cechy, działanie i zamykanie leków podobne jak w nanoczastkach polimerowych - Nanorurki węglowe – otwarte lub zamknięte cylindry, jednowarstwowe lub wielowarstwowe, zygzakowate, skrętne etc.. Ciała stałe, mała gęstość. Wytwarzane przez powolną kondensację par atomów węgla. Warstwy grafenowe -> cylindry. Przenikają przez błony, przenoszą małe czastki lub biologiczne makrocząstki. Lek łączy się z nimi wiązaniami kowalencyjnymi (np. baksytaksel), niekowalencyjną adsorpcją (np. doksorubicyna). Wydłużają czas krążenia kompleksu -> wzrost kumulacji w obszarze guza -> sukces. - Dendrymery – trójwymiarowe polimery, kuliste, struktura z rdzeniem, wnętrzem i powierzchnią. Giętkie, zmienny kształt i rozmiar. Leki zwykle umieszczane we wnętrzu (enkapsulacja – wiązania wodorowe, kompleksacja – wiązania kowalencyjne). Na powierzchni aktywne grupy terminalne – przyłączanie receptorów, ligandów, czasem też leków, można je modyfikować (zmiana właściwości i aktywności). Np. poliamidoaminowe, polipropylenoiminowe, karbokrzemowe. Efekt dendrymeryczny – właściwości zmieniane w zależności od budowy, dodatnie lub ujemne (wzmocnienie lub osłabienie), np. wzmocnienie przez wzrost ilości grup terminalnych. Zmniejszają toksyczność leku, zwiększają jego rozpuszczalność i biodostępność. Powinny mieć duże powinowactwo do struktur, być nietoksyczne, nieimmunogenne, przekraczać bariery biologiczne, mieć odpowiedni czas półtrwania. Np. polimer poliamidoaminowy z kamptotecyną (inhibitor topoizomerazy-1) -> wzrost rozpuszczalności, podwyższenie aktywności przeciwnowotworowej (ale duże działanie niepożądane), polimer z topotekanem -> leczenie raka płuc i raka jajnika. Dendrymery a terapia antybakteryjna Np. dendrymery poliaminoamidowe z sulfametoksazolem (enkapsulowany) -> wzrost aktywności antybakteryjnej i rozpuszczalności w wodzie Same dendrymery szkodzą bakteriom. Ujemna błona -> wypieranie dodatnich jonów przez dendrymer i łączenie się z błoną -> wzrost przepuszczalności błony -> wyciek K+, dezintegracja błony - > śmierć. Typy transportu nanocząsteczek - Pasywne dostarczanie leków – przez nanocząstki w krwiobiegu, wnikają do nowotworów przez bierną dyfuzję (zwiększona przepuszczalność i retencja ER komórek; nowe, słabo zróżnicowane naczynia ze złymi rozgałęzieniami i szczelinami). Rozmiar musi być odpowiedni (by nie były wchłaniane przez fagocyty), muszą być hydrofilowe (np. powłoki z glikolu polietylenowego) (ułatwianie wchłaniania). Np. związki z liposomach niestabilne w niskim, charakterystycznym dla guza pH. - Aktywne dostarczanie leków – nanocząstki opłaszczone ligandami (rozpoznawanymi przez receptory) lub cząsteczkami z komórek (np. nowotworowych). Ligand + receptor -> endocytoza do komórki nowotworowej -> ukierunkowane dostarczanie chemioterapeutyku -> wzrost skuteczności terapii, spadek cytotoksyczności dla prawidłowych komórek. Można je ufunkcjonalnić np. łącząc z przeciwciałami -> duże powinowactwo do komórek docelowych -> zwiększenie wychwytu nanocząstek (kompleksy lektyna-węglowodan, ligand-receptor (umożliwia ominięcie oporności na leki), przeciwciało-antygen). Np. nanokoniugat kwas foliowy+metotreksat (selektywna cytotoksyczność przeciw kom. z nadekspresją receptorów kwasu foliowego (rak jajnika, endometrium, piersi, jelita grubego, płuca), nanocząstki opłaszczone przeciwciałami przeciw receptorowi ludzkiego naskórkowego czynnika wzrostu 2 (HER2) (rak piersi, często ma ich nadekspresję), nanocząstki opłaszczone przeciwciałami przeciw receptorowi swoistego antygenu gruczołu krokowego (PSA) (rak prostaty). Lektyny – nieimmunologiczne białka rozpoznające i wiążące się z glikoproteinami na powierzchni komórek. Używane jako ugrupowania kierujące lek do docelowej powierzchni komórki. Nanodiagnostyka – kropki kwantowe Małe, koloidalne, półprzewodnikowe kryształy. Średnica 1-100nm. Wiązane są nośniki ładunków np. elektrony. Z rdzenia (związki nieorganiczne, z pierwiastków grup II-IV, II-V, IV-VI, np. CdS, CdSe, CdTe, InP3, TiO2, ZnS) otoczone warstwą ZnS, polimerem lub mieszaniną polimerów. Znaczniki fluorescencyjne – pochłaniają fotony -> fluorescencja zależna od wielkości kropki. Jedna wiązka + różne wielkości kropek = różne barwy (niebieski do czerwonego). Są fotostabilne. Małe kropki -> wysoki stosunek powierzchnia-objętość. Większy rozmiar -> więcej atomów na powierzchni. Stabilniejsze niż dotychczasowe znaczniki, można obrazować kilka struktur naraz. Wykorzystywane in vitro (wiele markerów jednocześnie) (najczęściej selenek kadmu) i in vivo. Niewielki rozmiar -> swobodne krążenie i łączenie z cząstkami transportowymi, np. modyfikowane glikolem polietylenowym -> obrazowanie układu limfatycznego. Można łączyć kropki tkankowe z przeciwciałami -> rozpoznanie i obrazowanie antygenów na komórkach nowotworowych. Można je też połączyć z leków -> transport leków + obrazowanie. Przykład: podanie kropek z przeciwciałami pacjentowi onkologicznemu -> kropki łączą się z komórkami nowotworowymi -> dokładna lokalizacja nowotworu -> wdrożenie terapii celowanej. Stosowane razem z rezonansem magnetycznym – większy kontrast, np. tlenek żelaza, złota, kobaltu. Także znakowanie DNA (wykrywanie wirusów), przeciwciał, wykrywanie pierwotniaków (Cryptosporidium parvum, Giardia spp., Lamblia spp.), detekcja drobnoustrojów i obrazowanie bakterii chorobotwórczych (kropki znakowane związkami w ścianie kom. i żelazem) Terapia przeciwnowotworowa Nanocząstki miedzi – toksyczne dla nowotworów. Tlenek miedzi hamuje proliferację nowotworów (czerniak, rak szyjki macicy). Gromadzenie w lizosomach, fagosomach i ich niszczenie, zatrzymanie cyklu komórkowego w fazie G0/G1, indukcja apoptozy, nekroptoza (z charakterystycznym obrzękiem jądra, zaprogramowana śmierć z odpowiedzią zapalną), nekroza (rozpad błony, chromatyny jądrowej, wakuolizacja cytoplazmy, niezaprogramowana śmierć z odpowiedzią zapalną), katastrofa mitotyczna (multinukleacja jądra komórkowego). Nanocząstki złota – przez absorpcję promieniowania X jako wspomaganie radioterapii -> mniejsze dawki promieniowania -> ochrona zdrowych tkanek. Połączenie nanocząstek z glikolem polietylenowym (PEG) zapobiega wychwytowi przez fagocyty. Dendrymer z kamptotecyną – lepszy dostęp do kom. nowotworowej, dłuższy czas retencji, wyższa aktywność leku. Dendrymer z topotekanem – interkalacja między zasady azotowe przy replikacji -> zahamowanie replikacji DNA. Tworzy kompleksy DNA-topotekan -> odtworzenie wiązań przy pęknięciach niemożliwe -> uszkodzone łańcuchy DNA -> komórka niezdolna do replikacji -> śmierć. Doxil – doksorubicyna w liposomie. Wchodzi w kompleks z helisą DNA -> uniemożliwiony podział -> śmierć. Paclitaxel – związany z nanocząsteczkami albuminy (polepszenie słabej rozpuszczalności w wodzie, dostępności, retencji) (rak jajnika, piersi, drobnokomórkowy rak płuca). Hamuje podziały komórkowe – wiązanie z białkami mikrotubul wrzeciona kariokinetycznego -> zatrzymanie mitozy -> nieprawidłowe mikrotubule -> śmierć. Należy do taksanów. Efektywny przeciw komórkom szybko dzielącym się. Zastosowanie nanorurek węglowych Dobre właściwości fizyczne i elektryczne. Wytrzymałe (dzięki silnym wiązaniom chemicznym), odporne na czynniki chemiczne i fizyczne. Terapia fotodynamiczna – nanorurka z fotouczulaczem -> gromadzenie w chorobowo zmienionych tkankach -> naświetlanie (światło bliskie podczerwieni) -> wzbudzenie fotouczulacza -> RFT -> apoptoza/nekroza. Umożliwiają (razem z dendrymerami i innymi) dobranie (zwiększenie) rozmiaru -> wzrost selektywności względem komórek nowotworowych -> wzrost efektywności terapii, spadek szkodliwości dla zdrowych tkanek. Nanorurki używane przez ich wytrzymałość na różne czynniki. Terapia fototermiczna – w tym przypadku wypadkowa terapii fotodynamicznej, wykorzystuje wzrost temperatury po naświetlaniu Medycyna regeneracyjna – rusztowania (skafoldy). Kompozyt z polilaktydem lub same nanorurki-> proliferacja osteoblastów, wzrost aksonów, regeneracja komórek Schwanna, mięśnia sercowego Transport leków – np. amfoterycyna b, cis-platyna, doksorubicyna, karboplatyna. Można je wypełnić lekiem, modyfikować ich zewnętrzne ściany. Rak piersi, nowotwór pęcherza moczowego. Nanocząstki w termoterapii Hipertermia – wzrost temperatury w komórce do 42-46oC uwrażliwia na terapię. Termoablacja – wzrost temperatury w komórce do 51-55oC zabija komórkę. Używana przy złośliwych zmianach wątroby. Używane cząsteczki nanozłota. Termoterapia łączona często z magnetoterapią, np.: - Wprowadzenie sprzężonych z lekiem/ligandem nanocząsteczek żelaza -> wprowadzenie do kom. docelowych za pomocą pola magnetycznego -> dostarczanie leku, źródło ciepła w termoterapii, w hipertermii magnetycznej przeciw nowotworom (jeśli opłaszczone ligandami) - Nanocząstki złota + dendrymery -> wprowadzenie do kom. nowotworowych -> terapia hipertermiczna Leczenie antywirusowe z użyciem dendrymerów Blokują receptory na powierzchni wirusa (np. u HIV odpowiedzialne za adhezję do limfocytów T) -> utrata potencjału zakaźnego Zmodyfikowane dendrymery -> wiązanie się z białkami powierzchniowymi -> działanie wirusobójcze (np. VivaGel przeciw HIV, leczenie HSV) Nanotoksykologia Badanie toksycznego działania nanostruktur na poziomie komórkowym, tkankowym i ogólnoustrojowym. Ich znajomość umożliwia redukcję efektów ubocznych, by np. chronić komórki przed potencjalnym szkodliwym wpływem (ochrona komórek hipokampa przed nanocząstkami tlenku miedzi, wykorzystanie ekspresji Sirt3 w naprawie uszkodzeń po nanoditlenku tytanu w kościach) Nanocząstki łatwo wnikają wszędzie. Np. srebro, tytan, miedź, cynk -> wzrost reaktywnych form tlenu i azotu -> naruszenie bariery antyoksydacyjnej na poziomie białka i mRNA -> śmierć komórki