Nanotechnology Lecture Notes PDF

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