Біотехнології і наномедицина

Ярослава Кос

“Різниця між поняттями «машина» і “живий організм” криється у «штучному» і «природному», відповідно, походженні. Нанотехнології показали можливість створення штучних аналогів живих систем, керування природними процесами і створення на основі живих об’єктів синтетичних механізмів.Тому різниця між цими двома поняттями не така вже й очевидна». Лідія Соколовська

Біотехнологія – це сукупність методів для надання біологічним об’єктам певних властивостей з метою їх використання в різних галузях промисловості.

Біотехнологія працює з біомолекулами (ДНК, білки ), мікроорганізмами (бактерія-ми, мікроскопічними грибами, дріжджами, спорами, віру-сами ), клітинами і тканинами рослин і тварин. Все це можна розглядати як наноструктури, тому часто біотехнологію розглядають як підрозділ нанотехнології.

Основне завданння біотехнології - отримання біооб’єктів із цінними властивостями.

Наномедицина• Лабораторії на чипі;• Доставка ліків за адресою до ушкоджених клітин;• Нові бактерицидні та противірусні засоби;• Діагностика захворювань за допомогою квантових точок• Нанороботи для ремонту ушкоджених клітин• Нейроелектронні інтерфейси…

Лабораторія на чипі (lab-on chip)

Розмір чипа - 4х4 см Одночасний аналіз до 12 зразківЧас аналізу- 15-30 хв

Аналіз ДНК/РНКВстановлення батьківстваВизначення ГМОРання діагностика онкологічних захворюваньВивчення ефективності трансфекції клітинКількісне визначення білківВизначення рівня експресії генів

Крихітка-лабораторія:

Та багато іншого!

Affymetrix (“GeneChip”) Agilent (“LabChip”)HANAA (“CombiMatrix”)

•ПЛР-аналіз•Імуноферментний аналіз

МЕМS/NEMS технології

Нанотехнології проти вірусів і бактерій

• Препарати на основі наночастинок для ефективного загоювання ран;

• Антисептичні вуглецеві фільтри з наночастинками;• Бактерицидні барвники для профілактики

захворювань, що передаються повітряно-крапельним шляхом;

• Одяг і білизна, що самодезинфікуються;• Знезаражуючі аерозолі.

З нанотрубкою - на бактерію

Фото "ковра" із нанотрубок

Нанотрубка проколює бактерійну мембрану

Нанокаталізатор створює вуглецеві трубки і змушує їх збиратися в структуру “ковра”

• як біологічний детектор• як бактерицидна поверхня

Фармакологічна “пошта”.Доставка ліків за адресою “пошкоджена клітина”

Біологічна засвоюваність – здатність молекул речовин потрапляти в тіло пацієнта туди, де вони необхідні

Зростання дози - зростання токсичності

Мембрани з нанопорами

Створення мікрокапсул при доставці ліків клітині

Діаметр нанопористих мікрочастинок- 1.5 мкм –захист інкапсульованих речовин від імунної атаки

Ліпосоми

Ліпосома (гр. lipos – жир и soma – тіло) – сферичний міхурець із фосфоліпідів, куди можна помістити різноманітні БАР – вітаміни, антибіотики, білкові екстракти тощо.

універсальністьантиалергенністьцілеспрямованістьІнтактність

Інструмент мембранної інженерії

Рак• Операція• Променева терапія• хіміотерапія

Проблема біозасвоюваності препаратів - перемога не вмінням, а числом

Лікарські препарати діють не вибірково - як на хворі, так і на здорові клітини

Від подібних «бомбардувань» виникає багато побічних ефектів

“Транспортний засіб” для точної доставки ліків у клітину

Конструкція транспортера:

1. Ліганд – модуль, що знаходить хвору клітину ; її «молекулярне впізнавання» та поглинання всієї конструкції клітиною

2. Ендосомолітичний модуль – розриває ендосому, що утворилася при потраплянні транспортера в клітину (дифтерійний токсин)

3. Модуль, що забезпечує проникнення транспортера через пори ядерної мембрани (вірус приматів)

4. Модуль-носій діючої речовини (гемоглобіноподібний білок) Знищення ядра

Соболев, 80-і рр

Змінюючи програму модулів можна отримати макромолекули-транспортери для лікування будь-якого типу раку.

Акустичні бомби

Введення наночастинок в тканину Збірка агрегатів у клітинних структурах чутливість до ультразвукуселективне нагрівання і кіллінг ракових клітин

Терофтал (FeO)– дія 10 хв - 80% пухлини гине протягом тижня

Створення антиракових наносистем безпосередньо в пухлинній тканині

Нанобіотики

Можливість дистанційного керування введеними в організм магнітними наночастинками (наномагнетиками), що здатні "включати" і "виключати" різноманітні біохімічні процеси всередині клітин.

•Діаметр частинок - 30 нм•Кожна частинка містить 5-нм металічне ядро, покрите молекулами білка, специфічного до рецепторів клітини- мішені. •Керовані зовнішнім магнітним полем (парамагнетики).• Можуть індукувати відкривання Ca²+

каналів – генерація нервового імпульсу

Гарвард,2008

Керування нервовими сигналами ззовні

Квантові точки як люмінесцентні маркери

• Як переміщуються в організмі різноманітні речовини?

Органічні барвники: - токсичні - ідентифікуються лише при певній довжині хвилі

Квантові точки («штучні атоми») – це напівпровідникові флуоресцентні кристали нанометрового розміру з унікальними хімічними і фізичними властивостями, що не характерні для тих самих речовин в макромасштабі.

Біоінертне покриття для діагностики захворювання : - захищає квантові точки від «нападу» ферментів - не дає токсичним речовинам потрапити в організм - різні групи наноміток можна освітлювати одним джерелом

Розчини квантових точок

Квантові точки можна приєднати до біомолекул- білків, пептидів, антитіл, ДНК.

Можна сконструювати сотні різновидів квантових точок, що сполучаються в організмі з різноманітними біомолекулами чи антигенами, і таким чином знаходити ділянки зі специфічним поєднанням ознак захворювання.

Наносистеми та біотехнології: імітуючи природу

Біоміметика - біо-життя, “подібне до життя”

Живі організми здійснюють нанотехнологічні операції протягом 4.5 мільярдів років. Клітина використовує ДНК, РНК і величезну кількість білків для побудови клітинних структур нанометрових розмірів

Конструкції з білків

Деякі білки можуть формувати регулярні структури – кристалічні ґратки для наномашин і наноектронних пристроїв;

Створення біосенсорів на основі мономолекулярних S- шарів бактерій при їх реорганізації на синтетичних носіях.

Реконструкція рельєфу кристалізованого білка Bacillus sphaericus CCM2177 скануючим електронним мікроскопом. Відстань між центрами ґратки – 13.1 нм

Фрагменти ДНК, що кодують різноманітні білки, вбудовують в ДНК бактеріофага, який синтезує ці білки на своїй поверхні. Вірус розмножується, утворюючи довгі нитки, покриті металом. Їх можна використовувати в наноелектроніці і наносистемах.

Проблема фолдингу долається шляхом створення “бібліотеки” вірусів, що синтезують білки - «липучки» для Золота, Срібла, оксиду Цинку, арсеніду Галію та ін.

Збірка квантових точок з використанням гібридних білків

ДНК- конструктиНедріан Сімен, Ньюйоркський університет

Приєднання «причепа» до робота дозволить переносити різноманітні речовини (наприклад атоми заліза)

ДНК-роботи з наноманіпуляторами зможуть маніпулювати окремими молекулами і атомами

РНК-наномашини

Робота вірального мотору бактеріофага phi29 – аналог двигуна внутрішнього згорання

•Висока біосумісність молекул РНК із організмом•Можливість інтеграції РНК-моторів із біосенсорами, нанотрубками та ін. наноструктурами

Побудова із молекул РНК матриць, що самоорганізуються

“Приручення” бактеріофага

Використання таланту вірусів доставки власної ДНК в клітину як інструмент генотерапії

Можливість лікувати окремі клітини

Нанотехнологии и бессмертие

Нанотехнології і безсмертя

«Природа зіграла з людиною злий жарт, наділяючи її розумом, та обділяючи безсмертям».

Нанороботи

“А чому б не замінити кров людини 500 трильйонами роботів?”

“Roboblood” (2002, Кріс Фенікс, Роберт Фрайтас)

500 трильйонів мікроскопічних нанороботів вагою близько 2 кгспоживають 30200 Ватт енергії

Нанороботи утворюють кровоносну систему і функціонують в ній

Зроблені із алмазоїду чи іншого біосумісного матеріалу

Біологічне живлення отримують із глюкози і кисню

Боротьба із хвороботворними мікроорганізмами ; регулярне «прибирання» і укріплення судин – попередження атеросклерозу, варикозного розширення вен та ін. хворіб; автоматичне лікування пошкоджених клітин; заміна «хворих» генів «здоровими».

• респіроцити – штучні аналоги еритроцитів, здатні накопичувати більше кисню при менших розмірах та енергозатратах

• клотоцити – зупиняють кровотечу за 1 секунду, коли для звичайного тромбогенезу необхідно 5-17 хв

• мікрофагоцити – штучні імунні клітини

• комуноцити - здійснюють зв’язок нанороботів між собою, навігатори

Васкулоїд - комплекс медичних нанороботів, що здатні жити і функціонувати в людському організмі, виконуючи функції крові –циркуляцію дихальних газів, глюкози, гормонів, відходів, клітинних компонентів

Нейроелектронні інтерфейси

Рей Курцвейл- «Щоб досягнуи безсмертя, треба перенести свідомість із мозку людини в програмно-апаратний комплекс»

Чим більше знань – тим більше зв’язків

Всі наші знання і вміння – шаблони міжнейронних зв’язків і концентрації нейротрансміттерів

Нейрони – громіздкі прилади, працюють в 10 млн. разів повільніше електроніки.Діють з частотою 200 Герц, Сигнали поширюють зі швидкістю до 150 м/с.

10 млрд нейронів - 1015 байт інформації

Сканування мозку зсередини нанороботами крові – отримання інформації про стан кожного нейронуСкануючі електроди на основі нанотрубок

Нейроелектронні інтерфейси – прилади, здатні сполучати комп’ютери з нервовою системою

Max Planck Institute , 1999 – помістили нейрон щура діаметром 20 мкм на матрицю транзисторів, покритих діоксидом кремнію. Нейрон жив в розчині електроліту на поверхні чіпа 3 дні і обмінювався інформацією з транзистором.

Прикладки сучасного застосування нанотехнологій в медицині :

• Наноструктуровані матеріали – поверхні з нанорельєфом, мембрани з нанопорами;• Наночастинки (в т. ч., фулерени і дендримери); • Мікро- і нанокапсули; • Нанотехнологічні сенсори і аналізатори; • Медичне застосування скануючих зондових мікроскопів; • Наноінструменти і наноманіпулятори; • Мікро- і нанопристрої різного ступеня автономності.

Дендример

Дякую!