31
Взаимодействие наноразмерных и низкоразмерных структур с биологическими объектами: применение в медицине Докладчик: М.И. Лернер НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ» Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) чл. корр. РАН, С. Г. Псахье, д.т.н., М. И. Лернер

Докладчик : М.И. Лернер

  • Upload
    chin

  • View
    57

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ». Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) чл. корр. РАН, С. Г. Псахье, д.т.н., М. И. Лернер. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Докладчик :  М.И. Лернер

Взаимодействие наноразмерных и низкоразмерных структур с

биологическими объектами: применение в медицине

Докладчик: М.И. Лернер

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН(г. Томск)

чл. корр. РАН, С. Г. Псахье, д.т.н., М. И. Лернер

Page 2: Докладчик :  М.И. Лернер

ПРОБЛЕМА 2

• Мощное действие антибиотиков, убивающих бактерии и замедляющих их рост, уменьшило количество чувствительных штаммов, приведя к распространению резистентных микроорганизмов.

• Опасность представляет как распространение самих резистентных бактерий, так и перенос свойства резистентности от клетки к клетке.

• Образование резистентных штаммов делает человечество беззащитным перед многими болезнями, которые в недавнем прошлом излечивались сравнительно просто.

ПРОБЛЕМА 1

•От небезопасной питьевой воды погибло больше людей, чем за все войны вместе взятые (United Nations Human Development Report - 2006).

•80 % всех инфекционных заболеваний связано с некачественной водой.

•Очищенная от микроорганизмов вода жизненна необходима как в быту, так в промышленности.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 3: Докладчик :  М.И. Лернер

ИНФОРМАЦИЯ

• Почти 75 % больничных палат заражены метицилин-резистентными штаммами золотистого стафилококка (McCaughey B. Coming Clean // NY Times. ‑ June 6th, 2005).

• Около 2 млн человек в год погибает от внутрибольничных инфекций (Klevens RM et al. Estimating health care-associated infections and deaths in U.S. hospitals // Public Health Reports. ‑ V. 122. ‑ 2007. ‑ P. 160‑166).

• 30 % случаев заражения синегнойной палочкой не поддается лечению имеющимися на рынке препаратами (Кризис антибиотикотерапии, или Где искать решение проблемы // Фармацевтический вестник. ‑ № 31. ‑ 2009).

• В хирургических и ожоговых стационарах 80‑100 % штаммов энтеробактерий и грамотрицательных бактерий, включая синегнойную палочку, проявляют клиническую устойчивость к риванолу, фурациллину, хлорамину, цетилпиридинийхлориду, этонию и декаметоксину (Handbuch der Antiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984).

• 77–88% штаммов золотистого и коагулазоотрицательных стафилококков устойчивы к фурацилину и хлорамину (Handbuch der Antiseptik. ‑ Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984).

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 4: Докладчик :  М.И. Лернер

ТАКИМ ОБРАЗОМ

• Антибиотикоустойчивость - глобальная проблема, которая стала основной темой для обсуждения на Всемирном дне здоровья 2011 года, проводимом ВОЗ.

• Активно ведется поиск способов воздействия на вирусы и бактерии основанных на новых принципах.

• Основа разработанного в ИФПМ СО РАН физического принципа воздействия - использование поверхностного заряда микроорганизмов.

• Отрицательный электрический потенциал поверхности микробной клетки в основном определяется карбоксильными группами сиаловых кислот, входящих в состав надмембранного матрикса.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 5: Докладчик :  М.И. Лернер

СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ• Электроположительные природные и синтетические

антимикробные пептиды разрушающие клеточную мембрану.• Электроположительная полимерная структура, которая под

воздействием электростатических сил притягивается к клеткам и прорывает их мембраны (IBM and Institute of Bioengineering and Nanotechnology).

• Электроположительные наночастицы кремния (Россия, США).

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 6: Докладчик :  М.И. Лернер

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ

Сорбция микроорганизмов из водных сред и биологических жидкостей при помощи электроположительных низкоразмерных структур.

Page 7: Докладчик :  М.И. Лернер

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Полученные результаты фундаментальных исследований позволяют решать глобальные проблемы:

• получение воды свободной от микробиологических загрязнений (эффективность удаления бактерий и вирусов не менее 99,9999%);

• возможность лечения раневых инфекций без применения антибиотиков и антисептиков.

Page 8: Докладчик :  М.И. Лернер

Наночастицы Al/AlN

Электроположительные структуры AlOOH + Al(OH)3

Дзета – потенциал электроположительных структур оксигидроксида алюминия - до +100 mV

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

СИНТЕЗ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР

Page 9: Докладчик :  М.И. Лернер

Нанесенные на полимерную матрицу низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия

Образцы материала

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

«СТРУКТУРА» СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Page 10: Докладчик :  М.И. Лернер

Образец Микроорганизм Исходнаяконцентрация,

КОЕ/мл

Текущая концентрация, КОЕ/мл

0,5 ч 3 ч 6 ч 24 ч 72 ч

№ 1 E. coli 107 300 132 20 0 0

Контроль E. coli 107 300 300 300 300 300

№ 2 St. aureus 107 300 300 300 230 2

Контроль St. aureus 107 300 300 300 300 300

№ 3 P. aeruginosa 107 300 300 300 0 0

Контроль P. aeruginosa 107 300 300 300 300 300

№ 4 P. vulgaris 107 300 300 300 45 0

Контроль P. vulgaris 107 300 300 300 300 300

СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ МАТЕРИАЛОМ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 11: Докладчик :  М.И. Лернер

Испытуемый раствор Наличие эндотоксина,

ЕЭ/мл

Дистиллированная вода до фильтрации 0,24

Проба после фильтрации 50 мл раствора эндотоксина менее 0,3

Проба после фильтрации 120 мл раствора эндотоксина менее 0,3

Проба после фильтрации 200 мл раствора эндотоксина менее 0,3

Проба после фильтрации 250 мл раствора эндотоксина менее 0,3

Проба после фильтрации 300 мл раствора эндотоксина менее 0,3

Проба после фильтрации 450 мл раствора эндотоксина менее 0,3

СОРБЦИЯ ЭНДОТОКСИНОВ

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Фильтрация через дисковый фильтр 13 см2

Page 12: Докладчик :  М.И. Лернер

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

•Сепарация макромолекул, иммобилизация ферментов и клеточных культур.

•Микробиологический анализ водных растворов.

•Системы для получения чистой воды в фармацевтических производствах.

•Стерилизующая фильтрация инъекционных и других растворов в медицинских учреждениях.

•Системы концентрирования биомолекул в физиологических жидкостях перед электрофорезом или иммуноэлектрофорезом в клинических лабораториях для ранней диагностики заболеваний.

•Ультрафильтрационные системы для концентрирования и извлечения вирусов и микроорганизмов, фильтрационные системы для пробоподготовки.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 13: Докладчик :  М.И. Лернер

EXPO-2008 «Water for Life»

Zaragoza, Spain June 14 – September 14, 2008

Tomsk exposition

Page 14: Докладчик :  М.И. Лернер

Эксперимент проводился при комнатной температуре. В чашку с агаром вносили 20 мл микробной взвеси (E. Coli) с концентрацией 103

КОЕ/мл. 1 – образец сорбционного материала модифицированного серебром;2 – сплошной рост микроорганизмов на агаре;3 – место контакта материала с агаром через 48 часов.

СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (модель инфицированной раны)

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 15: Докладчик :  М.И. Лернер

ПОВЯЗКИ ДЛЯ РАНЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

• Модификация низкоразмерных структур наночастицами Ag.• Синтез композиционных частиц состава Al/AlN/Me, где Me - Cu, Zn, Fe.• Синтез сорбентов для удаления микроорганизмов из ран и подавления их

размножения в объеме материала. • Создание антимикробных повязок на основе модифицированных

сорбентов.

Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные наночастицами серебра

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 16: Докладчик :  М.И. Лернер

КОМПОЗИЦИОННЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ

Наночастицы состава Al/AlN/Zn

Спектр Al, % ат. Zn, % ат.

Спектр 1 4.91 88.03

Спектр 2 29.45 66.04

Спектр 3 9.43 74.34

Спектр 4 47.80 42.76

Наночастицы состава Al/AlN/Cu

Спектр Al, % ат. Cu, % ат.

Спектр 1 68.15 24.14

Спектр 2 57.42 17.15

Спектр 3 58.79 18.80

Спектр 4 46.36 24.35

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 17: Докладчик :  М.И. Лернер

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕКУРСОРОВ

НанопорошокСAl в прекурсоре,

%Sуд прекурсора, м2/г

Sуд продуктов

окисления, м2/г

Фазовый состав продуктов окисления

Al/AlN/Zn 50 14,8 229 Al2O3, AlOOH, ZnO

Al/Zn 50 11,8 233 Al2O3, AlOOH, ZnO

Al/Zn 35 7,0 208 Al2O3, AlOOH, ZnO

Al/Zn 15 7,0 104 Al2O3, ZnO

Al/AlN/Сu 50 12,3 182Бёмит, Байерит,

Cu2O, CuO2, Cu

Al/AlN/Fe 50 6,3 125 -

Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные наночастицами оксида меди

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 18: Докладчик :  М.И. Лернер

СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Прекурсор

Среднее значение, КОЕ/млВремя контакта

0,5 ч 24 ч

Al/AlN/Zn 300 0Al/AlN/Cu 10 0Al/AlN/Fe 100 0

Al/AlN (Ag) 21 0Al/AlN 100 530

Вывод: максимальным антимикробным действием обладают наноструктурные материалы на основе Al/AlN/Cu

Количественную оценку антимикробной активности образцов проводили на культуре E.coli 7935 in vitro тест − методом AATCC 100–2004, исходная концентрация микроорганизмов 2 ×103 КОЕ/мл .

Примечание: сорбент нанесен на микроволокна полимерного материала

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 19: Докладчик :  М.И. Лернер

БЕЗОПАСНОСТЬ

• Перевязочный материал не оказывает заметного аллергизирующего, раздражающего, иммунотоксического и цитотоксического действия.

• Проведено изучение мутагенной активности : перевязочный материал не увеличивает уровень цитогенетических нарушений в клетках костного мозга у мыши линии СВА/CaLac и частоту появления самок с мутациями у дрозофилы.

• Накожное применение перевязочного материала крысам и кроликам в течение одного месяца не показало гибели животных и патологических изменений их общего состояния, динамики общей массы и функциональной активности изученных внутренних органов и систем.

• Макроскопическое и микроскопическое исследование внутренних органов животных не выявило каких-либо патологических изменений по сравнению с контролем.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 20: Докладчик :  М.И. Лернер

Диагноз: Рецидивирующая рожаПрогноз – Неблагоприятный. Результат: Заживление 95%

1515 сутоксуток

Диагноз: Ожог головы IIIБ степени. Отказ от трансплантации кожи, сокращение времени лечения

Пандактилит I пальца правой кисти

Прогноз: неблагоприятный (ампутация)

12 суток12 суток

80 суток80 суток

Стандартные сроки лечения 150-180 суток

КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 21: Докладчик :  М.И. Лернер

ТЕСТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

• Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", Кольцово, РФ.•Вирусологическая лаборатория Центра гигиены и эпидемиологии Томской области, РФ.• Аккредитованный испытательный лабораторный центр Противочумной станции Федерального медико-биологического агентства России, Оболенск, РФ.• ФГБУ "НИИ ЭЧ И ГОС ИМ. А.Н. Сысина" МИНЗРАВСОЦРАЗВИТИЯ РФ.• Испытательная лаборатория ЗАО «МЕТТЭМ-Технологии», Москва, РФ.• Vietnam Institute for Water Resources Research, Вьетнам.• National Institute of Virology, Индия.• Kitasato Research Center of Environmental Sciences, Япония.• Water Research Institute, Словения

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 22: Докладчик :  М.И. Лернер

• Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск.

• НИИ онкологии СО РАМН, г. Томск.

• Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова, г. Санкт-Петербург

•Клинический центр стоматологии ФМБА России, г. Москва.

• Испытательная лаборатория ФГУ «НИИ ФХМ» ФМБА РФ, г. Москва.

• ГБОУ ДПО «Российская медицинская академия последипломного образования», г. Москва.

• ЦИТО Травматологии и ортопедии им. Н.Н. Пирогова, г. Москва.

• ФГУ ГНИЦ ПМ Росмедтехнологий, г. Москва.

• ФГБУ «Институт хирургии им. А.В. Вишневского», г. Москва.

•Госпитальная клиника им. Савиных А. Г. СибГМУ, г. Томск;

•Городская клиническая больница №3, г. Саратов;

•Центральная клиническая больница Ханоя, Вьетнам;

•Центральная больница Мумбая, Индия;

•Клиника хирургии, Сеул, Южная Корея.

ТЕСТИРОВАНИЕ ПЕРЕВЯЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 23: Докладчик :  М.И. Лернер

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО РАН, РФФИ, Федеральным целевым программам

• Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай»

• Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал)Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13

• Интеллектуальная собственность (перевязочный материал)Зарубежные патенты: 4; Патенты РФ: 2

• Разработанные в ИФПМ СО РАН в течение последних 12 лет подходы к направленному воздействию на микроорганизмы с помощью с низкоразмерных электроположительных структур показали их высокую эффективность и практическую значимость.

• Развитие данного направления является перспективным для решения актуальных проблем медицины и биотехнологий.

НАУЧНАЯ СЕССИЯ Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»

Page 24: Докладчик :  М.И. Лернер

Спасибо за внимание!

Лернер Марат Израильевичд.т.н., зав. лабораторией физикохимии высокодисперсных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН634021 г.Томск, пр. Академический 8/2Тел. (3822) 492619, факс (3822) 491726. e-mail: [email protected]

Page 25: Докладчик :  М.И. Лернер
Page 26: Докладчик :  М.И. Лернер

Электроположительные свойства

Зависимость дзета-потенциала частиц оксигидроксида алюминия от количества адсорбированного бактериофага MS2 на их поверхности.

Зависимость величины дзета - потенциала частицоксигидроксида алюминия от ионной силы раствора; СKCl — концентрация KCl в растворе, моль/л.

Page 27: Докладчик :  М.И. Лернер

Основные стадии изготовления материала

Нанесение суспензии

наночастиц

Формирование низкоразмерных структур,

прессование

Готовый материал

Page 28: Докладчик :  М.И. Лернер

Водоочистители AquaVallis

Page 29: Докладчик :  М.И. Лернер

На фильтровальный материал AquaVallis получен гигиенический сертификат, разрешающий его применения в системах очистки питьевой воды.

AquaVallis – это новый композитный материал на основе полимерных микроволокон с нано-активными центрами сорбции вирусов и бактерий.

Нанофильтровальный материал AquaVallis

Page 30: Докладчик :  М.И. Лернер

AquaVallis фильтровальный материал удовлетворяет требованиям управления по охране окружающей среды и Оборонным спецификациям США, предъявляемым к микробиологическим водоочистителям.

AquaVallis фильтровальный материал удовлетворяет требованиям управления по охране окружающей среды и Оборонным спецификациям США, предъявляемым к микробиологическим водоочистителям.

Нанофильтровальный материал AquaVallis

511 000 – 2 980 000

100 (removes particles with size 25 nm)

0.003MILLIPORE(мембрана с размером пор 25 nm)

300 00099.99 – 1001.0AquaVallis(2 mm толщина )

720 00099.01.0CUNO(2 mm толщина)

Цена, USD/m3

Эффективность сорбции бактериофага MS2, %

Скорость фильтра-ции,

см/сек

Фильтровальный материал

Page 31: Докладчик :  М.И. Лернер

Заключение• Разработан фильтровальный материал для удаления бактерий и вирусов из

водных сред с эффективностью 99,99 %.• Фильтры на основе материала пригодны для использования для стерилизации

водных сред в фармацевтической промышленности и в медицине. • Разработан антисептический материал нетоксического действия - в составе

материала отсутствуют антибиотики и антисептики; механизм действия материала основан на электропозитивной сорбции, в том числе и резистентных штаммов микроорганизмов из раны, и последующей их дезактивации в объеме материала.

• Клиническое применение материала показало его высокую эффективность в отношении лечения инфицированных ожогов II-III степени, пролежней, трофических язв, рожистых воспалений, ведения инфицированных хирургических и бытовых ран.

• Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО РАН, РФФИ, Федеральным целевым программам

• Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай»

Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал)Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13Интеллектуальная собственность (перевязочный материал)Зарубежные патенты: 1; Патенты РФ: 2