1

NANOTEHNOLOGIJA U MEDICINI

Uvod

Definicija

Nanotehnologija je oblast nauke o materijalima posvećena manipulaciji atoma i molekula koje vode konstrukciji struktura veličine nanometra (uglavnom 100 nm i manje) sa posebnim svojstvima. Fizička i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji čine materijal znatno smanji. Mali broj uslovljava drugačiji raspored i međurastojanje za površinske atome, a ta svojstva dominira-ju fizičkim i hemijskim svojstvima objekta.

[Slajd 2, 3]Istorijat nanotehnologija

Pored minijaturizacije elektronskih sklopova koja je započela polovinom 60-tih godina 20-tog veka, istovremeno su se desile velike promene u oblasti hemije, biohemije i molekulske genetike, čiji je razvoj išao u drugom smeru. Poslednjih četvrt prošlog veka došlo je i do izuzetnog napretka u mogućnosti kontrole i manipulacije svetlošću. Naime, danas je moguće generisati svetlosne impulse čije je vreme trajanja manje od femtosekunde (1fs = 10 -

15s). Navedene promene u tehnici, hemiji, biohemiji, molekulskoj genetici, sa sve sofisticiranijim tehnikama dijagnostike u medicini vezanim za primenu optoelektronskih i paramagnetnih materijala, dovele su do velikog napretka tehnike i tehnologije, menjajući potpuno strategije i koncepte razvoja različitih ljudskih delatnosti.

Sa navedenim otkrićima, praktično je započeo novi vek u u primeni nanotehnologija u medicini. Time je i nanomedicina etablirana kao nova grana medicine, medicine koja se zasniva na potpuno novim osnovama primene nanotehnologija. Oblasti primene nanotehnologija u medicini dominatno su vezane za oblasti isporuke lekova, inženjerstva tkiva i unapređenja medicinske dijagnostike do nivoa registrovanja potencijalne bolesti detekcijom promena u metabolizmu ćelija, pre nego što se bolest i manifestovala na očigledan način. Sve te tri moćne tehnologije koje su se susrele međusobno na nanoskalnom nivou praktično su revolucionisale elektroniku, biologiju i medicinu. One su omogućile razvoj novih grana u molekulskoj biologiji i medicini kao što je biomolekulska tehnologija, a u nekom bližem ili daljem vremenu i molekulsko inženjerstvo i razvoj molekulskih mašina, njihovih sklopova, inženjerstvo novih tkiva i organa, itd.

Pored navedenih promena u nanomedicini ovakva istraživanja na fundamentalnom nivou vodiće velikim promenama u molekulskoj biologiji, biofizici, bioinformatici, genomu, primeni novih nanomaterijala u biosenzorima, kompjuterskim tehnologijama, gustini skladištenja informacija, brzini rada kompjutera (neslućeno je povećavajući), promena vezanih za konverziju energije, itd.

Prve koncepte nanotehnologije (mada još nije koristio taj naziv) je dao Richard Feynman, 1959. godine, na Kalifornijskom Institutu za tehnologiju, pod nazivom „Postoji mnogo prostora na dnu“, u kojem je on izložio ideju građenja objekata od dna prema vrhu, predvidevši teorijski fizičku mogućnost manipulisanja atom po atom. Feynman je opisao proces pomoću kojeg se može razvijati mogućnost manipulisanja pojedinačnim atomima i molekulima, koristeći jedan skup preciznih alata za pravljenje i rad sa drugim proporcionalno manjim skupom, pa dalje na dole sve dok se ne stigne do potrebne skale. Njegova ideja

2

manipulisanja atom po atom proistekla je upravo iz njegove zadivljenosti uređenjem i funkcionisanjem bioloških sistema.

Zatim je termin nanotehnologija definisao profesor sa tokijskog univerziteta prirodnih nauka Norio Taniguchi, 1974. godine, na sledeći način: „Nanotehnologija se uglavnom sastoji od obrade, razdvajanja, sažimanja i deformisanja materije jednim atomom ili molekulom.“ U 1980-im godinama, osnovnu ideju ove definicije je mnogo dublje istražio dr Eric Drexler u svojim knjigama „Motori kreativnosti“, gde je predvideo disciplinu molekularne nano- tehnologije koja bi omogućila proizvođačima da izrade proizvode od dna ka vrhu uz pomoć precizne molekularne kontrole. Pomoću ove tehnologije bilo bi moguće staviti molekule na njihovo specifično mesto, čime bi procesi proizvodnje bili čisti, efikasni i produktivni.

Ideja se realizovala u praksi nakon 25 godina kada su Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, istaživači sa IBM, Cirih, 1984. godine konstruisali prvi STM (Scanning Tunnelig Microscopy) i AFM (Atomic Force Microscopy). Zatim je 1985. godine istraživački tim Kroto-Smalley-Curl sintetizovao prvi nanomaterijal, poznat pod nazivom fuleren C60. Ova grupa molekula ugljenika dobila je naziv po arhitekti i inovatoru Richardu Buckminster Fuller-u.

Razvoj nanotehnologije se u protekloj deceniji bazirao na dizajnu novih nano-materijala, pa se strategije za njihovu proizvodnju mogu podeliti u dve grupe: model “od vrha na dole”, i “od dole ka vrhu”. Prema prvoj nastaju direktno iz osnovnih materijala uz pomoć fizičkih metoda, kao što su: fotolitografija, laserska obrada i mehaničke tehnike, dok druga podrazumeva upotrebu molekularnih struktura materijala kao početnog, koje će putem različitih hemijskih reakcija, fizičkim tretmanima dovesti do formiranja novih nanomaterijala.

[Slajd 4]

Nanomaterijali i njihova podela

Najvažnija razlika između osnovnih materijala i nanomaterijala je u tome što nanomaterijali na maloj površini imaju velik broj atoma, što dovodi do toga da oni imaju izrazitu površinsku energiju i veliku specifičnu površinu po jedinici mase i zbog toga se odlikuju visokom reaktivnošću. Generalno, nanotehnologije poboljšavaju osobine materijala, smanjuju njihovu masu, povećavaju njihovu stabilnost i unapređuju njihovu funkcionalnost.

[Slajd 5]

1. Podela nanomaterijala na osnovu veličine

Podelu nanomaterijala na osnovu veličine predložili su Pokropivny i Skorokhod. Dele se na : nultodimenzionalne (0D, sve dimenzije manje od 100 nm), jednodimenzionalne (1D, bar jedna dimenzija veća od 100 nm), dvodimenzionalne (2D) i trodimenzionalne (3D). Postoje različiti morfološki oblici 1D nanostruktura, od kojih su u najčešće proučavani: nanovlakna (nanofibers), nanonožice (nanowires), nanotrake (nanobelts), nanoprstenovi (nanorings), nanošipke (nanorods) i nanocevi (nanotubes).

Nanovlakna predstavljaju cilindrične 1D nanostrukture prečnika do 100 nm i dužine od nekoliko mikrometara do nekoliko milimetara. Osnovnu strukturnu jedinicu čini grafitna ploča koja se sastoji od ugljenikovih atoma međusobno povezanih u šestougaonik. Nanožice su po obliku iste kao i nanovlakna, ali se razlikuju po odnosu dimenzija dužina-prečnik, to su

3

kristalne strukture provodničkih ili poluprovodničkih električnih osobina materijala i sastoje se od organskih ili neorganskih molekula. Spontanim samouvijanjem nanotraka nastaju nanoprstenovi koji poseduju piezoelektrični efekat i nalaze veliku primenu kao senzori.

Nanošipke se razlikuju od predhodno spomenutih po nesavitljivim spoljašnijm zidovima. Sve dimenzije nanošipki kreću se u intervalu od 1-100 nm, sintetišu se od metala ili poluprovodničkog materijala i upotrebljavaju se najčešće kao laseri. Nanocevi su šuplje cilindrične jednodimenzionalne nanostrukture. Prvo su sintetisane ugljenične nanocevi, a zatim i halogenidne, a poslednjih nekoliko godina dobijene su i od keramičkih materijala.

[Slajd 6]

2. Podela nanomaterijala na osnovu hemijskog sastava

Na osnovu hemijskog sastava nanometarijale delimo na organske i neorganske. U organske spadaju materijali koji sadrže ugljenik. Među najznačajnijim su nanodijamant, fuleren C60, ugljenične nanocevi i nanovlakna. Ugljenični nanomaterijali mogu biti u obliku šuplje sfere, elipsoida ili cevi. Sferni i elipsoidni se nazivaju fulereni. Neorganski nanomaterijali su čestice bazirane na metalnim oksidima: cink-oksid, gvožđe-oksid, titanijum-dioksid i metali: zlato, srebro, gvožđe i kobalt.

Fizička i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji čine materijal znatno smanji, pa tako u nano veličini, zlato više nije žute boje i može da ima zelenu, crvenu, plavu i druge boje. Nanočestice Au imaju primenu kao umanjioci fluoroscencije.

A. FulerenMolekul C60 je nova (treća) alotropska modifikacija ugljenika, pored grafita i

dijamanta, koja je laserski sintetisana 1985. godine (Rajs Univerzitet, USA), fizičkohemijskim metodama, kao kristal proizvedena 1990. (Univerzitet u Arizoni, USA) i prvi put viĐena sa internom strukturom pomoću skenirajuće tunelske mikroskopije (STM) 1992. (Univerzitet u Beogradu). U decembru 1991. godine proglašen je molekulom godine u časopisu „Science“, a 1996. godine Curl, Kroto i Smalley su za njegovo otkriće dobili Nobelovu nagradu u oblasti hemije.

Ovaj molekul sadrži 60 atoma ugljenika koji su raspoređeni po površini sfere u pentagone i heksagone. Najmanji stabilan i u isto vreme najzastupljeniji fuleren, koji je izolovan je buckminster fuleren C60, sa ikosaedarskom simetrijom (Ih), oblika fudbalske lopte. Sledeći stabilan homolog je C70. Prate ga viši fulereni C76, C78, C82, C84, C90, C94 i C96. Gotovo svi derivati fulerena, bilo da su to produkti kovalentne adicije ili soli fulerena – fuleridi, mogu uspešno da se projektuju, što upućuje na njihovu moguću primenu kao novih materijala ili biološki aktivnih molekula.

Kako je C60 čisto ugljenični klaster, ikozaedarske geometrijske strukture i ne sadrži vodonikove atome, reakcije supstitucije (karakteristične za aromate) nisu moguće sa fulerenima. Strukturne i elektronske karakteristike fulerena omogućavaju sledećih pet osnovnih tipova hemijskih transformacija:

• adicione reakcije, • elektron-transferne reakcije koje rezultuju u formiranju soli fulerena, fulerida, • reakcije otvaranja prstena i degradacione reakcije, • formiranje endohedralnih kompleksa i • formiranje klatrata sa nespecifičnim slabim fizičko-hemijskim vezama.

4

Sa razvojem metoda za transformacione rekcije fulerena omogućeno je dobijanje potpuno novih, vodorastvornih, amfifiličnih biomolekula koji pokazuju sledeće biološke i fiziološke aktivnosti, sa potencijalnim primenama u biohemiji i biomedicini: • Inhibiciju HIV-proteaze i transkriptaze (HIVP i HIVT), potencijalni lek protiv side • Anti viralnu aktivnost • Citotoksičnost • Transportnu funkciju (kavezi) biološki aktivnih molekula i terapeutskih agenasa kroz ćelijske membrane • Transfer i “unos” biološki aktivnih molekula visoke molekulske mase (preko M=990) kroz krvno moždane barijere • Unos metala u formi endohedralnih kompleksa u moždanu sferu • Cepanje deoksiribonukleinske kiseline (DNA) na specifičnim mestima, guanin (G) • Inkorporacija u veštačke lipidne dvosloje, agensi u fotodinamičkoj terapiji • Specifične interakcije sa proteinima, proizvodnja fulerenskih specifičnih antitela • Antioksidansi i biofarmaceutski preparati • Neuroprotektivni agensi • Lečenje koštanih poremećaja • Lekovi za arteriosklerozu • Vektori presecanja • Rendgenski kontrastni agensi • Vodeni rastvori polivinil-pirolidina sa fulerenom indukuju ćelijsku diferencijaciju • Fulereni i jedinjenja fulerena ne dovode do akutne toksičnosti Neophodan uslov za potencijalnu farmaceutsku primenu jedinjenja je pored fiziološke aktivnosti rastvorljivost u vodi. Fulereni, kao i sam molekul C60, su potpuno nerastvorni u polarnim rastvaračima i u vodi, ali se funkcionalizacijom sa vodorastvornim grupama može znatno povećati njihova rastvorljivost. Vodorastvorni, polihidroksilni derivat fulerena C60(OH)24 sprečava polimerizaciju mikrotubula (MT) i zaustavlja ćelijski rast, slično kolhicinu preko inhibicije formiranja deobnog vretena, što ukazuje na mogućnost primene ovog fulerena kao citostatika.

B. Ugljenične nanocevi i nanovlakna

Među različitim vrstama nanomaterijala, ugljenične nanocevi i nanovlakna pobuđuju posebnu pažnju zbog svojih izuzetnih mehanilkih, električnih, optičkih i strukturnih osobina. Ugljenične nanocevi su uređene, šuplje nanostrukture koje se sastoje od ugljenikovih atoma vezanih jedan za drugi pomoću sp2 veza koje su jače od sp i sp3 veza i predstavljaju ključni faktor sa stanovišta izvrsnih mehaničkih osobina i visoke električne i termičke provodljivosti ovih materijala. Mogu se zamisliti kao grafenske ploče koje su rolovane u cilindre.

Jedna grafenska ploča koja je rolovana čini jednu jednoslojnu ugljeničnu nanocev, dok ako je više od jedne od takvih ploča rolovano koncentrično u slojevima tada je to višeslojna ugljenična nanocev. Jednoslojne ugljenične nanocevi imaju prečnik reda veličine 0.5-1.5 nm i dužinu reda veličine od 100 nm do nekoliko μm, a višeslojne imaju veće prečnike zbog svoje strukture, slika 2.6. Dobijaju se na više načina: isparavanjem u električnom luku, laserskim isparavanjem, katalitičkim rastom u gasnoj fazi iz CO, itd.

Ugljenična nanovlakna nastaju iz grafenskih ploča koje su zakrivljene pod određenim uglom da bi formirale sloj nanokonusa. Večičine ugljeničnih nanovlakana se kreću od 3.5 nm do nekoliko stotina nm u prečniku, i nekoliko μm u dužinu.

Zavisno od hilarnog vektora 3 jednoslojna ugljenična nanocev može biti poluprovodna ili metalna. Metalna nanocev može preneti struju koja je više od 104 puta veća od struje koju je za isti presek cevi moguće preneti kroz običan metal. Zbog velikog odnosa dužine i prečnika, velike specifične površine sa brojnim vezama na zidovima cevi, ugljenične nanocevi i nanovlakna se mogu lako modifikovati sa različitim bioaktivnim molekulima za biomedicinske primene, kao što su primene u različitim oblastima regenerativne medicine, a da bi se to realizovalo treba prvo funkcionalizovati njihove površine da bi poboljšali njihovu rastvorljivost i biokompatibilnost, pa takvi sistemi mogu biti primenjeni kao sistemi za isporuku lekova i gena.

5

Prisutan problem koji treba razrešiti da bi došlo do njihove pune primene je njihova nerastvorljivost u mnogim rastvaračima. Uniformnu distribuciju jednoslojnih ugljeničnih nanocevi teško je postići zbog prisustva međusobnih van der Valsovih interakcija koje uslovljavaju njihovu aglomeraciju. Funkcionalizacijom površine, nanocevi mogu postati rastvorljive u vodi.

Na osnovu svojstava nanocevi, da molekuli i joni mogu biti transportovani kroz njih, napravljeni su molekularni senzori i uređaj za sekvenciranje DNK. Ugljenične nanocevi mogu probiti ćelijsku membranu bez poremećaja integriteta membrane, pri čemu bi kroz ovakve "nanoigle" mogli da se unose lekovi.

U ispitivanju je i jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih od površine, korišćenjem magnetnih nanočestica. Nanočestice su takođe korišćene kao lumi- nescentne sonde za optičko snimanje i kao magnente sonde za NMR. Korišćenje blizu-IC luminescentnih nanočestica za optičko snimanje dubokog tkiva je pokazala upotrebu nanokristala kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju ćelijski karcinom. Kardiovaskularni biomaterijali, koji su razvijeni korišćenjem nanotehnologije, moraju omogućiti kompatibilnost krvi. Zbog toga su istraživani kompoziti od ugljenikovih nanocevi i poliuretana sa više zidova izrađenih kontrolisanom ko-precipitacijom. Izvrsne mehaničke i električne osobine ugljeničnih nanocevi i nanovlakana moguće je eksploatisati i u inženjerstvu nervnih tkiva. Budući da nervna tkiva imaju brojne nanostrukturne osobine kao što su nanostrukturni ekstraćelijski matriksi sa kojima nervne ćelije intereaguju, ugljenična nanovlakna i nanocevi poseduju biokompatibilne osobine i mogu se koristiti i za popravku nervnih tkiva.

C. Gvožđe-oksid, titanijum-dioksid i cink-oksid

[Slajd 7]

Implikacije nanotehnologija

Implikacije nanotehnologija prisutne su u svim oblastima delatnosti modernog čoveka: medicini, etici, životnoj okolini, inženjerstvu, biologiji, hemiji, računarstvu, nauci o materijalima, vojnoj industriji i komunikacijama. Osnovne prednosti nanotehnologija vezane su za unapređenje proizvodnje sistema za prečišćavanje voda, energetskih sistema, te unapređenje nanomedicine, proizvodnje hrane, autoindustrije, itd. Nano optimisti, uključujući i mnoge vlade u naprednim delovima sveta procenjuju da će nanotehnologije omogućiti proizvodnju obilja benignih materijala za životnu sredinu, isporuku čiste vode, atomski inženjerizovanu hranu uz veću produktivnost i sa manje radne snage, jeftiniju i veću proizvodnju energije, čistu i visoko profitabilnu industriju, radikalno bolje formulacije lekova, dijagnostiku i zamenu organa, mnogo veće skladištenje informacija i veće komunikacione kapacitete, interaktivnu inteligentnu primenu informacija, porast ljudskih performansi kroz konvergenciju tehnologija, itd. Uz sve to, proizvodi nanotehnologija zahtevaju manji rad i prostor, lakše održavanje, visoko su produktivni, imaju niže cene i umerenije zahteve za energijom.

Oblasti primene nanomaterijala

Kao što je već u prethodnom poglavlju naglašeno, najčešće nanomaterijali i na njima zasnovani poboljšani proizvodi, imaju sasvim drugačije karakteristike od tzv. „bulk“ materijala. To se dešava zbog toga što nanočestični materijali imaju mnogo veću specifičnu

6

površinu, tako da njihove brojne osobine, među kojima su i optičke osobine, kao što je fluorescencija, postaju funkcije prečnika čestica. Pored toga, kao što je već odavno poznato, u kompaktnim materijalima, nonočestice jako utiču na unapređenje njihovih mehaničkih svojstava, kao što su elastičnost i krtost. Npr. tradicionalni polimeri, ako se ojačaju sa nanočesticama, postaju novi materijali koji zbog svoje male mase i izuzetnih mehaničkih karakteristika mogu zameniti čak i metale. Generalno, nanotehnologije poboljšavaju osobine materijala, smanjuju njihovu masu, povećavajući njihovu stabilnost i unapređujući njihovu funkcionalnost. Zbog toga, aplikacije nanotehnologija u najrazličitijim oblastima delatnosti čoveka, kao što je medicina, koja uključuje dijagnostiku, isporuku lekova i inženjerstvo tkiva i organa, su sve raširenije.

PAUZA [Slajd 8]

[Slajd 9, 10]

NANOMEDICINA

Uvod

Razvoj nanotehnologije, zahvaljujući svom potencijalu da iskoristi otkrića molekularne biologije, počeo je da menja osnove dijagnostike, terapije i prevencije bolesti. Primena nan-otehnologije u tretmanu, dijagnozi, praćenju i kontroli bioloških sistema nedavno je definisana pod nazivom nanomedicina.

Nanomedicina je veoma široka oblast i proučava nanočestice koje deluju kao biološki mimetici (npr. funkcionalizovane ugljenične nanotube), "nanomašine" (npr. one na- pravljene od DNK), nanovlakna i polimerne nanokonstrukte koje služe kao biomaterijali (npr. nanoporozne membrane), kao i različite uređaje koji deluju na nanonivou (npr. Si- mikročipovi za otpuštanje lekova i šuplje mikroiglice od Si-monokristala). Takođe, postoji široko polje nanotehnologija sposobnih za ciljanu isporuku lekova, genetskog materijala i dijagnostičkih agenasa u određene ćelije i vanćelijske prostore u organizmu. Istraživanje racionalne i ciljane isporuke terapeutskih i dijagnostičkih agenasa upravo i predstavlja jedan od glavnih ciljeva nanomedicine. On obuhvata preciznu identifikaciju meta (ćelija i receptora) u određenim kliničkim stanjima, kao i izbor odgovarajućih nanonosilaca koji treba da obezbede postizanje željenog cilja uz što manje neželjenih efekata. Mononuklearni fagociti, dendritične ćelije, ćelije endotela i tumorske ćelije predstavljaju glavne mete u ovakvom pristupu.

Skala osnovnih bioloških struktura je slična komponentama koje su uključene u nanotehnologiju, npr, peptidi su po veličini slični kvantnim tačkama (č 10 nm), a neki virusi su iste veličine kao nanočestice za dostavu medikamenata (č 100 nm). Stoga se veći deo molekulske medicine i biotehnologije može smatrati nanotehnologijom. Istina je da je proces pretvaranja osnovnog istraživanja u nanotehnologiji i nanomedicini u komercijalno održive proizvode dug i težak, ali su vlade širom sveta impresionirane njegovim potencijalom i iskazuju svoje zahteve izdvajajući milijarde dolara, evra i jena za istraživanje.

U širem smislu, nanomedicina je primjena tehnologija na nano-skali u medicinskoj praksi. Koristi se za dijagnostiku, prevenciju i lečenje bolesti i za sticanje znanja

7

kompleksnih mehanizama koji su u osnovi bolesti. Iako je nanotehnologi- ja ustanovljena disciplina, komercijalna nanomedicina (sa svojim širokim opsegom ideja, hipoteza, koncepata i nerazvijenim kliničkim uređajima) još je u početnom stadijumu razvoja. Npr. postoje mnogi nanouređaji (npr. kvantne tačke, dendrimeri) koji su široko rasprostranjeni i zastupljeni u prodaji, ali tek treba da pronađu svoje mjesto u širokom spektru kliničkih uređaja. Trenutno nanomedicina podrazumeva otkrivanje čestica; sisteme isporuke lekova, emulzije i nosače za isporuku vakcina; i nano-proizvedene biomaterijale sa neuobičajenim svojstvima jačine, tvrdoće, smanjene frikcije i povećane biokompatibilnosti.

Koloidno Au, kristali gvožđe oksida i kvantne tačke primeri su nanočestica čija je tipična veličina u opsegu od 1 do 20 nm i koji imaju dijagnostičku primenu u biologiji i medicini. Nanočestice Au imaju primenu kao umanjioci fluoroscencije. Nanokristali Fe sa superparamagnetnim svojstvima, zahvaljujući sposobnosti da prouzrokuju promene u relaksacionim vremenima spin-spin interakcije susednih molekula vode, koriste se kao kontrastna sredstva u magnetnoj rezonanci za detekciju tumora, ateroskleroze i zapaljenskih promena mozga i zglobova.

Kvantne tačke se koriste za obeleževanje različitih bioloških sistema radi optičke detekcije in vitro i in vivo. Na primer, nedavno su objavljeni rezultati studije u kojoj su kvantne tačke korišćene za praćenje metastaziranja tumorskih ćelija. Talasna dužina fluoroscentne emisije kvantnih tačaka (od ultravioletne do bliske infracrvene) može se podešavati menjanjem veličine čestice. Njihov veliki odnos površine i zapremine pruža značajne mogućnosti u dizajniranju različitih funkcionalnih nanosistema. Primena ovakvih optičkih nanooruđa mogla bi da doprinese razumevanju kompleksnih regulacionih i signalnih mreža koje kontrolišu ponašanje ćelije u fiziološkim i patološkim stanjima. Najegzotičniji koncepti (kao što su nano-mašine koje bi se mogle kretati kroz tijelo, rešavanje problema i popravka mikro kardiovaskularnih i lezija u mozgu) su stvar malo dalje budućnosti.

[Slajd 11]

Implikacije primene nanotehnologija u medicini

Navešćemo ovde tehnologije i tehnike čija primena u nanomedicini se može očekivati u najskorijoj budućnosti:

Biofarmaceutika: isporuka lekova (dostava medikamenata), inkapsuliranje lekova funkcionalni nosači lekova, otkrivanje lekova;

Materijali za implantiranje: popravka i zamjena tkiva, oblaganje za implantate, skafoldi za regeneraciju tkiva, strukturalni materijali za implante, popravka kostiju, bioresorbujući materijali, pametni materijali;

Uređaji za implantiranje: uređaji za procjenu i lečenje, senzori koje je moguće implantirati, medicinski uređaji koje je moguće implantirati, senzorna pomagala, implanti rožnjače, kohlearni implantati;

Medicinska pomagala i uređaji: alati za operaciju, pametni instrumenti, hirurški roboti, dijagnostički alati, za genetska ispitivanja;

Ultrasenzitivne tehnologije označavanja i otkrivanja: raspoređivanje i odlaganje velikog broja rezultata višestrukih analiza, imaging (snimanje), oznake nanočestica, uređaji za razumevanje osnovnih životnih procesa.

8

Očekuje se da će u narednim godinama biti preduzeta značajna istraživanja u sledećim pravcima nanomedicine:

Sinteza i upotreba novih nanomaterijala i nanostruktura (npr. manje antigenski), zatim biomimetičkih nanostruktura (sintetički proizvodi razvijeni na osnovu razumijevanja bioloških sistema), pa izrada multifunkcionalnih bioloških nanostruktura, uređaja i sistema za dijagnostikovanje i kombinovanu isporuku lekova;

Razvijanje analitičkih metoda i instrumenatai za izučavanje pojediničnih biomolekula i proizvodnja neinvazivnih in vivo analitičkih nanoalata sa poboljšanom senzitivnošću i rezolucijom za molekulsko snimanje i za ispitivanje patoloških procesa;

Konstrukcija uređaja i nanosenzora za rano otkrivanje bolesti i patogena (npr. nano-fluidni uređaji spregnuti lančanom reakcijom polimeraze) i nano-uređaja osjetljivih na nadražaje i fizički usmerena lečenja;

Identifikacija novih bioloških ciljeva (receptora, liganada) za snimanje, dijagnostikovanje i terapiju (npr. za karcinome i za neurodegenerativne i kardiovaskularne bolesti), te definisanja nanotehnologije tkivnog inženjeringa i regenerativne medicine.

Pored ovoga, značajna istraživanja u narednim godinama biće preduzeta, konkretno, u oblasti isporuke lekova, jer je nanotehnologija već spremna da tržištu isporuči revolucionarne proizvode. Neki proizvodi bi mogli biti sasvim skoro dostupni, dok će se drugi javiti u nešto daljoj i daljoj budućnosti, a uključiće:

Efikasnije usmjeravanje na određeno mjesto ili precizno usmjeravanje za pomoć nano-lekova, što će rezultirati smanjenim sistemskim kontraindikacijama i boljom saradnjom pacijenta;

Nanouređaji za isporuku lekova i implanti koji sadrže senzore (za praćenje biomolekula) i rezervoare lekova (za preciznu isporuku) na istom čipu.

Uređaji za dostavu medikamenata na bazi nanočestica bi omogućili bržu resorpciju lekova, kontrolisano oslobađanje doza, i zaštitu od imunog sistema organizma - povećavajući tako delotvornost postojećih lekova. Istraživači takođe ispituju nove tretmane korišćenjem nanočestica, kao što su dendrimeri i sredstva za isporuku uređaja za ubacivanje gena u ćelije.

[Slajd 12, 13]

Konkretna primena nanočestica u nanomedicini

1. Onkologija

Dijagnostikovanje, lečenje i praćenje napretka terapije kod pojedinačnih malignihoboljenja su glavni ciljevi onkologa za koje nanotehnologija pruža rešenja. Mogućnost oblikovanja molekula sa velikom preciznošću otvara vrata novoj generaciji lekova, agenasa za snimanje i dijagnostiku. Pet, šest agenasa za snimanje i terapiju na bazi nanočestica je već u različitim fazama razvoja.

Zheng i kolege su koristili nanožice na bazi silikona kako bi električnim putem otkrili proteine-markere koji su preterano izraženi u cirkulaciji pacijenata koji su imali karcinom. Ovi uređaji se ponašaju kao kompjuterski čipovi i kada su obloženi antitelima mogu prenositi električne signale od ciljnih proteina do antitela, dovodeći do promene u provodljivosti nanožice. Ovaj signal je moguće meriti, te pokazuje prisustvo i količinu antigenskog proteina i ovo daje mogućnost merenja broja markera u jednom uzorku krvi. Ovim sistemima detekcije izbegava se kompleksna tehnologija lančane reakcije polimeraze ili upotreba fluorescentnih sondi za detektovanje antigena povezanih za karcinom.

9

Postoji dosta publikacija o upotrebi zlatnih nanočestica za merenje prisustva DNK vezanog za kancer i proteinskih markera. Zlatne nanočestice se vezuju za DNK detektore ili antitela i ponašaju kao mostovi provodnosti. Kada je u uzorku prisutan antigen ili zapis DNK za marker karcinoma, on će se primetiti na mostu. Ove molekule mogu prikupljati DNK ili antitela-detektori označenim metalnim nanočesticama koji čine električno kolo i na taj način proizvoditi izuzetno osetljiv odgovor.

Rano otkrivanje karcinoma korišćenjem Q-tačaka je predmet intenzivnog istraživanja.Kim i kolege su opisali korišenje Q-tačaka sastavljenih od unutrašnjeg jezgra od

kadmijuma i telerijuma okruženog slojem od kadmijuma i selena i zatvorenim organskim jedinjenjem kako bi se čestice učinile rastvorljivim u vodi. Kada su bile ubrizgane u svinje, limfne ćelije su čistile Q-tačke i usmeravale ih u limfne čvorove. Osvetljavanjem kože životinja infracrvenim svetiljkama, bilo je lako identifikovati i lokalizovati limfne čvorove zbog njihove emisije talasnih dužina u infracrvenom opsegu. Ova tehnologija bi trebalo da se pokaže korisnom za lokalizovanje karcinoma blizu kože.

Ispituje se jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih odpovršine, korišćenjem magnetskih nanočestica. Nanočestice su takođe korištene kao luminiscentne sonde za optičko snimanje i kao magnente sonde za nuklearne MRI.

Upotrebu blizu-infracrvenih luminescentnih nanočestica za optičko snimanje dubokog tkiva opisali su Morgan i kolege, koji su pokazali upotrebu nanokristala (izraz koji je sinonim za Q-tačke) kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju skvamozni ćelijski karcinom. Istraživači su pripremili nanokristale-poluprovodnike od CdMnTe/Hg obložene serumom albuminom. Dubina penetriranja za eksitaciju i emisiju je procenjivana snimanjem srca miša koje kuca kroz nedirnuti grudni koš i nakon torakotomije. Nanokristali nisu pokazali nikakvo značajno fotoizbleđivanje ili degradaciju nakon jednog sata kontinuirane eksitacije. Za ove tehnologije vezani su troškovi opreme koji su mnogo niži od konkurentnih tehnologija kao što je magnetna rezonancija.

Dendrimeri se intenzivno ispituju zbog njihovog obećanja u otkrivanju i terapiji kancera. Kod modela životinja, dodavanjem hemoterapijskih agenasa za dendrimere omogućava se isporuka malih doza leka direktno u ćelije raka, što uveliko pospešuje preživljavanje. Budući da su dendrimeri takođe fluoroscentno označeni moguće je pratiti njihovo kretanje ka ćelijama. Zbog njihove male veličine (č 5 nm) mogu prelaziti sluzave barijere i vaskularne pore i bubrezi ih mogu bezbedno ukloniti iz krvotoka.

Buduće primene uključuju usmeravanje na specifične genotipove pojedinaca kao i praćenje odgovora na antineuplastične lekove. Alternativno, neki tumori imaju veći broj vrsta ćelija raka, a za svaku od njih je potreban različit antineoplastični lek. Dendrimeri bi se mogli koristiti za otkrivanje koje vrste ćelija su prisutne i koje isporučuju potreban hemoterapeutik.

Takođe, moguće je da bi oni mogli pratiti kako pojedinačne ćelije odgovaraju, omogućavajući lekaru da modifikuje lečenje.

Nekoliko raznih nanotehnoloških terapijskih modaliteta je u različitim fazama razvoja. Razvijene su hemoterapijske nanočestice koje se sastoje od konjugata polietilen glikol/fosfatidil etanolamina. Ova strategija je omogućila solubilizaciju slabo rastvorljivog fotodinamičkog terapijskog agensa, mezo-tetrafenilporfina (TPP). Istraživači su razvili polimerske micele usmerene na tumor u kojima je TPP bio inkapsuliran. Kada je bio obložen antitumorskim antitelom, primećen je značajno poboljšan antikancerogeni efekat micela na ljudske i mišje kancerogene ćelije in vitro, nakon isijavanja svetlom. Strategija omogućava uvođenje velikih količina lekova u ćelije što za rezultat ima značajno ubijanje meta.

Čini se da su biokompatibilne i biorazgradive nanočestice efektivan način prenošenja terapijskih agenasa u ćelije tumora. Druge grupe takođe rade na višenamenskim platformama za otkrivanje i tretman kancera, ali one tek treba da pokažu da njihovi ’uređaji’ mogu da izađu iz krvotoka i kasnije iz tela. Istraživači su dodavali antitela na zlatne nanočestice, nakon

10

čega su se čestice selektivno vezivale za određene ćelije raka. Svetlo koje se reflektuje sa tih čestica otkriva njihovu lokaciju i zbog svetla koje resorbuju čestice se zagrevaju, uništavaju mete, ostavljajući okolne ne-maligne zdrave ćelije neoštećenim.

[Slajd 14]

Kardiovaskularna nanomedicina

Kardio-nanomedicina je izazvala mnogo uzbuđenja s tačke gledišta dijagnostike kao iterapije, iako nano-kardio-proizvodi odobreni od FDA nisu dostupni. 1 milion ljudi umire od kardiovaskularnih bolesti godišnje, što je oko dva puta više nego od kancera. Agensi zasnovani na nanočesticama su obećavajući kao kardiovaskularni dijagnostički alati.

Strategije uključuju magnetnu rezonanciju intravaskularnog tromba koja koristi agens za snimanje pakovan unutar tečne perfluorugljenikove emulzije sa nanočesticama (liquid perfluorcarbon nanoparticle emulsion). Nanočestice se mogu usmeravati specifično na tromb pomoću antitela izraženog na površini nanočestice usmerenog u pravcu unakrsno vezanog fibrina, čime se čak i mali tromb može snimiti. Ovi pristupi obećavaju da izmene sadašnju medicinu „vidi i leči“ u strategiju „otkrij i spreči“. Dizajnirani da se usmeravaju na specifične epitope (deo makromolekula koji prepoznaje antitelo) u tkivima, ovi agensi počinju da ulaze u klinička ispitivanja za kardiovaskularne primene. Postoje brojni proteini čije prisustvo je implicirano kao marker za trombozu. Ispituju se platforme za isporuku lekova u kojima se lipofilni lek inkorporira u površinu liposoma koji sadrži antitelo vezano za njegovu površinu. Lek se ne oslobađa sve dok se liposom ne veže za ciljnu ćeliju. Kada do ovoga dođe, dolazi do razmene lipida iz liposoma sa onim iz ćelijske membrane, što omogućava selektivno ulaženje leka u ćeliju u visokoj koncentraciji, i uveliko smanjuje sistemsko izlaganje i kolateralnu toksičnost leka.

Inženjering tkiva srca na bazi nanotehnologije uključuje ispitivanja kultivisanih kardiomiocita, koji su indukovani da se orjentišu na uređen način na paralelnim mikrotrakama elastomernog biorazgradivog poliuretanskog sloja obloženog lamininom (laminin-coated elastomeric biodegradable polyurethane film). Ovaj paralelni poredak rezultira efektivnijom kontrakcijom od one koja je postignuta u odsustvu ovakvog uređenja. Štaviše, biomaterijali se mogu modifikovati da kontrolišu vaskularizaciju oko regenerativnog materijala sa proizvedenim tkivom i da regulišu reakciju stranih tela na biomaterijale. Kardiovaskularni biomaterijali koji su razvijeni korišćenjem nanotehnologije moraju omogućiti kompatibilnost krvi.

Postavlja se pitanje: Jednom kad zrele molekulske nanotehnologije budu dostupne, da li će krv biti jednostavno moguće zameniti sa kompleksnim robotom? Takav robotski sistem je predmet mnogih istraživanja i njegov naziv je „vaskuloid“.

On može duplirati sve moguće bitne termičke i biohemijske trasportne funkcije krviuključujući cirkulaciju respiratornih gasova, glukoze, hormona i sve neophodne ćelijske komponente. Vaskuloid bi morao biti ekstremno kompleksan imajući u sebi 500 triliona nezavisnih međusobno sarađujućih nanorobota. Najjednostavnije rečeno, vaskuloid je vodonepropusna prevlaka nanomašine postavljena kroz unutrašnju šupljinu površinu ljudskogvaskularnog stabla. Ove nanomašine bi se sastojale od 2D mozaika vaskularne mreže površine

300m2 kombinovanog sa kvadratnim nanorobotskim pločama koje su opremljene sa cilijarnim mehaničkim nizom sistema koji pomažu transport važnih nutrijenata i bioloških ćelija u tkivu.

11

[Slajd 15]

Neurološka nanomedicina

Jedno od područja u medicinskoj nauci koje nosi najviše izazova je „popravka“centralnog nervnog sistema (CNS) nakon traume. Razvijaju se brojne platforme nanotehnologije kako bi se bavile ovim pitanjem, i javljaju se široke aplikacije koje bi mogle biti relevantne za druga područja medicine i fiziologije. CNS predstavlja naročiti izazov zbog ograničenog anatomskog pristupa. Bez obzira na to, dostignuća u nanohemiji, u kombinaciji sa povećanim razumevanjem molekularne i anatomske baze CNS funkcije, napreduju brzinom koja bi uskoro mogla omogućiti terapijama baziranim na nanotehnologiji da dospe do kliničkih ispitivanja. Aplikacije u nanotehnologiji se koriste za zaštitu CNS-a od oštećenja slobodnih radikala, koje igra značajnu ulogu u različitim patologijama, uključujući traumu i degenerativne neurološke poremećaje. Poznato je da domaćin štetnih hemijskih vrsta, uključujući superoksid, hidroksil, peroksid i peroksinitrit jone posreduje u ovim destruktivnim procesima. Nano-senzorske tehnologije se razvijaju radi praćenja nivoa glutamata unutar i na površini živih ćelija. Ove ekscitatorne amino kiseline igraju veoma značajnu ulogu kao glavni neuroprenosnik u kičmenom CNS-u, utičući suštinski na sve vrste ponašanja. Smatra se da su promene jačine veze na glutamatergičnim sinapsama u osnovi učenja i memorije. Štaviše, glutamat takođe ima ulogu u neurološkom oštećenju do koga dolazi pri moždanom udaru i neurodegenerativnim poremećajima. Nakon što bude oslobođen, njegovo brzo uklanjanje iz sinaptičke pukotine je od vitalne važnosti za sprečavanje eksito-toksičnosti i presipanja u susedne sinapse.

[Slajd 16]

Zamena hromozoma

U budućnosti medicinski nanoroboti biće sposobni da intervenišu na ćelijskom nivou, izvodeći „in vivo“ citohirurgiju, jer je najverovatnije mesto događanja patološke funkcije u ćeliji – hromozom u nukleusu. U jednoj citohirurškoj proceduri pod nazivom „terapija hromozomske zamene“ nanorobot, kontrolisan od strane fizičara, moći će da izdvoji postojeće hromozome iz obolele ćelije i ugradi nove na njihovo mesto. Zamena hromozoma bila bi izvedena izvan pacijenta u laboratoriji unutar vrhunske linije uređaja za proizvodnju gde se nalazi deo koji predstavlja liniju molekulskog sklapanja, koja u svojoj realizaciji koristi individualni genom pacijenta prema unapred definisanom planu. Prema pacijentovom izboru bili bi zamenjeni samo inherentni defektni geni sa nedefektnim sekvencama baznih parova radi lečenja genetske bolesti. Brzina sa kojom bi se nanoroboti dozirali i brzina njihove akcije unutar procedure obnove celog tela bila bi za jedan sat pa čak i manje, a hromalociti tj.

12

nanoroboti za terapiju zamene hromozoma sastojali bi se od 4 triliona atoma, širine 4,2 μm i debljine 3,3 μm.

[Slajd 17]

Ostale primene nanotehnologije medicini:

- Proizvodnja veštačkih eritrocita- Nosači kiseonika do tkiva koja su oštećena- Reperfuzija kod ishemije- Zamena za enzimsku terapiju- Obnova ćelija jetre i bubrega- Ćelijska enkapsulacija i reparacija

[Slajd 18]

Primena nanotehnologija u isporuci lekova

U poređenju sa drugim klasama materijala, polimerni materijali pokazuju raznovrsnu primenu svojih osobina za isporuku lekova. Tokom prethodnih nekoliko decenija, istraživan je veliki broj sistema za isporuku lekova, dizajniranih većinom u obliku mikrosfera, filmova, tableta ili implantacionih uređaja radi kontrolisanog otpuštanja lekova koristeći prednosti karakteristike polimera. Danas koncept raspodele lekova nije ograničen samo na produženo vreme otpuštanja leka već i na kontrolu njegove prostorne raspodele koja omogućava da se lek usmeri ka željenom mestu dejstva. Da bi cilj bio realizovan što efikasnije, istraživanja dobijaju multidisciplinarni karakter i dolazi do povezivanja hemije, fizike, biologije i bioinženjerstva. Veoma važna oblast ovog naučnog polja je i razvoj sredstava za kontrolisanu dostavu medikamenata u živim sistemima. Nanočestice se razvijaju kao značajna strategija za unošenje i prenos lekova, terapeutskih sredstava, rekombinantnih proteina, vakcina i nukleotida. Nanočestice i drugi kolodini sistemi za unošenje i prenos lekova značajno modifikuju kinetiku, raspodelu u organizmu, pri čemu se značajno ističe i smanjenja pojava neželjenih efekata, zahvaljujući kontrolisanom oslobađanju aktivne supstancije. Osnovni cilj razvoja i dizajniranja sistema za kontrolisanu dostavu terapeutskih sredstava je ciljana terapija i dostavljanje lekova do specifičnih obolelih tkiva i organa na mestu gde je farmakološko dejstvo željeno, čime se druga tkiva ne oštećuju primenjenom terapijom. U prethodnom poglavlju su opisane kvantne tačke i dendrimeri, kao i njihova uloga u isporuci lekova, tako da ćemo sada govoriti o ostalim prenosiocima lekova.

[Slajd 19]

13

Prenosioci lekova

Složeni lipidi su prisutni u svim ćelijama živih organizama gde pored drugih materija učestvuju u izgradnji bioloških membrana. Fosfolipidi su trigliceridi kod kojih je glicerin esterifikovan sa dva ostatka masnih i jednim ostatkom fosforne kiseline. Zbog estarski vezane fosforne kiseline mogu se posmatrati i kao jedinjenja izvedena iz glicerin-L-fosfata čijim se acilovanjem na preostalim OH gupama dobijaju fosfidne kiseline koje se retko sreću u prirodi. Tako nastaje fosfoglicerid koji se nalazi u strukturi biološke membrane čiji deo molekula poseduje polarnu grupu glave fosfoglicerida koja uspostavlja vodonične veze, a drugi deo je njegov hidrofobni deo koji je supstituisan masnim kiselinama. U slučaju suspendovanja masnih kiselina u vodi dolazi do stvaranja micela ili monosloja, to su agregati približno sfernog oblika, sastavljeni od velikog broja molekula čiji je hidrofobni deo okrenut prema unutrašnjosti, a polarne grupe su poređane ka površini micele i u dodiru su sa vodom. Kod fosfolipida usled nezadovoljavajućeg pakovanja parova ugljovodoničnih lanaca dolazi do formiranja dvostrukih slojeva koji teže da se samozatvore u lipozome - lipidne vezikule. Terapeutski i dijagnostički agensi mogu biti inkapsulirani, kovalentno povezani ili adsorbovani na pomenute nanonosioce. Na taj način se prevazilaze problemi rastvorljivosti leka, imajući u vidu da su mnogi kandidati za nove lekove nerastvorljivi u vodi.

Farmakokinetički profili injektovanih nanokristala mogu varirati of brzorastvornih do vrlo slaborastvornih u krvi. Zbog njihove male veličine i funkcionalizacije površine sintetičkim polimerima i odgovarajućim ligandima, nanočestični nosioci lekova mogu biti usmereni na specifične ćelije i lokacije unutar tela nakon intravenske i subkutane injekcije. Takav pristup može povećati osetljivost detekcije u medicinskoj dijagnostici, poboljšati terapeutsku efikasnost i smanjiti neželjene efekte. Neki od nosilaca se mogu tako napraviti da se aktiviraju promenom pH okoline, hemijskim stimulsom, primenom visoko oscilatornog magnetnog polja ili primenom spoljašnjeg izvora toplote. Takve modifikacije omogućavaju da se kontroliše integritet čestice, brzina isporuke leka, kao i lokacija isporuke leka. Neki nosioci su multifunkcionalni: imaju sposobnost da se specifično vezuju za receptore na ciljanim ćelijama i da simultano isporuče lek i biosenzore koji detektuju efikasnu isporuku leka.

Uspešan sistem za prenos lekova mora da pokaže optimalno punjenje leka i dobre osobine njegovog oslobađanja, dugo vreme trajanja u skladištima i nisku toksičnost.

Micele su agregati molekula u vodi, sa nepolarnim delovima u unutrašnjosti i polarnim na površini koja je izložena vodi. Površinski aktivne supstancije formiraju micele na kritičnoj micelarnoj koncentraciji, na kojoj dolazi do nagle promene fizičkih osobina micelarnih sistema. To su agregati površinski raspršenih molekula u tečnom koloidu, njihova veličina i oblik mogu da se menjaju. Lekovi mogu biti zarobljeni u jezgru micele i transportovani u koncentracijama čak većim nego što je njihova stvarna rastvorljivost u vodi. Može da se formira i ekstratanka ljuska oko micele i da efikasno štiti sadržaj i da spreči prepoznavanje od strane retikuloendotelijalnog sistema, pa tako i prerano odstranjivanje iz krvnog sistema. Micele mogu hemijski da budu izmenjene tako da selektivno ciljaju širok opseg mesta bolesti.

Lipozomi su mehurići koji se sastoje od jednog ili više hemijski aktivnih masnih dvosloja. Molekuli leka mogu da budu enkapsulirani i rastvoreni unutar tog dvosloja. Neki proteini mogu da budu ugrađeni u membranu lipozoma i da se ponašaju kao selektivni filteri dozvoljavajući samo difuziju malih rastvorenih čestica kao što su joni, hranljivi sastojci i antibiotici. Lipozomi su zatvoreni mehuri koji se formiraju hidratacijom suvih fosfolipida i u zavisnosti od naelektrisanja dele se na nenaelektrisane (lecitin-holesterol), negativno naelektrisane (lecitin-holesterol-fosfatidinska kiselina-dicetil fosfat) i pozitivno naelektrisane (lecitin-holesterol-stearilamin). Klasifikuju se u nekoliko grupa na osnovu veličine i broja

14

dvosloja. Multilaminarni mehur se sastoji od nekoliko lipidnih dvoslojeva koji su međusobno razdvojeni vodom. Veličina lipozoma se kreće od nekoliko stotina do nekoliko hiljada nm. Mala veličina čestice znači veliku relativnu površinu. Ovo može stvoriti probleme aglomeracije primarnih nanočestica u biološkoj sredini, što onda utiče na efektivnu veličinu nanočestica i njihovu brzinu uklanjanja iz organizma. Molekuli medikamenata se zarobe ili u vodi ili se interkaliraju u lipidni dvosloj lipozoma zavisno od osobina medikamenata koji se prenose unutar organizma. Primena je limitirana usled problema kao što su mala efikasnost inkapsulacije, niska stabilnost prilikom skladištenja. Polimerne nanočestice imaju niz prednosti u odnosu na lipozome i tu svakako spadaju povećanje stabilnosti leka i lakše skladištenje. [2,6]

Tečni kristali kombinuju svojstva i tečnosti i čvrstog stanja, mogu biti napravljeni tako da formiraju različite geometrije, sa naizmeničnim polarnim i nepolarnim slojevima u kojima mogu da budu ugrađeni vodeni rastvori leka.

Nanočestice uključujući nanosfere i nanokapsule, ili kvantne tačke mogu biti amorfne ili kristalne. Sposobne su da absobuju i/ili enkapsuliraju lek, i tako ga zaštite od hemijske ili enzimske degradacije. U nanokapsulama, lek je ograničen na šupljinu okruženu polimerskom ili polikristalnom membranom, dok su nanosfere matrični sistemi u kojima je lek fizički i uniformno dispergovan. Sada se koriste različiti stimulansi koji iniciraju raspršenje nanokapsule u datom trenutku i na definisanom mestu.

Na Rajs univerzitetu 2002 godine patentirana je tehnologija nanoomotača za komercijalnu primenu. Nanoomotači su sastani deo nanokompozita koji se sastoji iz leka i polimera koji je usklađen sa tumorskom metom kao deo celovitog sistema zajedno sa jezgrom kompozita koji se injektira u telo.

Nanoomotači kruže unutar tela sve dok se potpuno ne akumuliraju u blizini tumorskih ćelija. Kada se osvetle infracrvenim laserom nanoomotači selektivno apsorbuju IR frekvencije, tope polimer i otpuštaju njegov lek puneći njime specifična mesta oboljenja. Brojne su istraživačke grupe koje se bave istraživanjima biološke primene zlata. Alternativni pristup primeni zlata otvara se istraživanjima na nanočesticama gvožđa i antitela u nanobiosondama veličine od 40 nm. Hemijski inertne sonde se injektiraju i cirkulišu u telu dok se antitela selektivno vežu za membranu tumorskih ćelija. Kad se jednom tumor prekrije nanosondama posle nekoliko sati magnetno polje zagreva čestice gvožđa više od 76ºC ubijajući ćelije tumora za nekoliko sekundi. Kad se ćelije jednom razore telo ih izbacuje i uklanja ćelijske ostatke i nanočestice, slika 4.5. Za nanobiosonde se kaže da funkcionišu slično kao pažljivo postavljen eksploziv koji se detonira daljinskim upravljačem, za razliku od hemoterapije koja ubija i nema kolateralne štete.

Tehnike koje se zasnivaju na primeni nanoomotača mogu biti korisne i na tretmanu dijabetesa, gde umesto da se insulin primi injekcijom, pacijent koristi hemijsku olovku veličine IC lasera da zagreje kožu i injektira se polimer u formi nanoomotača. Toplota iz nanoomotača čini da polimer otpusti puls insulina i za razliku injekcije koja se prima po nekoliko puta na dan, nanoomotač-polimer sistem ostaje u telu mesecima.

Hidrogeli su mreže trodimenzionih polimera koji nabreknu, ali se ne rastvaraju u vodenoj sredini Koriste se za regulisanje oslobađanja lekova ili kao prenosioci u uređajima za oslobađanje lekova kontrolisanog nabreknuća. Mogu da moduliraju oslobađanje leka u reakciji na pH vrednost, temperaturu, jonsku snagu, električno i/ili magnetno polje, ultrazvuk, ili na razliku specifične koncentracije analita. Oslobađanje može da bude dizajnirano tako da se dešava na specifičnim delovima tela. Primenjuju se i u poljoprivredi za kontrolisano otpuštanje pesticida, kozmetici, inženjerstvu tkiva gde se koriste kao matrice za reparaciju i regeneraciju tkiva i organa, itd.

Molekulsko utisnuti polimeri imaju ogroman potencijal za sisteme dostavljanja lekova, gde se oslobađanje leka aktivira nekim fizičkim, hemijskim ili biohemijskim procesima i

15

povratno regulisanu dostavu lekova, gde je stopa oslobađanja leka regulisana koncentracijom pokretačkih agenasa, koji se aktiviraju koncentracijom leka u telu.

Sprega bioloških molekula (peptida/proteina) i sintetičkih polimera je efikasan način poboljšanja kontrole nad formacijama nanostruktura sintetičkih polimera ili ultratankih polikristalnih slojeva, koji mogu biti upotrebljeni kao sistem dostave lekova. Sprega pogodnih sintetičkih polimera i peptida ili proteina, može da smanji toksičnost, preventivno deluje na imunogene i antigene sporedne efekte, popravi vreme cirkulacije krvi i poboljša rastvorljivost leka.

In-situ formirajući implanti su tečne formacije koje generišu (polu)čvrst depo nakon potkožne injekcije i predstavljaju privlačan sistem dostave za ne-oralnu primenu zato što su manje invazivne i bolne u poređenju sa implantima. One omogućuju da lek bude dostavljen lokalno ili sistematski tokom dužih vremenskih perioda, tipično maksimalno do nekoliko meseci. Ovi sistemi depoa mogu da smanje sporedne efekte postizanjem konstante, „poput infuzije” profila lekova, što je posebno važno kod dostave proteina sa uskim terapeutskim indeksima. Takođe pružaju prednost da su relativno jednostavni i da je njihova proizvodnja jeftina.

Sinteza magnetnih koloida za isporuku lekova

Magneti konjugati lek-čestica treba da ispune minimalno sledeće zahteve: a) moraju imati unutrašnju mikrostrukturu koja se sastoji od magnetnih nanočestica,

matricu pogodnu za opterećenje lekom i otpuštanje leka, spoljašnju prevlaku koja poseduje neophodnu biokmapatibilnost;

b) magnetne čestice moraju biti superparamagnetne, maksimalni prečnik nm, ili feromegnetici u nanoskalnoj oblasti, maksimalni prečnik 100 nm, sasvim blizu superparamagnetne granice;

c) prečnik magnetnog kompozita mora biti manji od 50 nm, jer šupljine pora u krvnim sudovima koji utiču na angiogenezu su reda veličeine 400-800 nm.

Magnetni koloidi korišćeni za inkapsulaciju lekova klasifikuju se u kompozitne čestice ili nanokpsule. Prve su guste submikronske čestice koje sadrže magnetne čestice u organskoj ili neorganskoj matrici strukturirane kao jezgro-omotač kompoziti, u kojima jedna ili više magnetnih čestica su zarobljene unutar matrice, a druge su u odnosu na njih inverzne građe, s tim što njihovo jezgro čini neorganska matrica, dok se magnetne nanočestice nalaze u omotaču. U vodenoj ili uljanoj sredini lek je okružen magnetizabilnom membranom ili je smešten u šupljoj neorganskoj kapsuli.

[Slajd 20]

Unos dostavljača lekova

Izbor dostavnog puta zavisi od pacijentovog prihvatanja, važnih svojstava leka, kao i od mogućnosti da se cilja mesto bolesti.

Peroralni je najvažniji ili najzastupljeniji put dostave leka, jer nudi prednosti udobnosti, jeftinosti u rukovanju i uštede u ceni proizvodnje. Lekovi bazirani na proteinima i peptidima nude najveći potencijal za efikasnije terapeutike, ali ne prelaze lako preko sluznih površina i bioloških membrana, skloni su brzom čišćenju u jetri i drugim tkivima tela i zahtevaju precizno doziranje.

Parenteralni putevi unosa se obavljaju intravenozno, intramuskularno ili potkožno. Npr. lipozomi se unose intravenozno, a nanočestični prenosioci lekova imaju veliki potencijal

16

za dostavu nosnim i podjezičnim putem. Postoji i mogućnost poboljšanja očne biodostupnosti leka ako se unosi putem koloidnog prenosioca leka.

Plućna dostava leka se ostvaruje na razne načine: putem aerosola, inhalatorskim sistemima merene doze, prahom (inhalatori suvog praha) i rastvorima (zamagljivači), koji mogu da sadrže nanostrukture kao što su lipozomi, micele, nanočestice i dendrimeri, slika 4.7. Ovakva isporuka lekova nudi lokalno ciljanje u lečenju respiratornih bolesti i sposobna je za sistematsku upotrebu. Međutim, uspeh u lečenju je smanjen bio(ne)dostupnim proteazama u plućnim krilima i barijerom između kapilarne krvi i alveolarnog vazduha.

Transdermalna dostava lekova je neinvazivna tehnika, dobro prihvaćena od strane pacijenata, i može se koristiti za obezbeđenje lokalne dostave u periodu tokom nekoliko dana, podesna je i za pacijente u nesvesnom stanju. Ograničenja uključuju sporu stopu prodiranja, nedostatak fleksibilnosti doziranja i/ili preciznost, i ograničenje na relativno niske doze leka.

Trans-tkivni i lokalni sistemi dostave lekova su sistemi koji zahtevaju da budu čvrsto povezani na isečeno tkivo tokom operacije. Cilj je da se proizvede pojačan farmakološki efekt, dok se smanjuje sistemska toksičnost u vezi sa načinom unosa.

Trans-tkivni sistemi uključuju: • želatinozni gel punjen lekom, formiran in-situ i prijanja na sečeno tkivo oslobađajući

lekove, proteine ili genski-kodiran adenovirus; • gel fiksiran antitelima (citokininska barijera) koji formira barijeru koja na ciljanom

tkivu može da spreči prodiranje citokinina u tkivo; • ćelijska dostava; • dostava upravljana uređajem – lekom, ponovo punjiv infuzioni uređaj koji može da se

prikači na sečeno mesto. Genska dostava je izazovni zadatak u lečenju genetskih oboljenja. Plazmidna DNK

mora da bude ubačena u ciljane ćelije. Ona mora zatim da bude transkribovana i da genetske informacije konačno prevede u odgovarajući protein. Da bi se ovo postiglo jedan broj prepreka mora biti prevaziđen. Sistem dostave gena mora da bude nanišanjen na ciljanu ćeliju, trasportovan kroz ćelijsku membranu, uzet i razložen u endolizomima i plazmidna DNK treba da bude prebačena unutar ćelije do jezgra.

[Slajd 21]

Usmeravanje nanočestica

Makrofagi su osnovne ćelije urođene imunosti, imaju sposobnost da prepoznaju i ingestiraju strane čestice procesom fagocitoze, čime obezbeđuju racionalan pristup usmeravanju nanočestica ka ovim ćelijama. Promene u efektorskim funkcijama makrofaga doprinose mnogim patološkim stanjima kao što su ateroskleroza, autoimunitet i infekcije. Dakle, makrofag je farmaceutska meta i postoje brojne mogućnosti za terapeutske pristupe bazirane na selektivnoj isporuci nanočestica makrofagima. Obeležavanje makrofaga kontrastnim sredstvima u formi nanočestica predstavlja interesantan dijagnostički pristup. Nakon izlaska iz krvotoka, intravenski injektovani nanokristali paramagnetnog gvožđe oksida zadržavaju se u makrofagima limfnih čvorova. Njihova intraćelijska akumulacija skraćuje spinske relaksacione procese, pa se na snimanju magnetnom rezonancijom ovi čvorovi (koji akumuliraju kristale gvožđe oksida) detektuju kao tamniji u odnosu na ostalo tkivo. Ovo otkriće je olakšalo razlikovanje normalnih i tumorskih limfnih čvorova.

Endotelne ćelije – koncept usmeravanja nanočestica ka krvnim sudovima je veoma atraktivan, imajući u vidu važnu ulogu krvnog endotela u brojnim patološkim procesima uključujući tumore, zapaljenja, vaskularnu trombozu i dr. Ovakav pristup se koristi za usme-

17

ravanje terapeutskih agenasa u vaskulaturu čvrstih tumora pomoću nanopeptida koji se specifično vezuju za endotelne molekule iz klase integrina. Vezivanjem integrin-specifičnog nanopeptida za antitumorski lek doksirubicin stvoreno je jedinjenje koje je znatno efikasnije i sa manjim neželjenim efektima po srce i jetru.

Tumorske ćelije – razvoj „stealth” tehnologija kojima se nanočestice modifikuju tako da postanu „nevidljive” za makrofage, omogućio je izbegavanje fagocitoze i pasivnu akumulaciju intravenski injektovanih nanočestica (20-150 nm) u tumorima, za koje je poznato da imaju „propustljive” krvne sudove sa velikim porama između endotelnih ćelija. Međutim, zbog heterogene prokrvljenosti tumora, prostorna raspodela „stealth” nanočestica je heterogena i nepredvidljiva, a strukturne i funkcionalne abnormalnosti krvnih i limfnih sudova, kao i ćelija unutar čvrstih tumora, ometaju efikasnu isporuku nanočestica. Iako postoje rezultati koji opisuju aktivno usmeravanje nanočestica ka tumorskim ćelijama, isporuka leka u ovim slučajevima je ipak ostala pasivna. Nanočestice se mogu usmeriti ka tumorskim ćelijama pomoću tumor-specifičnih antitela ili drugih molekula koji se specifično vezuju za tumorske ćelije, kao što je npr. folna kiselina. Ekspresija receptora za folnu kiselinu ograničena je na karcinom materice, rektuma i pluća, i uglavnom nije karakteristika normalnog tkiva, pa je usmeravanje pomoću folne kiseline interesantan pristup i pruža brojne prednosti u odnosu na antitela.

[Slajd 22]

Izbacivanje nanočestica

U okviru biološke mikrosredine nanočestice se ponašaju različito: njihova stabilnost, vanćelijska i ćelijska distribucija zavise od njihove hemijske strukture, morfologije i veličine. Mreža krvnih i limfnih sudova u telu, koja pruža prirodne puteve za distribuciju hranljivih materija, izbacivanje neželjenih materija i isporuku terapeutskih agenasa, jednako dobru ulogu će preuzimati i u slučaju upotrebe nanočestica. Ali ovi aspekti su zavisni od puta unošenja u organizam: preko krvotoka (intravenski) ili kroz kožu (subkutano).

Ako se unesu intravenskom injekcijom, čestice se brzo izbacuju iz cirkulacije unošenjem (fagocitozom) od strane Kupferovih ćelija jetre i makrofaga slezine. Ovaj pasivan, prostorno-specifičan način uklanjanja (klirensa) predstavlja osnovni mehanizam deaktivacije stranih čestica od strane ćelija imunskog sistema. Veće čestice (200 nm i veće) efikasnije aktiviraju sistem komplementa od manjih čestica, što vodi njihovoj efikasnijoj opsonizaciji i bržem ukljanjanju iz krvi fagocitozom.

Intersticijalna injekcija nanočestica može biti izabrana ako je meta određeni limfni čvor ili grupa regionalnih limfnih čvorova. Veličina čestice mora biti dovoljno velika da bi se sprečila difuzija u krvne kapilare. Čestice veličine od 30 do 100 nm obično zadovoljavaju ovaj uslov, dok se čestice veće od 100 nm kreću vrlo sporo i podložne su klirensu od strane intersticijalnih makrofaga.

Toksičnost nanočestica

Vezivanjem lekova za nanočestica kao nosioce mogu se prevazići problemi rastvorljivosti i stabilnosti leka, kao i smanjiti neželjeni efekti. Međutim, brojni toksikološki rezultati u različitim biološkim sistemima pokazali su toksičnost samih nanočestica, kao što su kvantne tačke, polimerne micele, fuleren (C60) i njegovi derivati.

18

Iako su CdSe kvantne tačke puno obećavale u dijagnostici, malo je bilo poznato o njihovom metabolizmu i mogućim štetnim efektima. Otkriveno je da su ove kvantne tačke letalne za ćelije jer otpuštaju vrlo toksične kadmijumske jone. Neke polimerne micele takođe mogu izazvati ćelijsku smrt, a imaju i sposobnost da menjaju ekspresiju gena u ciljnim. Različiti derivati fulerena rastvorljivi u vodi, zahvaljujući sposobnosti da neutrališu kiseonične slobodne radikale, uglavnom se smatraju citoprotektivnim agensima. Ali, paralelna istraživanja pokazala su da fuleren i njegovi derivati u određenim uslovima (npr. posle ozračivanja ultraljubičastim zracima) mogu da proizvode nepoželjne kiseonične radikale i tako oštećuju ćelije.

[Slajd 23, 24]

VAŠA PITANJA…

PAUZA

[Slajd 25]

Budućnost nanomedicine

1. NANONAUKA I MEDICINA Nauka nanodimenzija nudi mogućnost za različite tehnologije – uključujući biotehnologiju, kognitivne nauke, informatiku i robotiku – koje se sastaju sa nanotehnologijom kao njen osnovni pokretač. To je najveća privlačnost nanotehnologije. Logika tehnološke konvergencije leži u razumevanju da celokupna materija, osnovna za sve nauke, potiče iz nanosveta, gde nalazimo „jedinstvo materije“. Drugim rečima razlike u makrosvetu – između materijala, pa čak i između naučnih disciplina – prestaju da postoje na nivou atoma i molekula. U nano svetu nema razlike između žive i nežive materije, na primer: DNK postaje samo još jedan molekl koji može da se kobinuje ili zamenjuje sa drugim molekulima. 1.1. Nanomašine u našim telima U bliskoj budućnosti treba da očekujemo novu vrstu nanouređaja koji bi mogli dneti revoluciju medicini, kao što su nanomašine koje prolaze krvotokom. „Glavni cilj nanotehnologije jeste stvaranje molekularnih lovaca koji će se obrušavati na ćelije raka i uništavati ih čisto, tako da normalne ćelije ostanu netaknute.“2 Džerom Šentag sa Univerziteta Bafalo, 1992. godine, izumeo je tableticu, sićušni instrument veličine pilule koji kada se proguta može, elektronski pratiti. Tome se, dakle može naložiti, da isporuči lek na određeno mesto, tj. lokaciju. Napravljene su pametne pilule sa TV kamerama kako bi mogle fotografisati utrobu čoveka, dok se spuštaju niz želudac i creva. One se mogu navoditi magnetima, pa na taj način ovi uređaji mogu tragati u telu za potencijalnim tumorima ili polipima. Po predviđanjima, u skorijoj budućnosti, manje operacije će se obavljati tim pametnim pilulama, koje će iznutra uklanjati sve anomalije i obavljati biopsije, bez rasecanja kože. Mnogo manji uređaj je nanočestica, molekul koji može isporučiti lekove protiv raka na

19

konkretno mesto, a to može doneti revoluciju u lečenju raka. Svako ko je iskusio užasne nuspojave hemoterapije razumeće ogroman potencijal tih nanočestica u smanjenju ljudskih patnji. Nanočestice to menjaju, lekovi, popun onih za hemoterapiju, stavljaju se u molekul u obliku kapsule. Onda će se nanočestici dozvoliti da kruži krvotokom sve dok ne pronađe konkretno mesto, gde će lek isporučiti. Korak dalje od nanočestice jesu nanokola, uređaj koji se sa sigurnošću može navoditi dok putuje telom. Dok se nanočestici dopušta da slobodno cirkuliše krvotokom, ta nanokola su kao bespilotne letilice sa daljinskim upravljanjem. 1.2. Univerzalni asembleri Koristeći elektronski mikroskop STM (Scanning Tunnelling Microscope) za posmatranje pojedinačnih atoma na niskim temperaturama, stručnjaci IBM-a su zapazili da njime mogu da pomeraju pojedinačne atome ksenona. Pomeranje atoma na taj način bi bilo veoma komplikovano, skupo i dugotrajno. Za pomeranje atoma bi nam više odgovaralo mnoštvo minijaturnih uređaja (asemblera) koji su posebni da pomeraju atome. Eric Drexler opisuje asemblere kao uređaje koji imaju minijaturne robotske ruke pod kontrolom računara. Oni bi bili u stanju da upravljaju položajima atoma, u cilju kontrolisanja i određivanja precizne lokacije na kojoj se odvijaju hemijske reakcije. Generalno pristup bi dozvolio konstrukciju velikih i preciznih objekata kao posledica precizno kontrolisanih hemijskih reakcija u kojima se objekti grade molekul po molekul. Asembleri bi mogli da izvršavaju i takve instrukcije pomoću kojih bi pravili svoje kopije. Iz tog razloga, oni bi bili jeftini. Ovo možemo videti na primeru prirodnih proizvoda kao što su drvo, seno, krompiri – oni su zaista jeftini. Radeći u velikim grupama, asembleri i specijalizovanije mašine će biti sposobne sa grade objekte jeftinije. Oni će biti u stanju da postave svaki atom na pravo mesto, i zbog toga će proizvodi biti većeg kvaliteta i pouzdanosti. Radeći na molekularnom nivou, proizvodnja će biti ekstremno čista (bez sporednih proizvoda i zagađenja Asembleri će graditi molekularne strukture prateći instrukcije računara. Asembler će obezbeđivati trodimenzionalnu poziciju i potpunu orijentacionu kontrolu nad molekularnim komponentama (slično kao ribozomi sa individualnim amino kiselinama) dodavajući ih na rastuću kompleksnu molekularnu strukturu (analogno formiranju belančevina). Asembleri će biti sposobni da grade više različitih hemijskih struktura a ne samo jednu vrstu (belančevine) kao ribozomi. Izračunavanja pokazuju da asembleri ne moraju biti veliki. Težina tipičnih enzima je otprilike 105 AJ (atomskih jedinica mase) dok ribozom ima težinu od 106 AJ. Najmanji asembler bi mogao da ima masu otprilike deset puta veću od mase ribozoma. Trenutna idejna rešenja asemblera su malo veća od ovoga. 1.3. Molekularna medicina Nanotehnologija će omogućiti izgradnju na atomskom nivou, mehanički računari sa mogućnostima mainframe-a mogli bi se proizvoditi toliko mali, da bi se mogli smestiti unutar biološke ćelije ne ometajući je u radu. Ako bi povezali minijaturne motore, zupčanike, poluge, senzore, energiju, i komunikacione veze itd, sa moćnim minijaturnim računarima, mogli bi praviti nove vrste inteligentnih materijala. Takvi novi materijali sa mogućnošću programiranja našli bi svoju primenu i u medicini. Medicinski asembleri bi patrolirali unutar tela opremljeni sa kompletnim znanjem o DNA osobe u kojoj se nalaze, i uklanjali bi svako strano telo. Takvi ćelijski stražari bi imali funkciju veštačkog imunog sistema i omogućavali bi imunitet ne samo na do sada poznate bolesti, nego i bilo kakvih budućih virusa ili baterijskih mutacija. Ovakvi asembleri bi takođe mogli vršiti korekcije kakve se danas izvode plastičnom operacijom, ali bolje. Bez bola, bez povreda i rezultatima preko noći. Ljudi će biti u stanju da oblikuju svoja vlastita tela. Ako bi telo i kosti bili prekriveni nevidljivim dijamantskim vlaknima. Pravilnim dizajniranjem mreže koja bi prekrivala i ojačavala telo i kosti, sa asemblerima manjim od ljudske ćelije bi bilo moguće povećati toleranciju na gravitacionu silu, čovek bi mogao da padne sa višespratne zgrade i

20

prođe bez posledica. U slučaju vatre i hemikalija, kada bi vazduh postao toksičan, mikroskopske dijamantske posude punjene čistim kiseonikom pod pritiskom bi obezbeđivale dovoljno nivo kiseonika u krvi omogućavajući potrebu za disanjem satima. Brojne fatalne posledice bi se zaobilazile, zahvaljujući spektru bezbednosnih uređaja koje će omogućiti nanotehnologija. Nanoračunari i asembleri će biti dovoljno mali da bi mogli biti ubačeni unutar ćelija, bez ometanja ćelije u funkcionisanju, i izvodeći veliki broj novih funkcija. Medicinski asembleri će imati mogućnosti čitanja i razumevanja sadržaja DNA ćelije. Nanoračunarima nisu potrebni za podaci o vrsti boleti koja nas napada, to jest ako nešto nije zapisano u DNA kodu biće uništeno. Virusi, paraziti i bakterije kontinualno mutiraju i iz toga proizilaze nove bolesti našeg prirodnog imunog sistema. Teorijski, nano ćelijski stražar bi mogao naše telo da štiti i od sadašnjih i budućih bolesti. Nema više potrebe za vakcinama za sticanje imuniteta na određene vrste bolesti. Nema više AIDS-a, gripa, ili bilo kojih drugih bolesti! 1.4. Efekat produženja života Neke životinje žive duže u odnosu na druge. Zebe na primer, žive dve godine, papagaji i do devetnaest, neke vrste guštera žive godinu dana, a kornjače sa Galapagosa i do dve stotine godina. Zbog čega je ovoliko velika razlika u dužini života kod ovih sličnih vrsta? Razlika je zapisana u genetskom kodu. Ljudsko telo možemo posmatrati kao mnoštvo molekularnih mašina a način njihovog delovanja je kontrolisan od strane DNA. Ako bi imali alate dovoljno male da radite na tim “mašinama” i razumete kontrolni “softver” njihovo ponašanje bi se moglo modifikovati. Čak i bez nanotehnologije, genetski terapije bi mogle da zaustave starenje, čak i obrnuti proces starenja bi mogao biti pronađen. Najveća nagrada “Terapija za obrnuti proces starenja“ asemblerima. Sve biološke ili molekularne mašine. Kako istraživač Drexler ukazuje: „ako želite da vidite molekularne mašine pogledajte se u ogledalo! Život se sastoji od molekularnih mašina, kontrolisanih preko upravljačkog programa DNA. Starenje je praktično razlog smrti ljudi broj jedan.“ 1.5. Medicinski nanoroboti budućnosti Medicinski nanouređaj bi verovatno bio robot veličine nekoliko mirkometara sastavljen od delova nano veličine. Ovi delovi bi bile od 1-100nm (1nm = 10-9m), mogu biti sastavljeni zajedno u uređaje veličine otprilike 0.5-3 mikro metra (1 mikro metar = 10-6 m) u prečnika. Tri mikrona su maksimalna veličina za medicinske robote, da bi mogli bezbedno da prolaze kroz kapilare. Ugljenik je elemenat koji bi najviše odgovarao za medicinske robote, verovatno u formi od kompozitnog dijamanta ili fulerena zbog izuzetne jačine i hemijske inertnosti dijamanta. Većina drugih lakih elemenata ko što su vodonik, sumpor, kiseonik, azot, flor, silikon, itd će biti korišteni za specijalne svrhe u nano zupčanicima i drugim komponentama. Nemoguće je tačno reći kao izgleda tipičan nanorobot. Nanoroboti nameravaju da putuju krvotokom do njihovog odredišta sa tačnošću od 500-3000 nm. Nano uređaj može biti veličine 500-3000 nm i mogu se unositi zajedno sa hranom ili disajnim putevima mogu biti i veći. Svaka vrsta nanorobota dizajnirana je da izvrši specifičan zadatak. Konačno možda najvažnije, sadašnji rad nanorobota se sada gradi. Mnogo teoretskih dizajna je urađeni i izgledaju dobro na papiru, ali ovi prvobitni dizajni se mogu značajno izmeniti posle neophodnih istraživanja, razvoj i testiranje završi. Za snabdevanje energijom unutar ljudskog organizma medicinski nanouređaji bi mogli da koriste glukozu i kiseonik slično metabolizmu. Druga mogućnost je spoljašnji zvučni generator, koji bi više odgovarao u kliničkim uslovima. U većini slučajeva pacijenti koji se leče nano medicinskim tretmanom izgledali bi kao svaka druga bolesna osoba. Tipični nano-medicinski tretman (protiv bakterija ili virusa) bi sadržavao injekciju možda nekoliko kubnih centimetara mikro – robota u fluidu (slanom rastvoru). Tipična terapeutska doza bi sadržavala otprilike 1012 nanorobota, uprkos nekim slučajevima tretman može i daleko manje uređaja. Svaki robot će

21

biti veličine od 0.5 do 3 mikrometra u zavisnosti od funkcije za koju je dizajniran. Zapremina odraslog ljudskog tela iznosi otprilike 100,000cm3 od čega je zapremina krvi 5400cm3tako da dodavanjem 3cm3 nije neka značajna količina. Nanoroboti rade tačno šta im lekar kaže da rade, i ništa više. Tako da jedine izmene koje vidite na pacijentu je to da se veoma brzo oporavlja. Većina simptoma kao što su groznica i svrab su specifični biohemijski uzroci koji se mogu kontrolisati, smanjiti, ili čak eliminisati korišćenjem prigodnih ubačenih nanorobota. Nakon završenog tretmana lekari će uklanjati njihove nanorobote iz tela pacijenta čim završe posao. Tako da je veoma mala opasnost od “starih nanorobota” koji otkazuju, ili prouzrokuju nešto da se nešto neprijatno dogodi pacijentu posle terapije protiv bolesti. Kako će nanoroboti uklanjati iz tela? Neki nano uređaji će biti u mogućnosti da se razlažu u telu putem ljudskih organa za varenje i izlučivanje. Da li će medicinske nanorobote napasti imuni sistem, pošto budu pušteni unutar ljudskog tela? Imuni sistema predstavlja primarnu reakciju na strana tela. Problem biokompatibilnosti nano-uređaja nije ništa komplikovaniji od biokompatibilnosti medicinskih implantata u opšte. Na isti način, možda čak i jednostavnije zbog toga što medicinski uređaji bi se nalazili samo privremeno u telu. Čak i danas, primena agenata za deaktiviranje imunog sistema tokom privremenih perioda dozvoljava prosto dizajnirane ne biološkim nano robotima da izvode njihov posao na popravljanju bez problema. Pasivna dijamantska spoljašnost može postati i idealna. Više eksperimentalnih studija naznačava glatkije dijamantske strukture, koje manje reaguju sa leukocitima i manje zabranjuju apsorpciju. Tako izgleda razumno nadati se da će oblaganje dijamantima biti moguće bez pukotina sa atomskom preciznošću, pravljenje nano robota sa omotačem od dijamanata će smanjiti bioaktivnost ovih uređaja. Samorepliciranje je osnova za molekularnu proizvodnju. Da li postoji opasnost od nekontrolisanog samorepliciranja nanorobota unutar ljudskog tela? Ako se ne računaju namerne zloupotrebe, ne postoji dobar razlog za proizvodnju nanorobota sposobnih za samorepliciranje unutar ljudskog tela, kada nano robot može biti proizveden jeftino i u ogromnim količinama van ljudskog tela. Najverovatnije da neće biti odobrena proizvodnja nanouređaja za medicinske svrhe koji su u stanju da se samo repliciraju unutar živog organizma. Izuzev u neobičnim okolnostima, svakako ne biste želeli ništa što može da se izgubi kontrolu unutar vašeg tela. Repliciranje bakterija je i ovako dovoljno velik problem. Da li će nanoroboti posedovati visok stepen veštačke inteligenciju? Mnogi medicinski uređaji će imati veoma jednostavne računare i druge uređaje. Respirociti, na primer, imaju približno 1000 operacija/sec što je manje nego neki stariji modeli računara. Za većinu nanorobota za opravku ćelija neće biti potrebno više od 106-109 operacija/sec na računarima koje će se nalaziti na njima za nadgledanje njihovog rada. Brži računari jednostavno nisu potrebni za nadgledanje nanorobota.

2. DIJAGNOSTIČKA LABORATORIJA NA ČIPU Danas laboratorije zahtijevaju puno prostora, rada i vremena. Pošto kosmičke letilice ne mogu da zadovolje ove zahtjeve, razvijene su tzv. laboratorije na čipu (lab-on-a-chip). Te laboratorije će sutra biti dostupne i doktorima porodične medicine. Fluidi organizma (tečnosti i gasovi) će se kretati i miješati u kanalima mikro i nano dimenzija na nano nivou. Mikrofluidika je analiza fluida čiji volumeni su više hiljada puta manji od uobičajenih kapi. Izrada ovih mikrokanala za fluide bazira se na tehnici litografije, koja se primjenjuje kod izrade kompjuterskih procesora, primjenom tzv. meke litografije koja za izradu ovih nanokanalčića koristi polimer polidimetilsiloksan. Kretanje fluida kroz nanokanalčiće vrši se pomoću elektroforeze ili elektroosmoze. U laboratoriji na čipu se ugrađuju uzori koji se sastoje od tzv. nanožica (nanowire). One su presvučene sa antitijelima i reaguju sa biološkim molekulama (proteinima) – zovemo ih

22

biosenzori. Kada se proteini vežu na antitijela, dolazi do njihove interakcije sa elektronima koji se kreću u površinskom sloju nanožica i mijenjaju njihovu provodljivost. Ako je nanožica vrlo mala može da detektuje čak i pojedinačne molekule. Ovakvi nanosenzori mogu detektovati i pojedinačne viruse i čestice. Na ovaj način ovi biosenzori moći će da detektuju vrlo širok opseg bolesti u početnoj fazi i tako ranijim otkrivanjem bolesti i njenim tretmanom omogućavati veću šansu za ozdravljenje. Ugljenične nanocjevčice već se uspješno koriste kao hemijski senzori, ali one se mogu koristiti i kao biosenzori. Umjesto nanožice mogu se između dva metalna kontakta postaviti ugljenične nano cevčice. Ovo će omogućiti ispitivanje pojedinačnih molekula DNK i proteina kao i električna, elektrohemijska i elektrofiziološka mjerenja pojedinačnih ćelija.

[Slajd 26]DA LI JE NANOTEHNOLOGIJA TEHNOLOGIJA BUDUĆNOSTI?

Vodeći naučnici nanotehnologije postavili su pitanje za industriju vrednu nekoliko milijardi dolara. Koliko male materijale masovna nanotehnologija može da proizvede? Odgovor je iznenadio sve, od donatora do naučnika. Najrevolucionarnija tehnologija sveta ipak nije tako nezaustavljiva. U članku objavljenom u časopisu Nanotechnology, profesor Mike Kelly sa Univeruiteta Kembridž, izjavio je da se ne može masovno proizvoditi struktura prečnika od 3 nanometar ili manje. Ova izjava uzdrmala je tehnologiju u koju se ulaže nekoliko milijardi dolara godišnje u nadi da će nove tehnologije koje se razvijaju u labaratoriji doneti veliki doprinos tržištu. Nanotehnologija je zasnovana na mogućnosti da kontroliše i manipuliše materije na atomskom i molekularnom nivou i da ima dalekosežne aplikacije, ukljućujući jednostavnu dostavu lekova u organizam, povećanje efikasnosti sloarnih panela i unapređenje metoda pakovanja hrane. Karajnji cilj prilikom ulaska nanotehnologije na tržište jesu niske cene i visok obim proizvodnje, ali u isto vreme i osobine materijala koji mora da bude visoko reproduktivan u okviru unapred određenog limita, koji, prema rečima profesora Kelly-ja, ne može biti manji od 3 nm uz sve napore koji naučnici čine. Pristup proizvodnji je ograničen, jer se koriste eksterni alati za sečenje i oblikovanje materijala koji ima mnogo manje čestice. Alternativa ovom pristupu uključuje spajanje malih jedinica, obično molekula, da bi se napravio ceo materijal – nešto kao slagalica. Međutim, taj proces je suviše nepredvidiv za kvar, jer je u pitanju slobodna masovna proizvodnja. Profesor Kelly koristi statističku procenu vertikale nanodelića – koje su pogodne za upotrebu u senzorima. On navodi da se dokaz ove teorije nalazi u dve faze. Prva je činjenica da se tako masovno proizveden materijal, na tako malom obimu, dosta razlikuje u veličinama različitih komponenti. Drugi dokaz jeste da se ovakve komponente ne mogu pratiti. Kao rezultat varijacija, osobine materijala će se razlikovati u meri u kojoj materijal ne može da funkcioniše u punom kapacitetu u okviru svog niza. Ova teorija otvara pitanje koliko je zapravo nanotehnologija primenljiva i efikasna? Pored toga što se stalno potencira na tome kako je ova tehnologija u stvari tehnologija budućnostui, postavlja se pitanje koliko ona može biti korisna, ako već unapred ima postavljen svoj limit? I šta se dešava ako neko želi da ide ispod te granice od 3nm i radi sa strukturom atoma? Do sada su se svi eksperimenti i krajnji proizvodi nanotehnologije pokazali kao dobri i primenljivi. Videćemo kako će ovo novo ograničećenje uticati na dalja istraživanja i donatore. Nanotehnologija koliko god donosi bolje i inovativne stvari, može donekle biti i štetna po okolinu. Mnogi stručnjaci smatraju da je veoma štetna, ali poslednja ispitivanja su pokazala da šira javnost misli da su nanočetice jedne od najmanje štetnih materija po zdravlje. Nova studija pokazuje da je javnost više zabrinuta od sunčevog zračenja nego od rizika koje mogu nanočestice da izazovu po zdravlje čoveka.

23

Studija sa državnog univerziteta sa nove karoline obradila je podatke ispitivanja rizika nanočestica u odnosu na druga 23 zdravstvena rizika. Ova studija obraĐivala je i ispitivala podatke o percepciji javnosti o rizicima u vezi sa uticajem nanočestica na životnu okolini i zdravlje, kao i bezbednost. Istraživači su na kraju studije ustanovili da se nanočestice doživaljavaju kao niskorizične po zdravlje čoveka.

[Slajd 27]

[Slajd 28]

ZAKLJUČAK

Nano tehnologija pruža velike mogućnosti, čak do granica ljudskog poimanja. Posle proizvodnje prvog nanoasemblera, do krajnjih mogućnosti nanotehnološke utopije proteći će “par kratkih godina”, koje će srećom potrajati malo duže. Ovo je dobro zbog toga što će društvo moći da se prilagodi novim uslovima, kao što je, recimo novi sistem novčane razmene. Vremensko rastojanje između proizvodnje prvog univerzalnog asemblera i ubrzanog pojavljivanja novih nano-proizvoda (i posledice zamene tradicionalne industrijske tehnologije), će biti šokantno. Istorija pokazuje da linija između dva perioda ljudske istorije predstavlja eksponencijalnu krivu, što smo imali prilike da vidimo na prelasku između kamenog doba, srednjeg veka i industrijskog doba. Nanotehnologija se neće pojaviti prostim sipanjem sadržaja jedne epruvete u drugu, a i krajnje nano mogućnosti neće biti odjednom materijalizovane. Međutim za sve praktične svrhe, do 2030-te, nanotehnologija će pristići nezaustavljivom snagom. Druga naučna polja će takođe nastaviti da ubrzavaju krivu tehnološkog napretka. Genetičari, sa novim poboljšanim alatima, tragaju za planom i razumevanjem ljudskog genoma, tako da oni sami očekuju značajne rezultate za samo nekoliko godina. DNA je kontrolna tabla postojanja “nano-mašina” koje zovemo život. Genetika će biti odgovorna za produžetak ljudskog života pre nego što nanotehnologija uhvati zalet. Nanotehnologija će jednostavno koristiti i dodavati znanje stečeno u genetici za dalju poboljšano upravljanje ovim kontrolnom tablom. Ne bi se trebalo iznenaditi, ako za 15 godina ljudski najstariji san “dospe u ruke” naučnika. Sa idejom nanotehnologije javila se i ideja o dubokom zamrzavanju ljudi (Cryonics) koji boluju od danas neizlečivih bolesti (rak, AIDS) i njihovo oživljavanje u vreme kada nanotehnologija omogući bezbedno odmrzavanje i lečenje takvih ljudi. Bogati Zapad je razvio napredne tehnologije za dijagnozu i liječenje bolesti, dok je Istok više koristio metode akupunkture, akupresure, masaže i meditacije. Ovaj odnos u metodama se može drastično promijeniti sljedećih 10 do 15 godina sa tehnikama nanotehnologije, koje su danas u punom razvoju. Ove tehnologije će omogućiti ljudima da se uz pomoć nanočipova otkrivaju nukleoidni polimorfizni nosioci individualnih razlika i odredi genetski profil (mapu) pojedinca, kao i detaljno molekulsko testiranje analizom krvi. Procjenu pojave bolesti i stanje zdravlja biće moguće određeni pri samom rođenju. U medicini do punog značaja doći će mjere preventive i predviđanja. Progres u brizi o zdravlju baziran na

24

nanotehnologiji promijeniće naučna istraživanja, farmaceutske firme, obrazovanje i društvo nabolje. Ali zdravlje ljudi i sa najboljom genetikom zavisi od uslova života i okruženja. Način ishrane (da ne spominjemo pušenje i alkohol), uticaj vanjskih faktora kao što su temperatura, pritisak, vlaga, razne hemikalije, tečni i gasni zagađivači, fizički i psihički stresovi mogu znatno da poremete funkcionisanje tog besprijekornog bioorganizma. I ovdje se od nanotehnologije očekuje da doprinese očuvanju zdravlja ljudi. Tako se već danas uveliko radi na uvođenju izvora obnovljive i zdrave energije, koja će zamijeniti energiju dobijenu iz fosilnih goriva, koja stvaraju efekat staklene bašte. Već se proizvode gorive ćelije na bazi nanotehnologije. Nanodizel (biodizel 2. generacije) dobija se iz komunalnog otpada i drugih organskih materija, uz pomoć nanokatalizatora. Na taj način se dobija čista energija koja je u stvari energija sunca uskladištena fotosintezom u biomaterijalu. Nanotehnologija omogućuje proizvodnju raznih sanitetskih materijala sa antibakterijskim dejstvom, obradom tih materijala sa nanočesticama srebra nanotehnološkim sol-gel postupkom.

[Slajd 29]

PRIMER PRIMENE NANOTEHNOLOGIJE U MEDICINI

Nanotehnologija u lečenju karcinoma

*TERMIN BIOKOMPUTACIJABiološki inspirisan pristup u pravljenju softvera. Koristi se u svrhe nanomedicine,

ali i računara (fuzzy logika, genetski algoritmi, fraktali, L sistemi, neuronske mreže…)

[Slajd 30]

UVOD

Izazovi u hemioterapiji

Iako je klinički arsenal u lečenju malignih oboljenja znatno proširen u prethodnim godinama, sa uvođenjem novih lekova i terapijskih modaliteta, tri osnovna pristupa su i dalje zastupljena: hirurška resekcija, zračna terapija i hemioterapija. Hemioterapija se prvenstveno koristi u lečenju metastatskih tumora, koji imaju lošu prognozu. U velikom procentu ulaganja u istraživanja su fokusirana na poboljšanje efikasnosti hemioterapije, koja je često jedina nada u lečenju pacijenata sa malignitetom. Ipak, i dalje, izazovi koji se odnose na primenu hemioterapije su brojni. Oni podrazumevaju tumorskih ćelija na lek, toksične efekte na zdravo tkivo, neadekvatno targetiranje ćelija i tkiva, otežani transport leka do tumora. Određivanje doze leka i rasporeda davanja i optimalne koncentracije leka, može biti otežano.

Razmatraćemo aspekte otežane primene lekova u procesu lečenja kancera, te proučavati ulogu koju nanotehnologija ima u rešavanju brojnih problema vezanih za uspešno lečenje malignih oboljenja. Uloga biokomputacije biće razmatrana u svetlu modelovanja

25

mehanizama za uspešnu dostavu lekova do kancerskih ćelija putem nanočestica. Biokomputacija bi mogla spasiti živote mnogih i poboljšati kvalitet lečenja karcinoma, kao i smanjiti troškove samoga lečenja. U danima pred nama, počećemo detaljno da razmatramo prednosti nanotehnologije i njene primene u hemioterapiji kancera.

Mogućnosti nanotehnologije

Nanotehnologija koja se koristi u lečenju karcinoma, može da pruži brojne obećavajuće prednosti u odnosu na konvencionalne lekove. Nanočestice I nanoroboti su duplo manjih dimenzija u odnosu na maligne ćelije, te stoga mogu stupiti u kontakt sa ćelijskim organelama I proteinima. Zbog male veličine, bliske veličini molekula, nanoalati mogu biti sposobni da detektuju bolest I malignitet u ranim fazama, čak I u stadijumu jedne maligne ćelije. Nanoroboti, ne samo da će moći da detektuju genetsko oštećenje kao uzrok pojave malignih ćelija, već će biti u mogućnosti da deluju na ćelije in vivo, maksimalno smanjujući interakciju sa zdravim tkivom. Očekuje se da istraživanja u ovoj oblasti dramatično porastu u bliskoj budućnosti.

Hemioterapija uz pomoć nanočestica

Uopšteno, sistemi dostave lekova uz pomoć nanočestica, mogu se podeliti u dve grupe: polimer i lipidnog sastava. Polimeri, koji su obično veći od lipidnih molekula, formiraju solidnu fazu, kao što je polimer-nanočestica, filmovi, dok lipidne formiraju tečnu, ili kristalno-tečnu fazu poput liposoma, micela i drugih emulzija. Polimerni sistemi biološki su stabilniji od lipidnih, ali su lipidni sistemi biološki kompatibilniji. Sistemi bazirani na polimeru mogu posedovati dobru sposobnost targetiranjazbog njihove osobine da ih različita tkiva različito preuzimaju ili apsorbiju. Kombinacijom polimer-lipidnih sistema integrišu se njihove prednosti, sa druge strane izbegavaju se očekivani nedostaci. Kao primer te tvrdnje, posmatraćemo nanočesticu – sistem lipozom u nanosferi, gde se lek najpre ubacuje u lipozome, a onda enkapsulira u okviru polimerne mikrosfere. Na ovaj način, i hidrofobni i hidrofilni lekovi mogu biti dostavljeni u okviru jedne nanočestice. Bioaktivnost peptida i proteina očuvana je u liposomima, čija je stabilnost zaštićena polimernim matriksom. Dva liposomalna leka su trenutno na tržištu – daunorubicin i doxorubicin.

Izazovi nanotehnologije

Poteškoće sa kojima se susrećemo u medicinskoj nanotehnologiji su brojne. Najpre, postoje osnovni fizički problemi kada je u pitanju materija tako malih dimenzija. Osnovni problem leži u činjenici da se materija na nao nivou ponaša drugačije od mikro I makro čestica. Nanomaterijali imaju veliku površinu, proporcionalnu njihovoj zapremini I fenomen zvan frikcija susrećemo u onom slučaju kada se nanočestice nađu u većim sistemima. Zbog male dimenzije nanočestica, dolazi do kašnjenja u ubrzanju u reakcijama u kojima učestvuju. To dovodi do njihovog nagomilavanja u nekim delovima organizma. Takođe, nanočestice mogu izazvati imuni odgovor organizma u kojem se nalaze. Ćelije organizma, takođe mogu u sebe inkorporisati nanočestice dovodeći do reakcija koje do tada nisu viđene. Efikasnost nanočestica može da bude narušena od strane ćelija u kojima se greškom nađu. Nanočestice

26

mogu biti zahvaćene od strane dentritičkih ćelija I makrofaga. Akumulacija ćelija RES potencirana nanočesticama, može dovesti do ugrožavanja funkcionisanja imunog sistema. Sa druge strane, veće nanočestice se akumuliraju u većim organima, što može dovesti do toksičnosti.

Nanotehnologija u lečenju kancera

[Slajd 31]

Rezistencija na lekove

Jedan od osnovnih izazova koji sprečavaju da mnogi pacijenti imaju korist od hemioterapije je rezistencija ćelija raka na lek. Tumor može razviti mehanizme da bi izbegao oštećenje od strane hemioterapijskih agenasa, kroz proces mutiranja koji dovodi do rezistencije. Nanočestice koje poseduju adekvatnu površinu mogu smanjiti rezistenciju tumorskih ćelija na dejstvo hemioterapije, poboljšavajući efekat hemioterapije. Konstantno otpuštanje istih doza leka od strane nanočestica u blizini tumora, takođe, može potencirati celularnu rezistenciju, zbog izloženosti ćelija predvidljivim, stabilnim dozama leka.Proces biokomputacije, koji reguliše oslobađanje količine leka iz nanočestica, može da minimizira efekat rezistencije tumorskih ćelija. Biokomputacija, takođe, može da identifikuje postojanost rezistencije ćelija kancera.

[Slajd 32]

Toksičnost lekova

Drugi izazov u hemioterapiji je upotreba potencijalno toksičnih grupa lekova, koji pojačavaju hidrofilnost, tipično hidrofobnih lekova. Nanočestice se u tom slučaju mogu koristiti u dostavi klasične hemioterapije bez toksičnih adjuvanasa do kancerskih ćelija, I u tretiranju uslova koji se mogu uvećavati tokom primene antikancerske terapije. Toksičnost bi trebalo razmotriti u okviru biokomputacionog modela u svrhe očuvanja broja leukocita u okviru određenih granica, dok se sa druge strane redukuje broj kancerskih ćelija.

27

[Slajd 33]

Targetiranje lekom

Drugi problem vezan za hemioterapiju je da lek (hemioterapeutik) može biti dostavljen do tkiva koje nije tumorsko, kao što su srce I jetra. Cilj upotrebe nanočestica je da enkapsuliran lek ciljano dovedu do tkiva na koje treba da deluje, sa manje neželjenih efekata I većom efikasnošću. Čista hemijska strategija koja se bazira na prepoznavanju molekula na površini tumorskog tkiva obeleženog hemijskim ligandima (poput poput konjugata antiteto-lek I imunoliposoma), ne daje često dobre efekte sa tumorima, jer I zdrava tkiva često nose ove ligande. Kontrolisana dostava lekova može biti postignuta koristeći fizičku strategiju, iz razloga što makromolekularni transport kroz tumorske krvne sudove može se ostvariti I javljati kroz proces fenestracije, vezikularnih organela I transendotelijalnih kanala. Veličina pora kod mnogih tumora je 380-780 nm, tako da nanočestice ove veličine mogu slobodnoizlaziti iz tumorskih krvnih sudova. Još jedan jedinstven potpis tumorskih ćelija jeste njihova abnormalna DNK. Nanočestice sposobne da prepoznaju DNK sekvence pojedinačnih ćelija, mogle bi prepoznati I ubiti kancerozne. U tome veliku ulogu ima biokomputacija. Kombinacija hemijskih I fizičkih strategija, mogla bi dati najbolje rezultate. Jedan od načina targetiranja je stvaranje konjugata, agenata na površini nanočestica. Ligandi koji se koriste u procesu targetiranja izabrani su prema kriterijumu po kom ćelije internalizuju liposome. Drugi tip targetiranja je metod korištenja magnetnog polja I namagnetisanih nanočestica.

[Slajd 34]

Transport leka

Osnovna barijera kod dostave leka do tumora može da bude kompromitovani krvi sud tumora. Ova barijera može da rezultuje otežanim transportom I dostavom leka do tumorskih ćelija. Protok krvi kroz tumorkse krvne sudove može biti intermitentan, ili čak I reversan. Ovi efekti uzrokovani su haotičnom arterijskom, venskom I limfatičkom organizacijom. Visok hidrostatski pritisak u tumorskom intersticijumu, dovodi do otežane dostave lekova do ćelija tumora, takođe. Intersticijalni pritisak u tkivu tumora, približno je isti onom u krvnim sudovima tumora, što često dovodi do kolapsa krvnih sudova. Kompozicija ekstracelularnog matriksa tumora, takođe može biti faktor limitacije u dostavi leka.Modelovanje tumorske vaskulogeneze, može se koristiti kao način da se promeni vaskularizacija tumora, a samim tim I poveća efekat lekova koji se putem nanočestica dostavljaju do tumora. Model je fokusiran na glavne događaje u angiogenezi, migratorni odgovor endotelnih ćelija na citokine sekretovane od strane tumora, endotelnu ćelijsku proliferaciju, endotelnu ćelijsku interakciju sa ekstracelularnim matriksom makromolekula…Heterogenost tumorskog tkiva u pogledu protoka krvi I pritiska komplikuje modelovanje dostave hemioterapijskog agensa, bilo da se radi o leku ili nanočestici. Cilj je da se poboljšanjem cirkulacije kroz tumor omogući I bolja dostava leka u tumorsko tkivo.

28

[Slajd 35]

Doziranje lekova

Još jedna determinanta u efikasnosti lekova jeste njihovo pravilno doziranje. Na doziranje lekova utiče tip tumora I veličina, ali I fizički parametri pacijenta. Doziranje hemioterapijskih lekova bazirano je na postizanju maksimalnog efekta na maligne ćelije, a minimalnog štetnog efekta na zdravo tkivo. Zbog preciznijeg targetiranja nanočestica u formi nanokristalina zahtevaju manje terapisjke doze. Pošto se dostavljaju direktno do ciljnih tkiva, štetan efekat na zdravo tkivo je smanjen. Bolje targetiranje pruža priliku preciznijeg doziranja, jer bi koristeći nanočestice doza leka bila manje sklona fluktuacijama.

[Slajd 36]

Koncentracija leka

Terapijska efikasnost leka određena je njegovom koncentracijom na mestu lezije, a biokomputacijom se može opisati važna farmakokinetika, posebno kada su u pitanju uređaju veličine nanočestica. Napori u ovoj oblasti uključuju razvoj matematičkog modela koji opisuje mikroskopske profile I biodistribuciju leka koristeći enzim-konjugovana antitelakao deo dvostepenog metoda za lečenje maligniteta. Monoklonalna antitela npr. sama po sebi mogu imati različit prodor u tkivo tumora, dok korištenje agenasa manje molekulske težine omogućuje dublje prodiranje leka u tkivo tumora. In vivo, odgovor tumora na terapiju, određen je farmakodinamikom I farmakokinetikom leka. Efektivna koncentracija leka u tkivu tumora, uopšteno jednaka je koncentraciji leka u krvi, pošto je teško izmeriti njegovu koncentraciju u tkivu. Iz tog razloga, teško je odrediti optimalnu dozu leka koja bi najefikasnije delovala na tumorsko tkivo. Koncentracija leka koji se dostavlja putem nanočestica, zavisi u velikoj meri od koncentracije nanočestica. Važno je shvatiti da klinički efekat leka zavisi od njegove koncentracije u samim tumorskim ćelijama, a ne od koncentracije unutar intersticijuma tumora.

[Slajd 37]

Otpuštanje leka

Lek može biti dizajniran za programirano otpuštanje in vivo, tako što se enkapsulira unutar čestica od nekoliko nanometara do jednog mikrona u prečniku. Čestice se obično unose ingestijom ili implantacijom a dizajnirane su da otpuštaju terapijske doze leka tokom dužeg vremena. Matematičko modelovanje može pomoći da se optimizuje dozajn nanočestica. U

29

tom smislu, mogu se porediti dva načina dostave leka – sistemska administracija leka i dostava kontrolisana polimerom. Sistemska administracija podrazumeva npr. bolus injekciju; u poređenju sa njom, dostava leka putem nanouređaja, podrazumeva dužu ekspoziciju, veću koncentraciju leka uz smanjenu toksičnost.

[Slajd 38, 39]

BIOKOMPUTACIJA

Pogled na modelovanje I terapiju karcinoma sa stanovišta nanomedicine

Biokomputacija u nanotehnologiji ima veliki udeo modelovanju hemioterapisjkih postupaka, dostave lekova I u dizajnu I proizvodnji nanočestica koje bi bile efikasne u tretiranju tumora, prevenciji I ranoj dijagnostici. Na sistemskom nivou, modelovanje na nivou tumora može biti unapređeno uzimanjem u obzir genetičkih karakteristika ćelija, kao što su mutacija onkogena apoptoza supresorski geni. Model angiogeneze može inkorporisati kao koopciju postojećih krvnih sudova, a možda I morfologiju, protok I pritisak u sudovima posebnih mesta u telu, koja su pod uticajem rasta tumora. Karakteristike otpuštanja leka nanočestica takođe mogu biti unapređene. Najveći uspeh nanoterapije leži u činjenici da smo u mogućnosti na tretiramo tumore lekovima I nanočesticama, koristeći nanotehnologiju prilagođenu osobinama I fiziologiji svakog pojedinca. Time bi transport lekova kroz cirkulaciju u okviru nanočestica, značajno bio unapređen. Primera radi, makrofagi ne samo da dolaze do tumora pasivnim transportom, već I jednim delom prodiru u njega. Vrlo je moguće da će se nanouređaji I nanočestice koje proizvode inženjeri, ponašati slično makrofagima. Oni će imati mogućnost da se ponašaju slično makrofazima, da dođu do ćelija raka, prodru u njih u značajnom broju, donoseći doze leka koji bi u potpunosti uništio maligno tkivo.

KRAJ