NANOTEHNOLOGIJAV MEDICINI

DAMIJAN VALENTINUZZI

mentor: dr. IGOR SERSA

Ljubljana, 14. december 2011

POVZETEK

V seminarju sem poskusal zbrati skupaj cim vec dosezkov nanotehnologije, ki sedanes uporabljajo pri zdravljenju v medicini in jih nekaj tudi podrobneje opisal. Nakoncu pa sem se ozrl se v izzive, ki cakajo medicinsko nanotehnologijo v prihodnostiter opozoril na mozne pasti, ki jih lahko nanotehnologija prinasa s seboj.

KAZALO

1. UVOD......................................................................................................................................1

2. HIPERTERMIJA TUMORSKIH CELIC.................................................................................2

3. KOSTNI IMPLANTATI...........................................................................................................5

4. POLPREVODNISKI NANODELCI KOT FLUORESCENTNI BIOLOSKI OZNACEVALCI..7

5. NANOSENZORJI IN NANOROCICE......................................................................................9

6. CILJANA DOSTAVA ZDRAVIL.............................................................................................10

7. NANOROBOTI.......................................................................................................................11

8. PASTI NANOTEHNOLOGIJE...............................................................................................12

9. ZAKLJUCEK..........................................................................................................................13

10. LITERATURA......................................................................................................................14

1. UVOD

Nanotehnologija je tehnologija, ki se ukvarja z miniaturnimi objekti velikostnegareda 10−9m, z njihovo izdelavo, manipalucijo in z moznimi prakticnimi aplikaci-jami v razlicnih vejah znanosti. [1] V tem seminarju bom predstavil predvsemuporabo in bodoce izzive nanotehnologije na podrocju medicine.Zivi organizmi so sestavljeni iz celic, katerih dimenzija je okrog 10µm. Znotrajcelic se seveda nahajajo celicni organeli (jedro, mitohondriji, endoplazmatski reti-kulum...), ki so velikostnega reda manjsega od mikron. Se manjsi pa so proteini,iz katerih je vecina celice sestavljena, le-ti so velikostnega reda 5 nm, kar je pri-merljivo z nanodelci, ki jih je trenutno sposobna ustvariti nanotehnologija. Privsem skupaj gre torej za idejo, da bi ustvarili miniaturne objekte, ki bi jih bilomogoce ucinkovito nadzirati in s katerim bi lahko vplivali na vrsto procesov, ki sev celicah dogajajo na nano nivoju. Glavna podrocja zanimanja nanotehnologijev medicini so: fluorescenti bioloski oznacevalci, ciljana dostava zdravil in genov,biodetekcija patogenov, detekcija proteinov, raziskave DNK, umetna produkcijatkiv, zdravljenje tumorjev s segrevanjem (hipertermija), vecanje kontrasta pri sli-kanju z MRI, itd... Kljub temu, da so nanodelci v istem velikostnem razredu kotproteini, pa samo njihova velikost (majhnost) ni dovolj za uporabo v bioloskihsistemih. Potrebno je tudi, da so se sposobni vezati na tocno dolocene celice,imunski sistem v telesu pa jih ne sme zaznati kot tujke. Nanodelce se zato nava-dno obda z bioloskim oz. molekularnim slojem, ki deluje kot bioorganski vmesnik.Ta sloj lahko vsebuje protitelesa, biopolimere (kolagen), oziroma manjse molekule,ki nanodelec naredijo biokompatibilen. Glede na to, da se jih pogosto uporabljaza opticno detekcijo, pa morajo tudi fluorescirati oz. biti sposobni spreminjatisvoje opticne lastnosti. Slika 1 prikazuje shematsko zgradbo takega nanodelca.

1

Slika 1: Shematska zgradba nanodelca [1]

Nanodelec najveckrat predstavlja jedronano-biomateriala, katerega povrsinaomogoca vezavo razlicnih molekul. Po-navadi je zgrajen iz anorganskih ali po-limernih materialov. Lahko gre tudiza nanovezikel, obdan z membrano ozi-roma kaksno drugo plastjo. Najveckratje sfericne oblike, mozna pa je tudicilindricna, v obliki diska, itd... Ve-likost delcev oz. njihova distribucijapo velikosti je pomembna, ce potrebu-jemo prehajanje teh delcev skozi porein skozi celicno membrano. Prav takoje njihova velikost pomembna, ko pridedo kvantnih efektov, s katerimi kontro-

liramo material. Znano je na primer, da je valovna dolzina emitirane fluorescen-tne svetlobe mocno odvisna od velikosti delca. Na tak nacin lahko ustvarimoogromno stevilo razlicnih barv za oznacevanje. Zgradba nanodelca je lahko tudimultifunkcionalna, sestavljena iz vecih lupin, tako da dobi delec na primer takomagnetne lastnosti za manipulacijo kot tudi fluorescencne za oznacevanje in de-tekcijo. Scitijo ga plasti inertnega materiala, skupaj z organskimi molekulami, kise vezejo na povrsino in povzrocijo biokompatibilnost. Ponavadi se doda pa sedodatno plast t.i. linkerjev. To so molekule ki imajo reaktivne skupine na obehstraneh. Na enem koncu se povezejo na povrsino nanodelca, na drugi konec pase lahko vezejo biokompatibilne snovi (dekstran), protitelesa, fluorofosfati, oz. kajdrugega, odvisno od funkcije, ki jo bo delec imel. V nadaljevanju si bomo ogledalinekaj znacilnih primerov uporabe nanotehnologije v medicini.

2. HIPERTERMIJA TUMORSKIH CELIC

Hipertermija je ena izmed moznih oblik zdravljenja raka s pomocjo nanotehno-logije [2]. V osnovi gre preprosto za segrevanje rakastih celic do temperature,pri kateri le-te odmrejo. Najvecji problem, ki se seveda pri tem pojavi, je nacin,kako ucinkovito segreti izkljucno obmocje tumorja, ne da bi pri tem poskodovalitudi zdravo tkivo. Raziskuje se vec vrst hipertermije: hipertermija celega telesa,radiofrekvencna hipertermija, induktivna hipertermija z mikrovalovno anteno...Podrobneje sem si ogledal hipertermijo, ki se jo doseze s submikronskimi magne-tnimi delci.Submikronske magnetne delce se brez vecjih tezav vstavi v celice. Ob prisotno-

2

sti alternirajocega magnetnega polja proizvajajo toploto zaradi histereznih izgub.Veljata seveda dobro poznani enacbi,

A = V

∮BdH (1)

Ph = Aν (2)

kjer je Ph moc, ki se sprosca zaradi histereznih izgub. V splosnem se pojavljajotudi Joulove izgube zaradi induciranih vrtincnih tokov in izgube zaradi ostalih re-laksacij, vendar so v primerjavi s histereznimi izgubami zanemarljive. Cim vecjeje polje, tem vecje so histerezne izgube. Prav tako se vecajo s frekvenco, ven-dar le do meje, ko material se uspe slediti spremembam polja. Pri hipertermijise v prakticne namene uporabljajo nizje frekvence in visje jakosti polja. Mednajbolj uporabljanimi materiali za te namene je koloidni zelezov oksid oz. ma-gnetit (Fe3O4, povprecna velikost delca 10nm). Ena izmed njegovih prednostije, da se kasneje v celicah prebavi in izloci, tako da ne pusca stranskih ucinkov.Da bi izboljsali adsorbcijo in akumulacijo magnetita v tumorske celice, so razvilit.i. ”magnetit kationske liposome”(MCL) (Slika 2). Magnetit obdajo z lipidnim

Slika 2: Magnetit kationski liposom - MCL [2]

dvoslojem, vmes pa dodajo kationske lipide, ki so pozitivno nabiti. Zaradi elek-trostatske interakcije z negativno nabito celicno membrano se doseze znatno vecjaadsorbcija in akumulacija magnetita kot z nevtralnimi magnetoliposomi. Poskuseso izvajali na podganah (F344), ki so jim podkozno vsadili tumorske celice glije(celice, ki oskrbujejo zivcne celice). V center tumorja so nato injecirali raztopino zMCL in jih za 30 min postavili v homogeno alternirajoce magnetno polje v sredini

3

tuljave. (ν = 118kHz,H = 30.6kA/m) Temperatura se je hitro povecevala in popetnajstih minutah dosegla skoraj 44 stopinj celzija, medtem ko se zdravo tkivo vokolici ni bistveno segrelo. Podgane so razdelili v 4 skupine. V prvi podgane nisoprejele terapije, v drugi so bile obsevane enkrat, v tretji dvakrat in v cetrti trikrat.Rezultati so bili zelo vzpodbudni, saj v zadnji skupini tumor ni izginil samo prieni podgani, najverjetneje, ker je bil bolj nepravilne oblike kot pri ostalih in sezato MCL ni razporedil po celotnem tumorju (Slika 3). Pri histoloskem pregledutkiva pa so ugotovili se eno zanimivo lastnost. Kljub trem zaporednim terapijamje predvsem na robu tumorja, ki je bil zdravljen s hipertermijo, vseeno prezivelonekaj rakastih celic, kljub temu pa je tumor po mesecu dni popolnoma izginil.

Slika 3: Rezultati poskusa [2]

Sklepali so, da je terapijapovzrocilia tudi avtoimunskiodziv organizma, zato so na-redili se dva eksperimenta. Vprvem poskusu so v podganovsadili 2 tumorja, samo venega pa vbrizgali MCL in gaobsevali z alternirajocim ma-gnetnim poljem. Kljub temusta cez cas izginila oba, po ce-lem telesu pa so odkrili levko-cite T (CD4+ in CD8+), kijih v kontrolni skupini pod-gan, ki niso bile zdravljenje,niso nasli. Da bi ugotovili,ce imunski odziv povzrocen shipertermijo traja dalj casa,so ozdravljenim podganam 3mesece po 1. terapiji vsadilnov tumor. Le-ta je sprvazacel rasti, nato pa se je cezcas zacel zmanjsevati in na

koncu popolnoma izginil brez kakrsnega koli zdravljenja, kar pomeni, da se imunskiodziv organizma ohrani vsaj tri mesece po terapiji s hipertermijo. Prav zaradi tegadvojnega ucinka je zdravljenje tumorjev s hipertermijo s pomocjo MCL vsekakormetoda, ki veliko obeta v prihodnosti.

4

3. KOSTNI IMPLANTATI

Eden izmed materialov za kostne implantate (Slika 4), ki je zaradi svojih lastno-sti pritegnil pozornost raziskovalcev, je prav gotovo titan (Ti). [3] Je namrecizjemno tezko lomljiv, ima visoko mehansko trdnost glede na svojo tezo in do-kaj enostavno ga je oblikovati. Zaradi tega se mnozicno uporablja v ortopedijiin zobozdravstvu. Prav tako kot njegove prednosti pa je dobro znana tudi nje-gova najvecja pomankljivost - titan ni bioaktiven, ne zarase se s kostmi. Pravpovecanje bioaktivnosti titana za namene ortopedije in zobozdravstva je glavnipredmet raziskav na tem podrocju v zadnjih letih. Ko so opazovali, kako se bi-oaktivni materiali vezejo s kostmi, so ugotovili, da povezava poteka prek plastiapatita, kjer se celice lahko delijo in razmnozujejo ter tako proizvedejo apatit inkolagen, kamor se nato veze okolisko kostno tkivo s trdnimi kemicnimi vezmi.

Slika 4: Kostni implan-tat,vir: http://www.zmok.si/

Vstavitev implantata/p/

3332/l/1

Za izdelavo take plasti apatita se uporablja vec metod,vendar ima vecina od njih probleme, kako zagotovitidovolj veliko adhezijo, enakomerno debelino in celovitostrukturo po vsem materialu. Izkazalo se je, da ima na-nostrukturni nanos apatita najboljse mehanske lastno-sti, zaradi velikega koordinacijskega stevila pa tudi zeloveliko stabilnost mirkopor, skozi katere lahko prehajajoorganske snovi, ki jih celica potrebuje za svoj razvoj. Zananostrukturni nanos apatita se uporabljajo t.i. biomi-meticne metode. To so metode, ki posnemajo procese,ki se odvijajo v bioloskih sistemih.Po skrbni obdelavi in ciscenju povrsine (predvsem jebilo treba ucinkovito odstraniti plast titanovega oksida,ki vedno nastane na povrsini), so bile titanove ploscepripravljene za obdelavo z biomimeticnim procesom vraztopini 1.5 SBF (simulated body fluid). To je razto-pina, ki ima podobno sestavo kot cloveska krvna plazma,le koncentracije ionov so 1.5x vecje (Slika 5). V razto-

pini so jih pustili od enega do 21 dni.Sloj, ki je nastal, so analizirali z analizo sipanja X zarkov ter z vrsticnim elektron-skim mikroskopom, izmerili pa so tudi trdnost adhezije. Analiza je pokazala, da jena titanu nastala enakomerna plast apatita. Se vecja povecava pa je razkrila, da jesloj zgrajen iz nanoapatitnih kristalitov v obliki kosmicev s povprecno velikostjookrog 60 nm in z velikostjo por okrog 200 nm (Slika 6). Kot ze receno, nanoporo-zna struktura omogoca bioaktivnost in spodbuja delitev oz. razmnozevanje celic.Znano pa je tudi, da so lahko nanostrukture zaradi velike povrsine termodinamskonestabilne, vendar se je izkazalo, da v tem primeru temu ni tako. Pore apatita v

5

Slika 5: Ionske koncentracije SBF in 1.5 SBF v primerjavi s clovesko krvno plazmo.[3]

nanokristalitni obliki so namrec precej vecje od tistih, ki nastanejo pri obicajni kri-stalitni obliki. Zato imajo imajo veliko vec kristalitnih sosedov, ki jim omogocajostabilno konfiguracijo tudi pri visokih temperaturah. Analiza z X zarki je poka-zala, da je na titanu nastala enaka struktura hidroksi apatita, ki je vseboval kalcij,kot na dejanskih kosteh. Vec casa, kot je bil material v SBF raztopini, bolj debelaplast je nastala (od 0.71µm po 1 dnevu do 3.6µm po 21 dneh). Optimalna debe-lina je bila dosezena po 10 dneh. Meritev trdnosti adhezije je pokazala povprecnovrednost 9.5 ± 0.4MPa, kar je izjemen rezultat. Na koncu so opravili se poskusz umetnim gojenjem celic na tako pripravljeni povrsini. Material se je dejanskopokazal kot zelo bioaktiven - celice so se brez tezav razmnozevale. Pokazalo seje torej, da se da z biomimeticnimi nanoprocesi pri skoraj sobni temperaturi inobicajnem tlaku ustvariti material, ki je zelo uporaben v medicini zaradi visokebioaktivnosti, mocne adhezije, enakomerne debeline in nizkih stroskov izdelave.

Slika 6: Sloj apatita pod SEM mikroskopom: (a) neobdelana Ti povrsina, (b)obdelana po opisanem postopku, (c) nanokristalitna struktura - povecava slike (b)[3]

6

4. POLPREVODNISKI NANODELCI KOT FLUO-

RESCENTNI BIOLOSKI OZNACEVALCI

Flourescenca je siroko uporabljano orodje v biologiji. [4] Potreba po simulta-nem spremljanju vecih delov bioloskega organizma, oziroma vecih procesov, kise v njem hkrati dogajajo, je prineslo potrebo po novih fluorescentnih snoveh.Obicajna barvila so namrec precej omejena v svojih opticnih lastnostih. Spek-ter pri katerem se molekule teh snovi vzbudijo in fluorescirajo je navadno zeloozek, zato je tezko z isto valovno dolzino vzbuditi vec razlicnih barvil hkrati, karbi omogocalo spremljanje vecih procesov. Izsevani spekter svetlobe pa tudi niozek, ampak ima ”rep”v rdecem delu spektra, kar nemalokrat povzroca krizanjerazlicnih detekcijskih kanalov pri meritvi. Idealne snovi za eksperimente, pri kate-rih hkrati potrebujemo vec barv, bi torej morale imeti ozek in simetricen emisijskispekter, molekule vseh barvil pa bi se morale vzbuditi pri isti valovni dolzini.

Slika 7: Fluorescencni spekterflourescina (A) in nanokristala(B). Crtkano je oznacen vzbu-jevalni spekter, polno pa emi-sijski [4]

V polprevodniskih nanokristalih sta tako zacetekabsorpcije kot emisijski maksimum odvisna odvelikosti nanokristala. Z manjsanjem velikosti le-tega se pomikata k visjim energijam. Vzbuje-vanje je seveda povezano z absorpcijo, kar po-meni, da v principu dobimo fluorofor, ki ga lahkovzbujamo z bilokatero valovno dolzino, krajso odemisijske, pa dobimo vedno isti karakteristicni iz-sevani spekter, ki je ozek in simetricen (Slika 7).To je posledica energijskih pasov v polprevodni-kih, ki niso diskretni kot pri obicajnih snoveh.Kombinacija materiala, iz katerega je narejen na-nodelec in njegove velikosti omogoca, da dobimoogromno stevilo barv, ki imajo valovne dolzineod 400nm do 2µm, s tipicnimi sirinami vrhov(na polovicni visini) od 20 do 30 nm (Slika 8).(Obicajna barvila imajo sirino okrog 45nm.) Do-bimo lahko torej veliko stevilo razlicnih vrst kri-stalov z razlicnimi barvami emisije, ki jih vzbu-jamo z eno samo valovno dolzino, kar omogocahkratno simultano detekcijo. Kovinski in magne-tni nanokristali s primerno povrsinsko obdelavose veliko uporabljajo v bioloskih eksperimentih.Uporaba polprevodniskih nanokristalov pa je na

tem podrocju lahko potencialno bolj problematicna. Velika povrsina nanokristala

7

lahko povzroci manjso luminiscencno ucinkovitost ter fotokemicno degradacijo.Inzenirske studije zapornega pasu razlicnih materialov in iz podrocja elektronike,so pripeljale do razvoja lupinskih nanokristalov (opisanih ze v uvodu), ki dosegajokvantne izkoristke vecje od 50 % (razmerje med stevilom emitiranih in absorbiranihfotonov) in so precej bolj fotokemicno stabilni. Z zdruzitvijo jedra nanokristalaz lupino, ki je narejena iz drugega materiala z vecjo zaporno dolzino, se lahkouspesno omeji vzbujevanje jedra in eliminira neradiacijske relaksacijske poti inprepreci fotokemicno degradacijo. Bioloski eksperimenti zahtevajo tudi topnostnanokristalov v vodi, kar se doseze z dodatno plastjo silicija na lupini.

Slika 8: (A) Izsevani spekter nanokristalov razlicnih materialov in razlicnih veli-kosti. Modri - CdSe, zeleni - InP, rdeci - InAs. (B) Fotografije vodnih raztopinrazlicnih nanokristalov (CdSe, ZnS, CdS) socasno obsevanih z UV svetlobo. [4]

Slika 9: Slika 3T3 misjih fibroblastov [4]

Slika 9 prikazuje 3T3 misje fibroblaste- celice, ki v organizmu proizvajajo ve-zivno tkivo, kot je npr. kolagen. Priposkusu so uporabili dve velikosti CdSe- CdS nanokristalov, obdanih se z lu-pino silicija. Manjsi nanokristali (pre-mer jedra 2 nm) so sevali svetlobo ze-lene barve z maksimumom pri valovnidolzini 550 nm in s 15 % kvantnim iz-koristkom, vecji (premer jedra 4 nm)pa svetlobo rdece barve z maksimumompri valovni dolzini 630 nm in s 6 %kvantnim izkoristkom. Povrsina je bila

8

obdelana tako, da so se posamezni nanokristali selektivno vezali na tocno dolocenecelicne strukture. Slika 9 je narejena s konfokalno fluorescencno mikroskopijo, prikateri so fluorescenco vzbujali z zivosrebrno svetilko. Zaradi ze opisanih lastnostiteh vrst nanokristalov, sta se obe barvi videli hkrati. Z rdeco barvo so se obar-vali F-aktinski filamenti, z zeleno pa jedro celice. Jedrna membrana je na slikirumene barve, ker so se nanjo neselektivno vezali obe vrsti nanokristalov (rdeci inzeleni).

5. NANOSENZORJI IN NANOROCICE

Nanotehnologija nudi tudi velike izzive v diagnostiki. [5] Uspeh zdravljenja boleznije namrec v vecini primerov precej odvisen od njenega zgodnjega odkritja. Zato setudi na tem podrocju trudijo ustvariti pripomocke za detekcijo proteinov, biomar-kerjev, posameznih molekul in drugih snovi v telesu, ki bi lahko povedale kaj vec oprocesih, ki se trenutno odvijajo v telesu. Ena izmed hitro razvijajocih se tehnolo-gij je mikrofluidika. Gre za manipulacijo z zelo majhnimi kolicinami snovi (nanoli-tri). Cilj je ustvariti t.i. laboratorij na cipu (Lab on a chip), ki bi lahko omogocalvrsto metod v diagnostiki, kot so recimo nanosenzorji, nanoreaktorji, omogocal biprecej vecjo stopnjo avtomatizacije (izvajali bi lahko avtomatizirane presejalne te-ste), pomembno pa je tudi dejstvo, da bi za idelavo takih cipov potrebovali precejmanj materiala, kar bi posledicno pomenilo seveda tudi precej nizje stroske izde-lave.

Slika 10: Laboratorij na cipu [5]

Enega takih laboratorijev je leta2006 uspelo narediti raziskovalcem zinstituta MIT v Bostonu (Slika 10).Dimenzije laboratorija so bile pri-blizno 0.5 cm x 0.5 cm, kar je sevedase dalec od nanodimenzij, je pa pravgotovo nakazal smer nadaljnih raz-iskav na tem podrocju. V grobemkomponente takega cipa delimo naaktivne (kanali, komore, topografskestrukture), ki so v veliki meri ze pre-cej znane iz elektronike in na pasivne(ventili, crpalke, senzorji), ki pred-stavljajo trenutno tezji izziv na tako

majhnih dimenzijah. Dva primera moznih senzorjev, ki bi se lahko uporabljalav takem laboratorju sta prikazana na Sliki 11. Gre za mikrofluidni kanal in na-norocice. Po mikrofluidnem kanalu bi se lahko pretakale razlicne celice (bolne,

9

(a) Mikrofluidni kanal (b) Nanorocice

Slika 11: Nanosenzorji [5]

zdrave), proteini, protitelesa, biomarkerji, ki bi lahko nakazovali recimo prisotnostrakavega obolenja, v sredini kanala pa bi bil senzor iz nanozic, s katerim bi lahkomerili razlicne parametre (npr. spremembo upornosti). Drug primer detektorja jeprikazan na Sliki 11 (b), ki je narejen iz nanorocic. Vsaka taka nanorocica bi bilaopremljena s svojo vrsto protiteles, ki bi se vezala na tocno dolocene proteine. Natak nacin bi dobili specificne odklone za vsako nanorocico, prek katerih bi sklepaliali imamo opravka s snovmi, ki nakazujejo na kaksno od bolezni.

6. CILJANA DOSTAVA ZDRAVIL

Ena od pomembnih aplikacij nanomedicine je tudi ciljana dostava zdravil. [5]Prednost te metode je, da omogoca dostavo zdravila na tocno doloceno mesto, oz.v tocno dolocene celice, ki ta zdravila potrebujejo in to v precej vecji koncentra-ciji, kot je mogoca s tabletami, cepljenjem in ostalimi obicajnimi metodami, kjer sezdravilo razprsi po celem telesu. Na tak nacin povecamo varnost uporabe, saj istiefekt lahko dosezemo s precej manjso dozo, kontrolira pa se lahko tudi postopnostdoziranja cez daljse casovno obdobje, ko je zdravilo ze dostavljeno na predvidenomesto. Primer ciljane dostave zdravil z nanodelci je prikazan na Sliki 12. Gre zananolupino v kateri so molekule zdravil, dodani pa so lahko tudi razni oznacevalci,s pomocjo katerih lahko spremljamo, ce se je zdravilo res dostavilo na mesto, kamorsmo prvotno zeleli. Na povrsini lupine imamo ponavadi protitelesa (receptorje),prek katerih se nanodelec veze na tocno dolocene celice in molekule, ki naredijodelec bioaktiven. Ko prek krvnega obtoka in kapilar pride do cilja, npr. do rakastihcelic (zile, ki prehranjujejo tumor so tudi precej bolj porozne od obicajnih kapilar),se lupina odpre in sprosti zdravilno ucinkovino. To se lahko zgodi s pinocitozo oz.fagocitozo, ko membrana ”objame”nanodelec, lahko pa se liposom kar enostavnozlije z membrano in sprosti ucinkovino v citoplazmo. Mozno je pa proces tudi kon-

10

Slika 12: Ciljana dostava zdravil [5]

trolirano sproziti, npr. z radiofrekvencnim ali s katerim drugim elektromagnetnimvalovanjem, svetlobo, toploto, spremembo pH-ja in z encimi.

7. NANOROBOTI

Nanoroboti - miniaturne napravice, manjse od bakterij, s pomocjo katerih bi lahkopopolnoma kontrolirano dostavljali zdravila in popravljali napake v zivem orga-nizmu na nivoju posameznih molekul, bi bili najbrz od vsega opisanega najboljucinkovito orodje in kot taki najvecji triumf medicinske nanotehnologije. [5] Za-enkrat je vse skupaj se na nivoju znanstvene fantastike, ki pa bi utegnila kmalupostati resnicnost, saj se s tem izzivom ukvarja veliko razvojnih skupin po vsemsvetu. Razviti bi bilo treba miniaturne senzorje, logiko upravljanja, zagotoviti, dajih telo ne bi zaznalo kot tujke, zagotoviti ustrezen vir energije, itd., predvsem pabi jih potrebovali ogromno stevilo. Pustimo se presenetiti...

Slika 13: Nanoroboti [5]

11

8. PASTI NANOTEHNOLOGIJE

Kljub vsem pozitivnim posledicam, ki jih je nanotehnologija ze prinesla in kijih se obljublja v prihodnosti, pa je ravno tako potrebno nanjo gledati z ve-liko mero previdnosti. [6] Nickolikokrat v zgodovini so se negativne strani teh-noloskih prebojev pokazale z nekaj letnim casovnim zamikom in najbrz tudi vprimeru nanotehnologije ne bo nic drugace. Prehod v nanodimenzije lahko zelospremeni fizikalne, kemijske, elektricne, mehanske, opticne in druge lastnosti.Ucinek mnogih novih nanomaterialov na tako kompleksne sisteme kot so zivi or-ganizmi, je se vedno povsem neznan. Kot primer nanomateriala, ki je sicer znanze iz anticnih casov, si lahko ogledamo azbest - Mg3(Si2O5)(OH)4. Veljal je kotcudezni material, znan predvsem po izjemni ognjevarnosti in kot zelo dober izola-tor.

Slika 14: Azbestna nanovlakna [6]

Rimljani so ga uporabljali za izdelavo na-miznih prtov. Po jedi so ga namrec vr-gli za nekaj casa v ogenj in ko so gapobrali ven, je bil sterilen in cist. Slu-tili pa so, da so suznji, ki so se z azbe-stom ukvarjali, umirali mlajsi. Se boljironicno z danasnjega vidika pa je dejstvo,da so so ga okrog leta 1950 uporabljalikot sestavni del prvih filtrov za cigarete.Ni si tezko predstavljati, kaj je to pome-nilo za zdravje takratnih kadilcev. Kotje razvidno iz Slike 14, je azbest sesta-vljen iz dolgih in zelo tankih vlaken z de-belino okrog 15 nm. Ce ta vlakna pridejonpr. v pljuca, se zaradi izjemne kemijskestabilnost ne morejo razgraditi in drazijopljucno tkivo. V alveolih povzrocijo akti-

viranje lokalnega imunskega sistema, kar povzroci kronicno vnetno reakcijo, sajse imunski sistem neprestano trudi odpraviti vlakna. Pojavi se brazgotinjenjepljucnega tkiva in zgostitev alveolarnih sten, posledica pa je zmanjsanje difuzijeplinov v alveolu (manj kisika pride v krvni obtok in manj ogljikovega dioksida seizloci). V Sloveniji je azbestoza najbolj razsirjena med nekdanjimi delavci tovarneSalonit iz Anhovega. Druga neozdravljiva bolezen pa je pljucni mezoteliom, ki jeoblika pljucnega raka, ki nastane kot posledica izpostavljenosti azbestu.Naslednji primer, kako se lahko spremenijo lastnosti materiala, v tem primerukemicne, ob prehodu v nanodimenzije, je titanov dioksid (TiO2), ki je poleg dru-gih lepih lastnosti znan tudi po zelo velikem lomnem kolicniku. Ko je v t.i. rutilni

12

obliki, znasa 2.7, kar pomeni, da mocno siplje svetlobo in se kot tak s pridomizkorisca za izdelavo krem za zascito pred soncem, saj je to ena izmed pomemb-nejsih lastnosti, ki jo taka krema mora imeti. Rutilna oblika je relativno stabilnain kemijsko inertna. Z manjsanjem delcev pa lahko preide v zelo reaktivno ana-fazno obliko (Slika 15). Pod vplivom UV zarkov se anafazna oblika obnasa kotfotokatalizator, ki lahko hidrolizira vodo. Nastanejo zelo reaktivni prosti radikali,za katere je znano, da lahko poskodujejo DNK. TiO2, UV zarki in voda pa soravno kombinacija, ki se pojavi ob soncenju. Krema za zascito pred soncem, prikateri v procesu proizvodnje ni skrbne kontrole stanja TiO2, lahko torej povzrocise hujse posledice, v najslabsem primeru celo tvorbo koznega raka.

Slika 15: TiO2 v rutilni (A) in anafazni (B) obliki [6]

9. ZAKLJUCEK

Nanotehnologija prav gotovo obljublja revolucijo na veliko razlicnih tehnoloskihpodrocjih, seveda tudi v medicini, saj bioloski organizmi pravzaprav niso nic dru-gega, kot izjemno sofisticirani nanosistemi, ki jih je narava skozi evolucijo obliko-vala milijarde let. Prav zaradi tega pa je potrebna tudi zelo velika mera previdnosti,saj so nam zaenkrat ucinki materialov nanodimenzij na bioloske organizme v veciniprimerov povsem neznani. Obetamo pa si seveda lahko tudi ogromno pozitivnihucinkov in zanimivo bo videti, kako bo potekalo zdravljenje razlicnih bolezni pozaslugi nanotehnologije cez desetletja.

13

10. LITERATURA

[1] O. Salata : Applications of nanoparticles in biology and medicine -Journal of Nanobiotechnology 2004, 2:3

[2] Yoshida J, Kobayashi T: Intracellular hyperthermia for cancer usingmagnetite cationic liposomes. J Magn Magn Mater 1999, 194:176-184.

[3] Ma J, Wong H, Kong LB, Peng KW: Biomimetic processing of nanocrystal-lite bioactive apatite coating on titanium. Nanotechnology 2003, 14:619-623.

[4] Bruchez M, Moronne M, Gin P, Weiss S, Alivisatos AP: Semiconductor na-nocrystals as fluorescent biological labels. Science 1998, 281:2013-2016.

[5] Seminarji:dr. Igor Sersa: Nanomateriali v medicini. April 2010dr. Dusan Babic: Mikrofluidika na poti do nanotehnologije. April 2010dr. Boris Turk: Nanodelci in njihova uporabnost. september 2010

[6] R. H. Austin, Shuang-fang Lim: The Sackler Colloquium on promisesand perils in nanotechnology for medicine. PNAS November 11, 2008, vol.105, no. 45, 17221

14