Taina Grujic - Master Rad (f1-)

PRIMENA NANOMATERIJALA

U MEDICINI

- master rad -

Mentor: Kandidat:

prof. dr Jovan etraji Taina Gruji

Novi Sad, 2013

UNIVERZITET U NOVOM SADU

PRIRODNO-MATEMATIKI FAKULTET

DEPARTMAN ZA FIZIKU

Um je poput padobrana funkcionie jedino ako je otvoren!

A. Ajntajn

Zahvalujem se prof. dr Jovanu etrajiu, mom dragom mentoru, na razumevanju, strpljenju, zalaganju i pomoi, kao i na nesebinoj spremnosti da podeli svoje znanje sa mnom tokom izrade ovog master rada. Zahvaljujem se i ostalim lanovima komisije, prof. dr Oliveri Klisuri i prof. dr Maji Stojanovi na strplenju i ukazanom poverenju oko izrade ovog rada. Zahvaljujem se prijatelima koji su bili uz mene tokom studiranja i koji su mi pruili neizmernu podrku. Zahvaljujem se majci, sestrama i mom Borisu na pruenoj ljubavi i podrci. Veliko hvala stricu i strini, ivojinu i Kerstin, na pomoi i razumevanju za sve moje uspone i padove.

Za svaku lepu re, osmeh ili dar

od srca hvala! Taina Gruji

Primena nanomaterijala u medicini

SADRAJ

1. Uvod . ................................................................................................. 3

2. Kratak pregled razvoja nanomaterijala ............................................... 6

2.1. Podela nanomaterijala na osnovu veliine .................................. 8 2.2. Podela nanomaterijala na osnovu hemijskog sastava ................. 9

2.2.1. Fulereni .............................................................................. 9 2.2.2. Ugljenine nanocevi i nanovlakna ................................ 14 2.2.3. Gvoe-oksid, titanijum-dioksid i cink-oksid ................. 17

3. Nanotehnologija i nanomedicina ...................................................... 19

3.1. Kvantne take (Q-take) .......................................................... 20 3.2. Dendrimeri ............................................................................... 27 3.3. Nano-onkologija ....................................................................... 30 3.4. Kardiovaskularna nanomedicina ............................................... 33 3.5. Neuroloka nanomedicina ........................................................ 35 3.6. Zamena hormozoma ................................................................. 35

4. Primena nanotehnologija u isporuci lekova .................................. 37 4.1. Sistemi za dostavu lekova ......................................................... 37 4.2. Prenosioci lekova ...................................................................... 38 4.3. Unos dostavljaa lekova ............................................................ 44 4.4. Usmeravanje nanoestica .......................................................... 46

5. Izbacivanje nanoestica i njihova toksinost ... ................................ 48

6. Nanokapsulirani model . ................................................................... 53

7. Zakljuak .......................................................................................... 56

8. Literatura .. ........................................................................................ 58

Kratka biografija kandidata .............................................................. 60 Kljuna dokumentacijska informacija ............................................. 61

-2-


1.Uvod

Bilo kuda, nano svuda! U poslednjih petnaest godina u savremenoj nauci sve ee je

prisutan prefiks nano, od nanomaterijala preko nanotehnologija do nanosistema, pa sve do

naziva nanokozmetika i nanomedicina. Poreklo rei je grko i nano znai patuljak, a u fizici

predstavlja red veliina 10-9m. Nanotehnologije predstavljaju novu vrstu tehnologija koje se

zasnivaju na materijalima reda veliine malih molekula, kao i instrumentaciji koja je sposobna

da takve materijale karakterie, da sa njima manipulie po elji nezavisno od uobiajnih

spontanih hemijskih reakcija meu atomima i molekulima, i da na principima samo-

organizacije izgrauje klasine, kvantne i inteligentne nanomaterijale i sisteme. [1] Prema

proceni amerike National Nanotechnology Initiative, u svetu je u 2005. u nanotehnologiju

uloeno 9 milijardi dolara, a planira se da u 2015. dosegne 26 milijardi dolara. [4]

Nanotehnologija

Medicina

Vojna industrija

Energetika

Informaciona tehnologija

Autoindustrija

Prehrambena industrija

Slika 1.1. Primena nanotehnologija -3-


Kao to moemo videti na datoj emi (slika 1.1.) implikacije nanotehnologija su

prisutne u svim oblastima delatnosti modernog oveka. Osnovne prednosti nanotehnogija

vezane su za unapreenje proizvodnje sistema za preiavanje voda, energetskih sistema,

unapreenje nanomedicine, proizvodnje hrane, autoindustrije, itd. Zato nanooptimisti

procenjuju da e nanotehnologija omoguiti proizvodnju obilja iste vode, atomski

inenjerizovanu hranu, jeftiniju i veu proizvodnju energije, istu industriju, bolje formulacije

lekova, dijagnostiku i zamenu organa, mnogo vee skladitenje informacija i vee

komunikacione kapacitete, inteligentnu primenu informacija, itd. Pored prednosti, primena

nanotehnologija ukljuuje u sebi razliite, do danas nepoznate, rizike vezane za ovekovu

okolinu, zdravstvo, i razliite druge negativne efekte primene nanoestica. Vreme u kome

ivimo pokazalo je da se nanotehnologija koristi u vojne svrhe za voenje biolokih ratova,

zatim primena u implantima i sredstvima za nanosenzorsko osmatranje koja daje mogunost

kao nikada pre u istoriji oveanstva zlouotrebe i ugroavanja privatnosti.

Sa stanovita uticaja na zdravlje razlikujemo tri tipa nanostruktura: nanokompozite,

nanostrukturno dizajnirane povrine i nanokomponente gde su nanoestice koje su ugraene u

materijal fiksirane ili slobodne. Slobodne nanoestice su opasnije, mogu biti prosta ili

kompleksna jedinjenja gde su nanoestice pojedinanih elemenata prekrivene sa drugom

supstancijom (prekrivene nanoestice ili core-shell nanoestice). Njihova toksinost je jo

uvek nepoznata i nema veze sa toksinou makromaterijala. Prah ili tenost koji sadre

nanoestice gotovo nikada nisu monodisperzni i sadre neku raspodelu to jo vie

komplikuje analizu rizika jer vee nanoestice imaju razliite osobine u odnosu na manje.

Nanoestice pokazuju i tendenciju agregiranja, a agregati imaju razliite osobine u odnosu na

individualne nanoestice. U razvijenim zemljama sveta brigu o zdravlju i za okolinu, vode

nacionalne institucije za zdravlje i sigurnost okoline i komisije za sigurnost potroaa. [3]

Proizvodnja nanomaterijla kao to su nanoestice, klasteri, nanotube, tanki filmovi, itd,

je kljuna komponenta uspenog razvoja nanotehnologije zahvaljujui njihovim neobinim i

izvanrednim fizikim i hemijskim osobinama. [2]

Da bi jedan materijal bio nanomaterial potrebno je da njegov rast bude ograniena na

nanometarskom nivou po jednoj, dve i/ili tri dimezije, slika 1.2. Veoma dobar primer

jednodimenzionih (1D) biolokih nanomaterijala predstavljaju DNK i mikrotubule, fok je 0-

dimenzionalna (0D) bioloka struktura protein klatrin1. Kod tehnikih materijala fulereni su

1 Klatrin je protein koji ima centralnu ulogu u formiranju vezikula, formira strukturu triskelionskog oblika koja se sastoji od tri klatrinska teka lanca i tri laka lanca. Kad se ove strukture sloe nastaje polihedralna reetka koja okruuje vezikulu. Pokrivajui proteini poput klatrina se koriste za formiranje malih vezikula kojima se molekuli -4-

Primena nanomaterijala u medicini 0D, a nanocevi (nanotube) 1D strukture. Bioloki makromolekuli (DNK, mikrotubule i

klatrin) predstavljaju posebnu vrstu nanomaterijala, jer pripadaju klasi kodogenih sisitema. [1]

Slika 1.2.Prikaz veliina nanomaterijala

Ovaj rad je organizovan u osam poglavlja. U uvodnom poglavlju su navedene injenice

vezane za sam koncept nanotehnologije, a naredna poglavlja govore o podeli nanomaterijala,

odnosu nanotehnogija i nanomedicine. etvrto i peto poglavlje se bavi kljunim aspektima

dizajna nanoestica i njihovom ulogom u ciljanom isporuivanju lekova, imajui pri tome u

vidu prednosti nanometarske veliine estica i njihovo bioloko ponaanje. Na kraju je dat

nano-kapsuliran model i razmotrene su potencijalne toksinosti nanomaterijala i sigurnosti

primene.

mogu bezbedno trasportovati izmeu elija. Endocitoza i egzocitoza vezikula omoguava elijama da razmenjuju nutrijente, da unose signalne receptore, da posreduju imunski odgovor nakon testiranja ekstracelularnog sveta, i uklanjaju elijske ostatke nakon zapaljenja tkiva. Povremeno ovaj mehanizam takoe slui kao nain uklanjanja patogena ili toksina. Klatrin je protein slian fulerenu kao zaseeni ikosaedar, ali sa ikosaedarskom simetrijom, koji poseduje 12 pentagona i 20 heksagona. Takoe, ovaj protein moe postojati sa 12 pentagona i proizvoljnim brojem heksagona. Meutim, njegov proces samoorganizovanja je prema 0-D simetriji, kao proces kristalizacije oko take. Ovo daje klatrinu formu ljuske (zatvorene mree); DNK tako invertuje deo svog koda (koji je 1-D) u protein sa strukturom 3-D ljuske. Unutranji prostor pokrivenih vezikula (ljuske) moe biti ispunjen ili prazan, obe situacije su eksperimentalno uoene. -5-


2.Kratak pregled razvoja nanomaterijala

Nanotehnologija je svaka tehnologija koja koristi pojave i strukture koje mogu postojati

samo u nanometarskoj skali. Web sajt National Nanotechnology Initiative definie nano-

tehnologiju na sledei nain: Nanotehnologija je poznavanje i kontrolisanje materije ije su

dimenzije od 1 do 100 nm, gde jedinstvene pojave omoguavaju nove primene.

Na poetku 21. veka, pola veka nakon otkria strukture dezoksiribonukleinske kiseline

(DNK), svet nauke je suoen sa znaajnim napretkom u brojnim disciplinama naroito na

polju molekularne biologije i manipulisanju molekulima nukelinskih kiselina, hemije, fizike,

itd. Brojne tehnike molekularne biologije su uspeno primenjene u biologiji, bioetehnologiji,

medicini, dijagnostici, forenzikim disciplinama i brojnim drugim.

DNK, kao kodogeni biloki nanomaterijal je nosilac naslednih, stukturnih i

funkcionalnih karakteristika organizma tj. hijerarhija biolokih informacionih sistema polazi

od DNK kao kvazi jednodimezionalnog informacionog sadraja u eliji (duine oko 1,5

metara i prenika 2 nanometra) koji sa aspekta strukturne organizacije predstavlja aperiodian

kristal, jer je redosled baza unutar dvostruke spirale aperiodian, dok su fosfati i riboze

periodino rasporeeni po spoljanosti spirale. S obzirom da se informacioni sadraj DNK

preslikava u proteine, onda je primarna struktura proteina takoe, jednodimezionalni (1D)

kodogeni entitet koji je kao struktura mnogo fleksibilniji od DNK. Proteinski lanac se lomi

po peptidnim ravnima, stvarajui sekundarnu strukturu ( -heliks, -plou i neureenu

strukturu) koje osciluju haotino.

Imajui u vidu kodogenost DNK, u domenu nanotehnologija postavila su se dva

zadatka: kako iskoristiti DNK kao prirodni kodogeni materijal za nanotehnoloke naprave i

-6-

Primena nanomaterijala u medicini kako napraviti materijale koji bi u tehnikim sistemima mogli da budu kodogeni i da se

ponaaju po istom kodogenom zakonu kao i DNK. [5]

Prve koncepte nanotehnologije (mada jo 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 izloio ideju graenja objekata od dna prema vrhu,

predvidevi teorijski fiziku mogunost manipulisanja atom po atom. Feynman je opisao

proces pomou kojeg se moe razvijati mogunost manipulisanja pojedinanim atomima i

molekulima, koristei 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

manipulisanja atom po atom proistekla je upravo iz njegove zadivljenosti ureenjem i

funkcionisanjem biolokih sistema. [1, 3, 6]

Zatim je termin nanotehnologija definisao profesor sa tokijskog univerziteta prirodnih

nauka Norio Taniguchi, 1974. godine, na sledei nain: Nanotehnologija se uglavnom sastoji

od obrade, razdvajanja, saimanja i deformisanja materije jednim atomom ili molekulom. U

1980-im godinama, osnovnu ideju ove definicije je mnogo dublje istraio dr Eric Drexler u

svojim knjigama Motori kreativnosti, gde je predvideo disciplinu molekularne nano-

tehnologije koja bi omoguila proizvoaima da izrade proizvode od dna ka vrhu uz pomo

precizne molekularne kontrole. Pomou ove tehnologije bilo bi mogue staviti molekule na

njihovo specifino mesto, ime bi procesi proizvodnje bili isti, efikasni i produktivni. [3]

Ideja se realizovala u praksi nakon 25 godina kada su Gerd Binnig i Heinrich Rohrer,

istaivai sa IBM, Cirih, 1984. godine konstruisali prvi STM (Scanning Tunnelig

Microscopy) i AFM (Atomic Force Microscopy). Zatim je 1985. godine istraivaki 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. [1]

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, slika 2.1. Prema prvoj nastaju direktno iz osnovnih materijala uz

pomo fizikih metoda, kao to su: fotolitografija, laserska obrada i mehanike tehnike, dok

druga podrazumeva upotrebu molekularnih struktura materijala kao poetnog, koje e putem

razliitih hemijskih reakcija, fizikim tretmanima dovesti do formiranja novih nanomaterijala.

[4]

-7-


Slika 2.1. Strategije u proizvodnji nanomaterijala od vrha na dole i od dole ka vrhu

Najvanija razlika izmeu osnovnih materijala i nanomaterijala je u tome to

nanomaterijali na maloj povrini imaju velik broj atoma, to dovodi do toga da oni imaju

izrazitu povrinsku energiju i veliku specifinu povrinu po jedinici mase i zbog toga se

odlikuju visokom reaktivnou. Generalno, nanotehnologije poboljavaju osobine materijala,

smanjuju njihovu masu, poveavaju njihovu stabilnost i unapreuju njihovu funkcionalnost.

[2, 4]

2.1. Podela nanomaterijala na osnovu veliine

Podelu nanomaterijala na osnovu veliine predloili su Pokropivny i Skorokhod. Dele

se na : nultodimenzionalne (0D, sve dimenzije manje od 100 nm), jednodimenzionalne (1D,

bar jedna dimenzija vea od 100 nm), dvodimenzionalne (2D) i trodimenzionalne (3D).

Postoje razliiti morfoloki oblici 1D nanostruktura, od kojih su u najee prouavani:

nanovlakna (nanofibers), nanonoice (nanowires), nanotrake (nanobelts), nanoprstenovi

(nanorings), nanoipke (nanorods) i nanocevi (nanotubes). [1, 4]

Nanovlakna predstavljaju cilindrine 1D nanostrukture prenika do 100 nm i duine od

nekoliko mikrometara do nekoliko milimetara. Osnovnu strukturnu jedinicu ini grafitna

ploa koja se sastoji od ugljenikovih atoma meusobno povezanih u estougaonik. Nanoice

su po obliku iste kao i nanovlakna, ali se razlikuju po odnosu dimenzija duina-prenik, to su

kristalne strukture provodnikih ili poluprovodnikih elektrinih osobina materijala i sastoje

se od organskih ili neorganskih molekula. Spontanim samouvijanjem nanotraka nastaju

nanoprstenovi koji poseduju piezoelektrini efekat i nalaze veliku primenu kao senzori.

-8-

Primena nanomaterijala u medicini Nanoipke se razlikuju od predhodno spomenutih po nesavitljivim spoljanijm zidovima. Sve

dimenzije nanoipki kreu se u intervalu od 1-100 nm, sintetiu se od metala ili

poluprovodnikog materijala i upotrebljavaju se najee kao laseri. Nanocevi su uplje

cilindrine jednodimenzionalne nanostrukture. Prvo su sintetisane ugljenine nanocevi, a

zatim i halogenidne, a poslednjih nekoliko godina dobijene su i od keramikih materijala. [4]

2.2. Podela nanomaterijala na osnovu hemijskog sastava

Na osnovu hemijskog sastava nanometarijale delimo na organske i neorganske. U

organske spadaju materijali koji sadre ugljenik. Meu najznaajnijim su nanodijamant,

fuleren C60, ugljenine nanocevi i nanovlakna. Ugljenini nanomaterijali mogu biti u obliku

uplje sfere, elipsoida ili cevi. Sferni i elipsoidni se nazivaju fulereni. Neorganski

nanomaterijali su estice bazirane na metalnim oksidima: cink-oksid, gvoe-oksid, titanijum-

dioksid i metali: zlato, srebro, gvoe i kobalt.

Fizika i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji ine

materijal znatno smanji, pa tako u nano veliini, zlato vie nije ute boje i moe da ima

zelenu, crvenu, plavu i druge boje. Nanoestice Au imaju primenu kao umanjioci

fluoroscencije. [4, 6]

2.2.1. Fulereni

Fulereni su forma ugljenika (kao dijamant i grafit) i predstavljaju familiju ugljeninih

klastera: C60, C70, C76, C78, C84, C90, C94, C96 Sastoje se od petolanih i estolanih

prstenova ugljenika. Zatvorenu strukturu im obezbeuje 12 pentagona, a uoptena formula im

je C20+2m, gde m predstavlja proizvoljan broj heksagona. Zbog svoje jedinstvene strukture i

svojstava, fulereni potencijalno imaju veoma iroku primenu: mogu se koristiti kao

superprovodnici na relativno viskokim temperaturama, nemetalni feromagnetni materijali,

preiivai prirodnog gasa, a takoe i u medicini kao medicinski antioksidansi,

fotosenzitizeri, inhibitori virusa i bakterija, itd. Najpoznatiji je svakako C60. Atomi ugljenika

C60 su smeteni u temenima zarubljenog ikosaedra2. slika 2.2. U molekulu C60 postoje

jednostruke i dvostruke veze: dvostruke veze se smetaju izmeu dva heskagona i imaju

duinu od priblino 0.140 nm, a jednostruke veze se nalaze izmeu pentagona i heksagona i

priblino iznose 0.1455 nm (u zavisnosti od metode merenja - NMR ili snopom neutrona,

2 Pravilan zarubljeni ikosaedar je zatvoreni poliedar sa 90 ivica jednake duine, 60 ekvivalentnih temenih uglova, 20 heksagonalnih povrina i 12 pentagonalnih. -9-

Primena nanomaterijala u medicini dobijaju se neto drugaije vrednosti duina). Zbog ove razlike u duinama veza, fulereni ne

formiraju pravilan zarubljeni ikosaedar, ali se ta razlika ponekad moe i zanemariti. Prenik

ovog ugljeninok klastera je oko 0.71nm. Fulereni imaju hibridizaciju sp2 sa primesama sp3 .

[8]

Slika 2.2. Ikosaoedar, zaraubljeni ikosaoedar, C60

U vrstom stanju, fulerene povezuju van der Valsove sile. Sam molekul C60 je skoro

nestiljiv (zbog male udaljenosti atoma), ali u vrstom stanju, zbog van der Valsovog

rastojanja, C60 je prilino stiljiv i "mek" i formira povrinski centriranu kristalnu reetku sa

parametrom reetke 1.417 nm, slika 1.5., a ako sa monokristala pree u formu kristalnog

praha gde dominiraju nanostrukturni efekti, formira pakovanje u heksagonalnoj reetki sa

parametrima a=1.002nm i c=1.636nm. [8,9]

Slika 2.3. Povrinski centrirana kristalna reetka fulerena

Fulereni su inertne uplje strukture koje se mogu beskonano modifikovati. Kada se

primenjuju oralno u obliku koji je rastvorljiv u vodi, ne apsorbuju se, dok ako se primene

injekcijom, veoma brzo se rasprostrane po razliitim tkivima. Izbacuju se kroz bubrege u

nepromenjenom obliku. Akutno trovanje fulerenima rastvorljivim u vodi je veoma malo. Sve

te osobine obeavaju znaajnu primenu u farmakologiji i medicini. Meutim, problem je

njihova hidrofobnost. Razvijaju se razliite metode da bi se ta njihova osobina prevazila. One -10-

Primena nanomaterijala u medicini ukljuuju sintezu fulerenskih derivata da bi se promenila njihova rastvorljivost, enkapsuliranje

C60 u ciklodekstrine ili u kaliksarene ili priprema preparata vodene suspenzije.

Direktna dostava lekova i biomolekula unutar elije ima velikih prednosti zbog svoje

efikasnosti, dostave na ciljano mesto. Zbog toga se i sintetiu sigurni i efikasni nosai za

njihov transport. Veliki broj nanoestica se mogu koristiti kao nosai, zbog njihovih

raznovrsnih osobina, kao to su dobra biokompatibilnost i kontrolisano otputanje noenih

lekova. Fulereni zbog svoje veliine (oko 1nm) i bioloke aktivnosti imaju lak pristup meti.

Aktivnost ovakvih estica zavisi i od svojstva fulerenskog kaveza i od funkcionalnih grupa i

mogu se transportovati u razliite delove organizma.

Amfifulerenska jedinjena (amfi od obe vrste) su supramolekularne organizacije koje

sadre jezgro od fulerena i u isto vreme i hidrofobni i hidrofilni deo. Takvi molekuli se sami

organizuju (self assemble) u strukture koje se nazivaju bakisomi (buckysomes). Jedan od

takvih fulerena je i amfifilni fuleren 1 (AF-1), slika 2.4., iji se molekuli mogu sastaviti ili u

hidrofilni mehuri sa upljom unutranou ili u sfernu nanostrukturu sa gustom hidrofobnom

unutranjosti.

Slika 2.4. Stuktura monomera amfifilnog fulerena AF-1

Podeavanjem spoljanjih uslova tokom samo-formiranja bakisoma, AF-1 moe

formirati strukturu koja inkapsulira neki hidrofobni molekul. Ovakvi bakisomi bi mogli

posluiti kao novi nanovektori koji bi dostavljali lekove na specifina mesta u organizmu.

Osim to mogu dostavljati lekove, fulereni imaju potencijalnu upotrebu i za dostavu

strane DNK u eliju, od ega genska terapija moe imati velike koristi. Traga se za pogodnim

-11-

Primena nanomaterijala u medicini nosaima genskog materijala, tzv. vektorima: viralnim (kao to si retrovirusi, adenovirusi,

lentivirusi) i neviralnim. Iako viralni vektori zbog svoje prirodne sposobnosti da uu u eliju

predstavljaju efikasne nosae, takoe izazivaju i neeljene reakcije imunog sistema. Neviralni

vektori ne izazivaju takvu imuno reakciju, i da bi se dobili eljeni efekti, moraju se desiti

sledei procesi: vezivanje genskog materijla za vektor, ulazak kompleksa u eliju, oslobaanje

vezane DNK iz kompleksa, ulazak DNK u jezgro elije i proizvodnja proteina kodiranog na

DNK. Ispitivani aminofulereni su pokazali malu citotoksinost i fotocitotoksinost (pod

vidljivim svetlom). Na to utie prisustvo amino grupe usled koje nema ekscitovanog

tripletnog stanja kao to je to sluaj kod drugih derivata fulerena.

U modernom svetu, osteoporoza predstavlja veliki zdravstveni problem. Usled

slabljena kostiju, dolazi do lakih preloma, pogotovo kukova i da bi se postigla vea efikasnost

i manja toskinost, sintetisan je polifluorobifosfonatni fuleren. Predpostavka je da fulerenska

sfera moe da, sigurno po organizam, transportuje bifosfonate i F-komponente do kostiju u

jedinstvenom paketu koji se lako apsorbuje u gastrointestinalnom traktu.

Zbog svoje prirode kaveza kao potencijalne izolacione komore, fulereni se mogu

iskoristiti i kao prenosioci nestabilnih atoma, na primer metala. Takvi fulereni se nazivaju

endofulereni, tj. metalofulereni i u mogunosti su da izoluju reaktivni atom od okoline, tj. da

ga zatite od hemijskih i enzimskih aktivosti u telu. Fulerenski kavezi su relativno netoksini i

otporni na metabolizam, tako da ovo predstavlja siguran prenos atoma koji bi, u sluaju da

nisu inkapsulirani, bili toksini ili imali tetne posledice na organizam. Poto u in vivo

uslovima, fulereni nisu otputali zarobljene metale, metalofulereni se ispituju za primenu u

dijagnostici: kao kontrast pri MRI ili x-zraenju, i kao radiofarmaceutici. Gadofuleneri

(fulereni sa inkapsuliranim gadolinijumom) mogu biti novi kontrastni agensi pri snimanju

magnetnom rezonancijom. Gadolinijum je jak paramagnetik na sobnoj temeraturi i ve se

koristi pri MRI. Derivati Gd@C60[C(COOH)2]10 i Gd@C60(OH)x su dobro rastvorljivi u vodi

i po telu se distribuiu slino poput kontrasta koji se ve kliniki upotrebljava. Poto je Gd3+

jon zarobljen unutar fulerenskog kaveza, ne moe doi do disocijacije tog jona. Predpostavlja

se da gadofulereni reda veliine 1nm mogu biti i do 20 puta efikasniji od klinikih kontrastnih

agenasa koji se trenutno kotiste. Rezultati eksperimenata ukazuju da se gore pomenuti derivati

lokalizuju u tkivima koja obiluju makrofazima (vrsta belih krvnih elija) kao to su jetra,

kotna sr i slezina, i polako, u malim koliinama se otputaju u krvotok. Lokalizacija

metalofulerena u kostima ukazuje da ovakvi molekuli mogu da se koriste i za terapiju

leukemije i raka kostiju.

-12-


U nuklearnoj medicini, fulereni koji inkapsuliraju tehnecijum 43Tc - 99Tc@C60 i 99Tc@C70, mogu se koristiti u metodama dijagnostike koje detektuju male koliine

radioaktivnosti. Inkapsuliranje tehnecijuma u fuleren, njegov transport kroz organizam ini

lakim i sigurnijim.

Zbog svog oblika, kao i toga to imaju veliki broj konjugovanih dvostrukih veza,

fulereni mogu lako da veu molekule radikala, pa je velika prednost primene fulerena

rastvorljivih u vodi kao medicinskih antioksidanasa u njihovoj sposobnosti da se ubace u

mitohondrije i druge delove elija gde se stvaraju slobodni radikali. Fulerenol je idealni

sakuplja slobodnih radikala, zbog svoje rastvorljivosti i mogunosti da prolazi kroz barijeru

krv-nervno tkivo, pokazalo se da apsorbuje vie radikala i smanjuje toksinot slobodnih

radikala na nervno tkivo.

Fuleren ima paradoksalne osobine: moe biti efikasan ista radikala, a sa druge strane

moe stvarati radikale pri fotoiradijaciji. Fotodinamina terapija predstavlja tehnologiju koja

se koristi u leenju tumoroznog tkiva. Ona ukljuuje fotosenzitizer, svetlost i kiseonik koji se

nalazi u tkivu. Fotosenzitizer je hemijsko jedinjenje koje se moe ekscitovati svetlou

odreene talasne duine (obino vidljiva svetlost ili bliska infracrvena). U pacijenta se ubrizga

fotosenzitizer, a tkivo koje se tretira se osvetli svetlou koja odgovara ekscitaciji foto-

senzitizera, usled ega dolazi do niza interakcija sa kiseonikom i molekulima tkiva, koje

dovode do smrti ciljanog tkiva. Oblasti koje se mogu tretirati fotodinamikom terapijom su

ograniene na regije gde se svetlost moe primeniti spolja ili endoskopski: koa, plua,

jednjak, debelo crevo, jetra, beika, prostata. Derivati fulerena rastvoljivi u vodi su

citotoksini kada su izloeni vidljivom svetlu. U eksperimentu, C60-karboksilna kiselina je

inkubirana sa uzgajanim elijama tri dana i pri tome nije uoena bioloka aktivnost. Meutim,

pri izlaganju maloj snazi vidljive svetlosti, jedinjenje je ubilo elije. Citotoksinost C60

derivata je uzrokovana njegovom sposobnou da rascepi DNK. Ova bioloka aktivnost se

javlja usled njihove lake fotoekcitacije.

Derivati fulerena imaju potencijalnu primenu i u inhibiciji HIV proteaze. Antiviralna

aktivnost dreivata fulerena se bazira na nekoliko njegovih biolokih karakteristika kao to su

unikatna molekulska struktura i antioksidativna aktivnost. Enzim proteaze se pokazao kao

privlana meta za antiviralnu terapiju. Aktivno mesto ovog enzima se grubo moe opisati kao

upljina koja je obloena sa skoro sasvim hidrofobnim amino kiselinama (osim dve

hidrofilne). Poto molekul C60 ima priblino isti radijus kao upljima, moe postojati jaka

hidrofobna Van der Valsova interakcija izmeu nepolarne povrine akrivnog mesta i povrine

-13-

Primena nanomaterijala u medicini C60. Stoga, molekul bi sasvim lepo stao unutar upljine HIV proteaze. Kao posledica ovoga,

proteaza ne bi mogla da vri svoju funkciju, i time bi se spreilo razmnoavanje virusa.

[8 19, 27]

2.2.2. Ugljenine nanocevi i nanovlakna

Meu razliitim vrstama nanomaterijala, ugljenine nanocevi i nanovlakna pobuuju

posebnu panju zbog svojih izuzetnih mehanilkih, elektrinih, optikih i strukturnih osobina.

Ugljenine nanocevi su ureene, uplje nanostrukture koje se sastoje od ugljenikovih atoma

vezanih jedan za drugi pomou sp2 veza koje su jae od sp i sp3 veza i predstavljaju kljuni

faktor sa stanovita izvrsnih mehanikih osobina i visoke elektrine i termike provodljivosti

ovih materijala. Mogu se zamisliti kao grafenske ploe koje su rolovane u cilindre, slika 2.5.

[3]

Slika 2.5. Prikaz rolovanja grafenskih ploa u cilindre ugljenine nanocevi

Jedna grafenska ploa koja je rolovana ini jednu jednoslojnu ugljeninu nanocev, dok

ako je vie od jedne od takvih ploa rolovano koncentrino u slojevima tada je to vieslojna -14-

Primena nanomaterijala u medicini ugljenina nanocev. Jednoslojne ugljenine nanocevi imaju prenik reda veliine 0.5-1.5 nm i

duinu reda veliine od 100 nm do nekoliko m, a vieslojne imaju vee prenike zbog svoje

strukture, slika 2.6. Dobijaju se na vie naina: isparavanjem u elektrinom luku, laserskim

isparavanjem, katalitikim rastom u gasnoj fazi iz CO, itd. [3-6]

Slika 2.6. Jednoslojne i vieslojne nanocevi

Ugljenina nanovlakna nastaju iz grafenskih ploa koje su zakrivljene pod odreenim

uglom da bi formirale sloj nanokonusa. Veiine ugljeninih nanovlakana se kreu od 3.5 nm

do nekoliko stotina nm u preniku, i nekoliko m u duinu, slika 2.7 [3]

Slika 2.7. Ugljenina nanovlakna

-15-


Zavisno od hilarnog vektora 3 jednoslojna ugljenina nanocev moe biti poluprovodna

ili metalna. Metalna nanocev moe preneti struju koja je vie od 104 puta vea od struje koju

je za isti presek cevi mogue preneti kroz obian metal. Zbog velikog odnosa duine i

prenika, velike specifine povrine sa brojnim vezama na zidovima cevi, ugljenine nanocevi

i nanovlakna se mogu lako modifikovati sa razliitim bioaktivnim molekulima za

biomedicinske primene, kao to su primene u razliitim oblastima regenerativne medicine, a

da bi se to realizovalo treba prvo funkcionalizovati njihove povrine da bi poboljali njihovu

rastvorljivost i biokompatibilnost, pa takvi sistemi mogu biti primenjeni kao sistemi za

isporuku lekova i gena. [3, 8]

Prisutan problem koji treba razreiti da bi dolo do njihove pune primene je njihova

nerastvorljivost u mnogim rastvaraima. Uniformnu distribuciju jednoslojnih ugljeninih

nanocevi teko je postii zbog prisustva meusobnih van der Valsovih interakcija koje

uslovljavaju njihovu aglomeraciju. Funkcionalizacijom povrine, nanocevi mogu postati

rastvorljive u vodi, slika 2.8.

Slika 2.8. Funkcionalizacija ugljeninih nanocevi

Na osnovu svojstava nanocevi, da molekuli i joni mogu biti transportovani kroz njih,

napravljeni su molekularni senzori i ureaj za sekvenciranje DNK. Ugljenine nanocevi mogu

probiti elijsku membranu bez poremeaja integriteta membrane, pri emu bi kroz ovakve

"nanoigle" mogli da se unose lekovi. [2, 3, 6]

3 Hilarni vektor vektor koji je normalan na pravac u kome se roluje grafitna ploa da bi formirala cilindar nanocevi. -16-


U ispitivanju je i jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih od

povrine, korienjem magnetnih nanoestica. Nanoestice su takoe koriene kao lumi-

nescentne sonde za optiko snimanje i kao magnente sonde za NMR. Korienje blizu-IC

luminescentnih nanoestica za optiko snimanje dubokog tkiva je pokazala upotrebu

nanokristala kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju elijski

karcinom. Kardiovaskularni biomaterijali, koji su razvijeni korienjem nanotehnologije,

moraju omoguiti kompatibilnost krvi. Zbog toga su istraivani kompoziti od ugljenikovih

nanocevi i poliuretana sa vie zidova izraenih kontrolisanom ko-precipitacijom. Izvrsne

mehanike i elektrine osobine ugljeninih nanocevi i nanovlakana mogue je eksploatisati i u

inenjerstvu nervnih tkiva. Budui da nervna tkiva imaju brojne nanostrukturne osobine kao

to su nanostrukturni ekstraelijski matriksi sa kojima nervne elije intereaguju, ugljenina

nanovlakna i nanocevi poseduju biokompatibilne osobine i mogu se koristiti i za popravku

nervnih tkiva. [3, 20]

2.2.3. Gvoe-oksid, titanijum-dioksid i cink-oksid

Gvoe-oksid se obino priprema alkalnom ko-precipitacijom (sutaloenje, a u irem

smislu dve ili vie supstancija se istoremeno taloe) odgovarajuih odnosa Fe2+ i Fe3+ soli u

vodi u prisustvu pogodnih hidrofilnih polimera kao to su dekstran ili polietilenglikol. Pri

tome nastaje estica sa gvozdenim jezgrom prenika oko 5 nm, koja je heksagonalnog oblika i

obloena molekulima dekstrana ili polietilenglikola. Ovakvi kristali poseduju velike magnetne

momente kad se ubace u magnetno polje, to prouzrokuje lokalne poremeaje u homogenosti

magnetnog polja. Kao posledica ovih magnetnih poremeaja nastaje velika razlika u

susceptibilnosti izmeu superparamagnetnih kristala gvoe oksida i okolnih protona vode to

rezultira smanjenjem T2 relaksacionih vremena i gubitkom lokalnog signala, pa zato

zahvaljujui sposobnosti da prouzrokuju promene u relaksacionim vremenima spin-spin

interakcije susednih molekula vode, koriste se kao kontrastna sredstva u magnetnoj

rezonanciji za detekciju tumora, ateroskleroze i zapaljenskih promena mozga i zglobova.

Povrinu superparamagnetnog kristala gvoe oksida lako je funkcionalizovati vievalentnim

malim molekulima, proteinima, antitelima, oligonukleidima i folnom kiselinom.

Nanoestice (nanopartikule) sa ZnO ili TiO2 zamenjuju konvencionalne apsorbere UV

zraka u nekim proizvodima za zatitu koe. Kako je veliina ovih nanoestica oko 50 nm,

postojala je bojazan da bi njihov prodor kroz bazalnu membranu i kontakt sa krvnim

sudovima mogao, zbog njihovih osobina, da dovode do toksinih efekata. No, tri nezavisna -17-

Primena nanomaterijala u medicini istraivanja (West Dreams, Wild Child i Bare Zone, USA) sprovedena u periodu 1997-2002.

godine su pokazala da one ne prodiru kroz bazalnu membranu (iz epiderma u derm) i da su

bezbedne za upotrebu. Meutim, biokompatibilnost nanomaterijala je jedan od najvanijih

uslova za njihovu upotrebu u medicini i kozmetici. Upotreba ZnO i TiO2 u kraem

vremenskom periodu je bezbedna, ali za dui vremenski period, uz eventualne povrede koe

koje dovode do krvarenja, mogla bi dovesti do komplikacija. Komplikacije bi mogle nastati i

ukoliko korisnik ima kancer koe ili melanom, a da to ne zna. Pokazano je pomou STM da

su klasterski ureene nanoestice sa TiO2 u formi tankog filma odlina podloga na kojoj se

podstie rast normalnih i kancerogenih elija. Razlog za ovaj fenomen sadran je u injenici

da je tekstura povrine TiO2 filma veoma slina teksturi koju formira ekstracelularni matriks

kao prirodni supstrat na kome se ostvaruje deoba i rast elija. Tako se pokazuje da ponekada

biokompatibilnost materijala, koja je poeljna kod interakcije sa zdravim tkivom, moe imati

negativne posledice kod osoba koje imaju kancer koe ili melanom (a da postojanje krcinoma

nije registrovano), jer pospeuju njihov razvoj. [1, 2, 6]

-18-


3. Nanotehnologija i nanomedicina

Tri glavna pravca u istaivanju i razvoju nanotehnologija u zemljama EU bie u

oblastima primene naotehnologija u dijagnostici, regenerativnoj medicini i terapiji. U okviru

dijagnostike polazi se od postojeih mogunosti primene kvantnih taaka za veoma kvalitetno

snimanje tkiva, pa sve do izrade multi modalnih kamera i nanorobota koji e iznutra snimati

tkivo i vriti reparaciju. U oblasti regeneracije posebna panja bie posveena nano-

tehnologijama za kou i motor neurone, a kod terapije predlae se vie pravaca razvoja, a

jedan od glavnih je izrada magnetnih i paramagnetnih nanoestica. Brzi razvoj nanomaterijala

nije podstaknut samo naukom, ve i zahtevima trita. Iako nanomaterijali imaju veliku

mogunost primene u razliitim oblastima, oni se u velikoj meri jo istrauju, a fenomeni

vezani za njih su vrlo sloeni i mnogi od njih se mogu objasniti primenom zakona kvantne

mehanike i njihovim povezivanjem sa mikro i makro nivoima strukture.

Razvoj nanotehnologije, kao to je ve reeno, zahvaljujui svom potencijalu da

iskoristi otkria molekularne biologije, poeo je da menja osnove dijagnostike, terapije i

prevencije bolesti, a sama primena nanotehnologije u tretmanu, dijagnozi, praenju i kontroli

biolokih sistema nedavno je definisana pod nazivom nanomedicina. Metode konvencionalne

medicine pokuavaju da loe elije otklone seenjem hirurgija, da ih spre

radioterapija ili da ih otruju hemoterapija, a nanomedicina pokuava da ili otkloni

odreene elije ili ih reparira eliju po eliju. Pojedinaan elijski tretman moe biti npr.

baziran na biosenzorskoj informaciji na osnovu koje se kontrolie isporuka odgovarajue

koliine leka na odreenu eliju. Mononuklearni fagociti, dendritske elije, elije endotela i

tumorske elije predstavljaju glavne mete u ovakvom pristupu.

[1, 2, 5]

-19-


Nanomedicina je vrlo iroka oblast i prouava nanoestice koje deluju kao bioloki

mimetici (npr. funkcionalizovane ugljenine nanocevi), nanomaine (npr. one napravljene

od DNK), nanovlakna i polimerne nanoestice koje slue kao biomaterijali (npr. nanoporozne

membrane), kao i razliite ureaje koji deluju na nanonivou (npr. Si-mikroipovi za

otputanje lekova i uplje mikroiglice od Si-monokristala). Skala osnovnih biolokih struktura

je slina komponentama koje su ukljuene u nanotehnologiju, npr. peptidi su po veliini slini

kvantnim takama (~ 10 nm), a neki virusi su iste veliine kao nanoestice za dostavu medi-

kamenata (~100 nm). Stoga se vei deo molekulske medicine i biotehnologije moe smatrati

nanotehnologijom. Istina je da je proces pretvaranja osnovnog istraivanja u nanotehnologiji i

nanomedicini u komercijalno odrive proizvode dug i teak. [2]

Tehnologije i tehnike ija se primena u nanomedicini moe oekivati u najskorijoj

budunosti:

Biofarmaceutika: isporuka lekova (dostava medikamenata), inkapsuliranje lekova,

funkcionalni nosai lekova, otkrivanje lekova;

Materijali za implantiranje: popravka i zamena tkiva, oblaganje za implantate, skafoldi

za regeneraciju tkiva, strukturalni materijali za implante, popravka kostiju, bioresorbu-

jui materijali, pametni materijali;

Ureaji za implantiranje: ureaji za procenu i leenje, senzori koje je mogue

implantirati, medicinski ureaji koje je mogue implantirati, senzorna pomagala;

Medicinska pomagala i ureaji: alati za operaciju, pametni instrumenti, hirurki roboti,

dijagnostiki alati;

Ultrasenzitivne tehnologije oznaavanja i otkrivanja: rasporeivanje i odlaganje

velikog broja rezultata viestrukih analiza, imaging (snimanje), oznake nanoestica,

ureaji za razumevanje osnovnih ivotnih procesa.

3.1. Kvantne take (Q-take)

Fizika i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji ine

materijal znatno smanji. Mali broj uslovljava drugaiji raspored i meurastojanje za

povrinske atome, a ta svojstva dominiraju fizikim i hemijskim svojstvima objekta.

Smanjivanje dimenzija sistema do reda veliine 100 nm i manje uzrokuje kvantne fenomene

koji menjaju elektronsku zonsku strukturu, odnosno elektrine i optike osobine materijala.

Ako dimenzije sistema redukujemo tako da je kretanje nosilaca naelektrisanja ogranieno u

-20-

Primena nanomaterijala u medicini okviru veoma tankog sloja, u jednoj ili vie prostornih dimenzija sistem se tretira kvantno

mehaniki. [7, 20]

U poluprovodnicima diskretne vrednosti energija se postie kada debljina

posmatranog sloja odgovara De Broljevoj talasnoj duini. Kvantovanje energijskih stanja,

odnosno prostorno ograniavanje nosilaca naelektrisanja se izvodi formiranjem potencijalnih

barijera. U zavisnosti od izbora potencijalne barijere konfiniranje (kvantno ograniavanje)

moe da se vri u jednom ili vie pravaca, tako da se dobije tanak film, odnosno jama

(quantum well, QW), zatim ica (quantum wire, QWR), ili taka (quantum dot, QD), odnosno

kutija. Ako je potrebno da se dobije poluprovodniki film prostorno ograniavanje se vri u

jednom pravcu (jednodimenziono kvantno-konfiniranje). ica je dvodimenziono kvantno-

konfinirana struktura, dok se kod take kvantni efekat javlja u sva tri pravca. Na slici 3.1. je

predstavljen ematski prikaz ovih struktura, kao i masivni poluprovodnik kod koga ne postoji

ovaj efekat.

Slika 3.1. ematski prikaz QW, QWR i QD

U pravcima slobodnim od kvantnog-konfiniranja, naelektrisanja se kreu slobodno

tako da se formira, takozvani, elektronski ili upljinski gas. Kod kvantnih jama elektronski ili

upljinski gas se javlja u dve dimenzije, tako da se one nazivaju i 2D-strukture. Kvantne ice

su 1D, a kvantne take 0D-strukture. Postojanje upljinskog gasa kod kvantnih jama i ica -21-

Primena nanomaterijala u medicini uzrokuje formiranje energijskih podzona, dok se kod kvantnih taaka javljaju diskretna stanja,

analogna energijskim stanjima u atomu, pa se ove strukture nazivaju i vetaki atomi. [1, 20]

Kvantne take predstavljaju poluprovodne nanostrukture iji su nosioci naelektrisanja

prostorno ogranieni u sve tri dimenzije. Kao posledica toga osobine ovakvih sistema se

prilino razlikuju od osobina makroskopskih poluprovodnika. U poslednje vreme kvantne

take su izuavane u tranzistorima, solarnim elijama, LED diodama i diodnim laserima.

Takoe postoji primena ovih sistema u medicini. Neke kvantne take su ak i komercijalno

dostupne.

U makroskopskim poluprovodnicima nosioci naelektrisanja elektroni i upljine su

obino vezani u okviru karakteristine duine, takozvanog Borovog radijusa. U sluaju

njihovog razdvajanja osobine poluprovodnika se znatno menjaju. Ovaj efekat je oblik

konfiniranja i postoji tenja da se koristi u razliitim elektronskim strukturama. Proizvodnja

poluprovodnikih nanostruktura naglo se razvila sedamdesetih godina prolog veka kada je

omogueno nanoenje tankih slojeva poluprovodnikih materijala sa preciznou koja

odgovara dimenzijama pojedinih atoma.

Glavni problem pri izradi 1D i 0D struktura predstavljala je potekoa pri formiranju

sistema odgovarajuih kristalnih karakteristika i malih dimenzija. Primena razliitih tehnika,

kao to su anizotropno nagrizanje i litografija, selektivna epitaksija, konfiniranje mehanikim

naprezanjem, zatim hemijska sinteza i samoorganizovano narastanje omoguila je

proizvodnju kvantnih ica nanometarskih dimenzija, a samim tim i proizvodnju

poluprovodnikih lasera sa optikim i elektrinim pumpanjem na bazi 1D kvantnih

nanostruktura. [20]

Glavne tehnike izrade kvantnih taaka su elektronska litografija, samoorganizacija i

meupovrinska fluktuacija. Proces samoorganizacije kvantnih taaka se naziva SK prelaz,

poto podrazumeva Stranski-Krastanov metod rasta. Samoorganizujue kvantne take su

veliine izmeu 10 nm i 50 nm, mada u zavisnosti od naina izrade mogu dostii i veliine

preko 100 nm, spontano mogu da nastanu pod odreenim uslovima u toku epitaksije tankih

slojeva ili metal-organskog hemijskog naparavanja, prilikom nanoenja materijala na supstrat

ije se kristalne reetke ne podudaraju. Pri poveavanju debljine kristalnih slojeva dolazi do

pojaavanja napregnutosti, odnosno unutranjeg napona. Kako bi se kompenzovao unutranji

napon, nakon dostizanja kritine vrednosti debljine sloja, formiraju se klasteri. Radi

formiranja kvantnih taaka ovom tehnikom neophodno je da se prvo izvri epitaksijalno

narastanje barijernog sloja na supstratu, nakon toga se uzgaja nekoliko monoslojeva

materijala manje vrednosti energijskog procepa. Po zavretku celog procesa postavlja se -22-

Primena nanomaterijala u medicini gornji barijerni sloj i time formira kvantna taka, slika 3.4. Ogranienja ove metode su cena

izrade i nedostatak kontrole tanih pozicija pojedinih taaka. Bez obzira na te probleme

tehnologija samoorganizacije kvantnih taaka ima potencijal za intenzivnu primenu u

kvantnoj kristalografiji, kao i pri izradi kvantnih kompjutera. [3]

Slika 3.4. Kvantne take

Jedna od interesantnijih osobina kvantnih taaka je njihova obojenost. Materijal od

koga su take izraene definie njihove karakteristine energijske vrednosti, meutim tane

vrednosti energijskog procepa su odreene veliinom take, odnosno jainom kvantnog

konfiniranja. Posledica ovoga je injenica da take izraene od istog materijala, ali razliitih

veliina emituju zraenje razliitih talasnih duina. Vee take emituju zraenje veih talasnih

duina u fluorescentnim spektrima, to je posledica veliine njihovih energijskih procepa.

Novija istraivanja u nanotehnologiji navode na zakljuak da veliina take moe da ima

znaajan uticaj na njenu obojenost, odnosno karaktreristike njenog spektra. Pokazano je da

veliina take direktno utie na vreme ivota fluorescencije. Parovi elektron-upljina u veim

takama ive due, jer im je potrebno manje energije za pobuivanje. Da bi kristal imao

intenzivnu boju, on mora da ima dozvoljene dipolne elektronske ili fononske prelaze u

vidljivoj oblasti spektra. [2, 3, 20]

Q-take se uglavnom nalaze u ispitivanju dinamikih procesa u ivim sistemima. Ovi

koloidni poluprovodnici su kristali iji se veliina i oblik mogu precizno kontrolisati, to

odreuje njihova svojstva resorpcije i emisije. Tako istraivai mogu tano kreirati fluorofore

ija je emisija direktno vezana za njihovu veliinu (tzv. kvantno zatvaranje), tako da e Q-

taka emitovati fotone u usko definisanom spektru boja. ak je mogue pratiti i pojedinane

-23-

Primena nanomaterijala u medicini molekule. Specifinost Q-taaka, na primer, se moe ostvariti oblaganjem streptavidinom4 i

nakon toga konjugovanjem sa biotiniziranim antitelom. U ovom stanju, Q-taka se moe

vezati za specifini elijski receptor ili neku drugu elijsku metu. Pored njihovog udela u vezi

s prepoznavanjem, pojedinanim Q-takama mogu se dodati razliite funkcionalnosti, to

rezultuje monim sondama. Oblaganjem Q-taaka prirodnim peptidima mogue je proizvesti

estice odline biokompatibilnosti i koloidnih svojstava. Q-take imaju zadivljujue svojstvo

otpornosti na fotoizbljeivanje u dugim vremenskim periodima, to ih ini korisnim u

dugoronim, trodimenzionalnim ispitivanjima. Osim toga, izuzetno su svetle, te pokazuju 10

do 20 puta vee nivoe emisije organskih fluora.

Kvantne take se koriste za obeleevanje razliitih biolokih sistema radi optike

detekcije in vitro i in vivo. Na primer, nedavno su objavljeni rezultati studije u kojoj su

kvantne take koriene za praenje metastaziranja tumorskih elija. Poluprovodnike

kvantne take i nanoestice sastavljene su od metala, lipida ili polimera i imaju obeavajuu

primenu za ranu detekciju i terapiju kancera. [2]

Kvantne estice sa jedinstvenim optikim osobinama sastavljene su od

poluprovodnika koji sadre kadmijum, slika 3.5.

Slika 3.5. Cd kvante take

Kadmijum kao teki metal je potencijalno opasan po zdravlje, mada njegova

toksinost i njemu slinih sistema na ive elije nije jo istraena. Zbog oekivanih realnih

4 Streptavidin je protein sa masom 60 kDa koji se dobija iz bakterije Streptomyces avidinii. Streptavidinski homotetrameri imaju izuzetno visok afinitet za biotin (vitamin B7). Sa konstantom disocijacije (Kd) reda veliine 1014 mol/L, vezivanje biotina za streptavidin je jedna od najjaih nekovalentnih interakcija poznatih u prirodi. Streptavidin se ekstenzivno koristi u molekularnoj biologiji i bionanotehnologiji usled otpornosti streptavidin-biotin kompleksa na organske rastvarae. -24-

Primena nanomaterijala u medicini opasnosti takvih sistema po zdravlje oveka prioritet imaju istraivanja na manje toksinim

materijalima slinih optikih osobina. Pored toga, istraivanja luminiscentnih nanoestica kao

izvora svetlosti za terapiju kancera posebno su aktuelna. U poslednjoj deceniji uprkos

napretku u neurohirurgiji i radoterapiji prognoze za pacijente sa malignim gliomasom se nisu

mnogo promenila. Poznato je da tretman kancera zahteva visoku tanost u isporuci

jonizujueg zraenja, da bi se smanjila toksinost za okolna tkiva. Zbog toga su neki

istraivai usmereni na razvoj fotosenzitivnih kvantnih taaka za proizvodnju radikala pri

apsorpciji vidljive svetlosti. Uprkos injenici da je vidljiva svetlost sigurna, ovaj pristup

pogodan je samo za tretman povrinskih tumora. Jonizujue zraenje prodire mnogo dublje

omoguavajui velike prednosti u tretmanu pacijenata kod tumora na unutranjim organima.

Takav koncept u kome se koriste kvantne nanoestice pored radijacione terapije oigledno

pokazuje izvesne prednosti u odnosu na koncept u kome se koristi samo jedna od ovih

tehnika. [1, 3]

Uprkos velikom entuzijazmu vezanom za primenu kvantnih taaka u medicini

reproduktivna proizvodnja kvantnih taaka i bioloke potekoe ostali su jo uvek nereeni

izazovi. Mogunost da se kvantne take uine senzibilnim za terapiju kancera jo uvek je

nedovoljno istraena. Za razliku od terapijske primene, bikonjukcija i imiding primene

kvantnih estica su veoma dobro dokumentovane. Zahvaljujui njihovim superiornim

optikim osobinama one su istaivane kao laserski materijal. Posedujui elektronske

energetske nivoe u oblasti 1-5 eV poluprovodnike kvantne estice mogu formirati

fotosenzitere slino organskim fluoroforama. Zahvaljujui visokoj atomskoj elektronskoj

gustini one mogu funkcionisati i kao radiosenziteri koji mogu da uzrokuju lokalno i ciljana

oteenja elije kancera.

Talasna duina fluoroscentne emisije kvantnih taaka (od ultravioletne do bliske

infracrvene) moe se podeavati menjanjem veliine estice. Na primer, kvantna taka

prenika 2 nm luminescira zelenu svetlost, dok kvantna taka prenika 5 nm luminescira

crvenu svetlost. Njihov veliki odnos povrine i zapremine prua znaajne mogunosti u

dizajniranju razliitih funkcionalnih nanosistema, pa tako njihova primena bi mogla da

doprinese razumevanju kompleksnih regulacionih i signalnih mrea koje kontroliu ponaanje

elije u fiziolokim i patolokim stanjima. Ovi nanokristali i viekolorno "ifriranje" koje

omoguavaju, nude nove pravce razvoja u prouavanje ekspresije gena, kao i za in vivo

imiding. [6]

Iako toksinost CdSe Q-estica na ive elije jo nije sistematski istraena ovaj sistem

je vrlo diskutabilan za neke budue primene u medicini. Sa druge strane u eksperimentima in -25-

Primena nanomaterijala u medicini vitro dobijene su dobri rezultati ponaanja kvantnih taaka pri njihovoj stimulaciji

zraenjem. Toksinost kvantnih estica uzrokovana je nestabilnou zbog koje otputeni Cd2+

joni izazivaju nastajanje radikala i oteenje na elijskim organelama. Pa ipak neka

istraivanja pokazala su da CdTe kvantne estice imaju manju toksinost nego kada se Cd2+

nalazi u sistemu u kome dolazi do brzog otputanja njegovih jona. Da bi se spreilo izlaganje

elija kadmijumu kvantne estice se stabilizuju odgovarajuim omotaima. Posle produene

cirkulacije u telu ti omotai na esticama se razaraju i nastaju ogoljenje kvantne estice, koje

indukuju promene u elijama. Zbog toga je citotoksinost kvantnih estica limitirajui faktor

njihove primene. [3]

Da bi mogle da obave funkciju specifinog ciljanja estice rastvorljive u vodi treba da

su prekrivene sa folnom, amino kiselinom, itd. ZnS estice se pripremaju precipitacijom iz

prekursora rastvorenih u vodi i rezultat su koloidne suspenzije, slika 3.6.

Slika 3.6. CdSe i ZnS kvantne take

Kvantne estice dopirane sa Mn2+ ili Eu2+ poseduju snanu luminiscenciju i

magnetizam koji se moe koristiti za fluorescentni i magnetni imiding. U istraivanjima na

mievima dobijeno je da su ugljenine kvantne take, 3-50 nm, biokompatibilne i netoksine.

Konjugovane su biolokim i bioaktivnim vrstama, ukljuujui antitela i molekule koji ciljaju

specifine receptore i njihova najvea primena je u ranoj detekciji i terapiji kancera plua.

Kancerske matine elije su populacija elija koje imaju osobinu samoobnavljanja, pa

najnovija hipoteza poiva na principu da terapija mora biti efikasna za kancerske matine

elije kao mete. Posle radioterapije preivele elije kancera treba obeleiti sa kvantnim

-26-

Primena nanomaterijala u medicini takama i obojiti. Dobijeni rezultati ovom metodom govore o efikasnosti proliferacije i

regeneracije tkiva nakon tretmana sa kvantnim esticama.

Novi luminiscentni testovi se zasnivaju na svetlosti koja je kompatibilnija od kvantnih

estica. Kada se sintetiu, kvantne estice poseduju hidrofobnu povrinu i ona se modifikuje

sa polarnim molekulima kako bi postale rastvorljive u vodi. Inkapsulacija kvantnih estica za

bioloki imiding izvodi se u fosfolipidne micele. Stabilna funkcionalizacija kvantnih taaka

je poseban izazov. Najatraktivnije reenje je Si prevlaka kvantnih taaka jer je on bioinertan

materijal, omoguava ugradnju razliitih supstancija, njegove sfere se mogu prilagoditi

fluorescentnim i paramagnetnim nanoesticama i mogu se dozirati bez nekih znaajnih

efekata na fizioloke karakteristike okoline. [2, 3]

3.2. Dendrimeri

Dendrimeri predstavljaju vrlo razgranate makromolekule sa kontrolisanom 3D

arhitekturom koja polazi od centralnog jezgra, slika 3.7. Rast polimera poinje od centralnog

molekula i odvija se radijalno nizom reakcija polimerizacije. Precizna kontrola veliine moe

se postii nivoom polimerizacije. Krajevi dendrimera mogu se kovalentno povezati sa

terapeutskim ili dijagnostikim agensima. [6]

Slika 3.7. Prikaz dendrimera ije je jezgro molekul C60

Dendrimeri su klasa hemijskih polimera na nanoskali, u kome su atomi ureeni u

mnogobrojne grane i ogranke koji rastu radijalno iz centralne sri. Dendrimeri se grade iz -27-

Primena nanomaterijala u medicini poetnog atoma, kao to je azot, kome se dodaju ugljenik i drugi elementi ponavljajuom

serijom hemijskih reakcija koje proizvode sferinu razgranatu strukturu. Kako se proces

ponavlja, dodaju se sukcesivni slojevi, i sfera se moe poveati na veliinu koju trai

istraiva. Rezultat je sferina makromolekularna struktura ija je veliina slina albuminu i

hemoglobinu, ali manja od npr. IgM kompleksa antitela. Manipulisanjem se mogu menjati

geometrija i svojstva njihove strukture kako bi dendrimeri vrili irok spektar funkcija,

ukljuujui to da deluju kao kontrastni agensi za magnetnu rezonanciju, slika 3.8. [2,3,6]

Slika 3.8. Dendrimer sa terapeutiikom cilja metu uz simultani imiding

Istom logikom, dendrimeri se mogu proizvesti za isporuku lekova na nano-bazi.

Dendrimeri se mogu proizvesti do odgovarajue veliine da inkapsuliraju lek, omoguavajui

optimalnu isporuku. Stepen inkapsulacije moe na kontrolisan nain diktirati stopu

oslobaanja. Nanodimenzije dendrimera se mogu specifikovati tako da se uklope u odreeni

receptor, usmeravajui se na isporuku leka. Iako je tradicionalna isporuka leka monovalentna,

dendrimeri se mogu proizvesti da prenose veliki broj molekula leka na njihovim sferinim

eksterijerima na nain da interakcija sa elijskom membranom prikovanim receptorom

imitira prirodno vezivanje velikog virusnog tela na ciljnoj eliji, slika 3.9. Menjanjem veliine

dendrimera, njihova svojstva eliminacije putem izluivanja mogu biti duboko promenjena, sa

posledicom da se moe specifikovati opseg lokalizacije u bubrezima, limfi, jetri i krvi. [2]

-28-


Slika 3.9. Nanoestice i nanokapsule kao dendrimeri i lipozomi

Dejms Baker, iz Centra za bioloke nanotehnologije,bsmatra da je korienje

dendrimera vrlo efikasno i sigurno u genskoj terapiji, slika 3.10. Ovakve vrste nanostruktura

su posebno privlane jer olakavaju da se DNK uvlai unutar elije izbegavajui imuni

odgovor, za razliku od virusnog vektora koji se obino koristi. Dendrimer je dekorisan sa

specifinim isecima DNK koji se injektiraju u bioloka tkiva. Nailazei na ive elije

dendrimeri izazivaju proces endocitoze u kome se spoljanja elijska membrana deformie u

mehur ili vezikulu, koja zatvara dendrimer koji se potom prenosi u unutranjost elije. Kad

ue unutar elije DNK se otputa i ide u nukleus gde postaje deo genoma elije. Ova tehnika

je testirana na raznim elijama sisara i na animalnim modelima kroz klinike eksperimente.

[3]

Slika 3.10. Primena dendrimera i genetskih nosaa -29-


3.3. Nano-onkologija

Dijagnostikovanje, leenje i praenje napretka terapije kod pojedinanih malignih

oboljenja su glavni ciljevi onkologa za koje nanotehnologija prua reenja. Mogunost

oblikovanja molekula sa velikom preciznou otvara vrata novoj generaciji lekova, agenasa za

snimanje i dijagnostiku. Pet, est agenasa za snimanje i terapiju na bazi nanoestica je ve u

razliitim fazama razvoja.

Zheng i kolege su koristili nanoice na bazi silikona kako bi elektrinim putem otkrili

proteine-markere koji su preterano izraeni u cirkulaciji pacijenata koji su imali karcinom.

Ovi ureaji se ponaaju kao kompjuterski ipovi i kada su obloeni antitelima mogu prenositi

elektrine signale od ciljnih proteina do antitela, dovodei do promene u provodljivosti

nanoice. Ovaj signal je mogue meriti, te pokazuje prisustvo i koliinu antigenskog proteina

i ovo daje mogunost merenja broja markera u jednom uzorku krvi. Ovim sistemima detekcije

izbegava se kompleksna tehnologija lanane reakcije polimeraze ili upotreba fluorescentnih

sondi za detektovanje antigena povezanih za karcinom, slika 3.11. [21, 23]

Slika 3.11. Ugljenine nanocevi i lanci DNK

-30-


Postoji dosta publikacija o upotrebi zlatnih nanoestica za merenje prisustva DNK

vezanog za kancer i proteinskih markera. Zlatne nanoestice se vezuju za DNK detektore ili

antitela i ponaaju kao mostovi provodnosti, slika 3.12. Kada je u uzorku prisutan antigen ili

zapis DNK za marker karcinoma, on e se primetiti na mostu. Ove molekule mogu prikupljati

DNK ili antitela-detektori oznaenim metalnim nanoesticama koji ine elektrino kolo i na

taj nain proizvoditi izuzetno osetljiv odgovor. [2]

Slika 3.12. Terapija karcinoma pomou Q-taaka

Rano otkrivanje karcinoma korienjem Q-taaka je predmet intenzivnog istraivanja.

Kim i kolege su opisali korienje Q-taaka sastavljenih od unutranjeg jezgra od kadmijuma i

telerijuma okruenog slojem od kadmijuma i selena i zatvorenim organskim jedinjenjem kako

bi se estice uinile rastvorljivim u vodi. Kada su bile ubrizgane u svinje, limfne elije su

istile Q-take i usmeravale ih u limfne vorove. Osvetljavanjem koe ivotinja infracrvenim

svetiljkama, bilo je lako identifikovati i lokalizovati limfne vorove zbog njihove emisije

talasnih duina u infracrvenom opsegu. Ova tehnologija bi trebalo da se pokae korisnom za

lokalizovanje karcinoma blizu koe, slika 3.13.

-31-


Slika 3.13. Terapija karcinoma pomou Q-taaka

Ispituje se jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih od

povrine, korienjem magnetskih nanoestica. Nanoestice su takoe koritene kao

luminiscentne sonde za optiko snimanje i kao magnente sonde za nuklearne MRI.

Upotrebu blizu-infracrvenih luminescentnih nanoestica za optiko snimanje dubokog

tkiva opisali su Morgan i kolege, koji su pokazali upotrebu nanokristala (izraz koji je sinonim

za Q-take) kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju skvamozni

elijski karcinom. Istraivai su pripremili nanokristale-poluprovodnike od CdMnTe/Hg

obloene serumom albuminom. Dubina penetriranja za eksitaciju i emisiju je procenjivana

snimanjem srca mia koje kuca kroz nedirnuti grudni ko i nakon torakotomije. Nanokristali

nisu pokazali nikakvo znaajno fotoizbleivanje ili degradaciju nakon jednog sata

kontinuirane eksitacije. Za ove tehnologije vezani su trokovi opreme koji su mnogo nii od

konkurentnih tehnologija kao to je magnetna rezonancija.

Dendrimeri se intenzivno ispituju zbog njihovog obeanja u otkrivanju i terapiji

kancera. Kod modela ivotinja, dodavanjem hemoterapijskih agenasa za dendrimere

omoguava se isporuka malih doza leka direktno u elije raka, to uveliko pospeuje

preivljavanje. Budui da su dendrimeri takoe fluoroscentno oznaeni mogue je pratiti

njihovo kretanje ka elijama. Zbog njihove male veliine (~ 5 nm) mogu prelaziti sluzave

barijere i vaskularne pore i bubrezi ih mogu bezbedno ukloniti iz krvotoka.

Budue primene ukljuuju usmeravanje na specifine genotipove pojedinaca kao i

praenje odgovora na antineuplastine lekove. Alternativno, neki tumori imaju vei broj vrsta

elija raka, a za svaku od njih je potreban razliit antineoplastini lek. Dendrimeri bi se mogli

koristiti za otkrivanje koje vrste elija su prisutne i koje isporuuju potreban hemoterapeutik.

-32-

Primena nanomaterijala u medicini Takoe, mogue je da bi oni mogli pratiti kako pojedinane elije odgovaraju, omoguavajui

lekaru da modifikuje leenje.

Nekoliko raznih nanotehnolokih terapijskih modaliteta je u razliitim fazama razvoja.

Razvijene su hemoterapijske nanoestice koje se sastoje od konjugata polietilen

glikol/fosfatidil etanolamina. Ova strategija je omoguila solubilizaciju slabo rastvorljivog

fotodinamikog terapijskog agensa, mezo-tetrafenilporfina (TPP). Istraivai su razvili

polimerske micele usmerene na tumor u kojima je TPP bio inkapsuliran. Kada je bio obloen

antitumorskim antitelom, primeen je znaajno poboljan antikancerogeni efekat micela na

ljudske i mije kancerogene elije in vitro, nakon isijavanja svetlom. Strategija omoguava

uvoenje velikih koliina lekova u elije to za rezultat ima znaajno ubijanje meta.

ini se da su biokompatibilne i biorazgradive nanoestice efektivan nain prenoenja

terapijskih agenasa u elije tumora. Druge grupe takoe rade na vienamenskim platformama

za otkrivanje i tretman kancera, ali one tek treba da pokau da njihovi ureaji mogu da izau

iz krvotoka i kasnije iz tela. Istraivai su dodavali antitela na zlatne nanoestice, nakon ega

su se estice selektivno vezivale za odreene elije raka. Svetlo koje se reflektuje sa tih

estica otkriva njihovu lokaciju i zbog svetla koje resorbuju estice se zagrevaju, unitavaju

mete, ostavljajui okolne ne-maligne zdrave elije neoteenim.

[1,2,3,21,22,23]

3.4. Kardiovaskularna nanomedicina

Kardio-nanomedicina je izazvala mnogo uzbuenja s take gledita dijagnostike kao i

terapije, iako nano-kardio-proizvodi odobreni od FDA nisu dostupni. 1 milion ljudi umire od

kardiovaskularnih bolesti godinje, to je oko dva puta vie nego od kancera. Agensi

zasnovani na nanoesticama su obeavajui kao kardiovaskularni dijagnostiki alati.

Strategije ukljuuju magnetnu rezonanciju intravaskularnog tromba koja koristi agens za

snimanje pakovan unutar tene perfluorugljenikove emulzije sa nanoesticama (liquid

perfluorcarbon nanoparticle emulsion). Nanoestice se mogu usmeravati specifino na tromb

pomou antitela izraenog na povrini nanoestice usmerenog u pravcu unakrsno vezanog

fibrina, ime se ak i mali tromb moe snimiti. Ovi pristupi obeavaju da izmene sadanju

medicinu vidi i lei u strategiju otkrij i sprei. Dizajnirani da se usmeravaju na

specifine epitope (deo makromolekula koji prepoznaje antitelo) u tkivima, ovi agensi poinju

da ulaze u klinika ispitivanja za kardiovaskularne primene. Postoje brojni proteini ije

prisustvo je implicirano kao marker za trombozu. Ispituju se platforme za isporuku lekova u -33-

Primena nanomaterijala u medicini kojima se lipofilni lek inkorporira u povrinu liposoma koji sadri antitelo vezano za njegovu

povrinu. Lek se ne oslobaa sve dok se liposom ne vee za ciljnu eliju. Kada do ovoga

doe, dolazi do razmene lipida iz liposoma sa onim iz elijske membrane, to omoguava

selektivno ulaenje leka u eliju u visokoj koncentraciji, i uveliko smanjuje sistemsko

izlaganje i kolateralnu toksinost leka.

Inenjering tkiva srca na bazi nanotehnologije ukljuuje ispitivanja kultivisanih

kardiomiocita, koji su indukovani da se orjentiu na ureen nain na paralelnim mikrotrakama

elastomernog biorazgradivog poliuretanskog sloja obloenog lamininom (laminin-coated

elastomeric biodegradable polyurethane film). Ovaj paralelni poredak rezultira efektivnijom

kontrakcijom od one koja je postignuta u odsustvu ovakvog ureenja. tavie, biomaterijali se

mogu modifikovati da kontroliu vaskularizaciju oko regenerativnog materijala sa

proizvedenim tkivom i da reguliu reakciju stranih tela na biomaterijale. Kardiovaskularni

biomaterijali koji su razvijeni korienjem nanotehnologije moraju omoguiti kompatibilnost

krvi. [23]

Postavlja se pitanje: Jednom kad zrele molekulske nanotehnologije budu dostupne, da

li e krv biti jednostavno mogue zameniti sa kompleksnim robotom? Takav robotski sistem

je predmet mnogih istraivanja i njegov naziv je vaskuloid, slika 3.14.

Slika 3.14. Izgled vaskuloida prema Freitas-ovom dizajnu

On moe duplirati sve mogue bitne termike i biohemijske trasportne funkcije krvi

ukljuujui cirkulaciju respiratornih gasova, glukoze, hormona i sve neophodne elijske

komponente. Vaskuloid bi morao biti ekstremno kompleksan imajui u sebi 500 triliona

nezavisnih meusobno saraujuih nanorobota. Najjednostavnije reeno, vaskuloid je -34-

Primena nanomaterijala u medicini vodonepropusna prevlaka nanomaine postavljena kroz unutranju upljinu povrinu ljudskog

vaskularnog stabla. Ove nanomaine bi se sastojale od 2D mozaika vaskularne mree povrine

300m2 kombinovanog sa kvadratnim nanorobotskim ploama koje su opremljene sa cilijarnim

mehanikim nizom sistema koji pomau transport vanih nutrijenata i biolokih elija u tkivu.

[3,28]

3.5. Neuroloka nanomedicina

Jedno od podruja u medicinskoj nauci koje nosi najvie izazova je popravka

centralnog nervnog sistema (CNS) nakon traume. Razvijaju se brojne platforme

nanotehnologije kako bi se bavile ovim pitanjem, i javljaju se iroke aplikacije koje bi mogle

biti relevantne za druga podruja medicine i fiziologije. CNS predstavlja naroiti izazov zbog

ogranienog anatomskog pristupa. Bez obzira na to, dostignua u nanohemiji, u kombinaciji

sa poveanim razumevanjem molekularne i anatomske baze CNS funkcije, napreduju brzinom

koja bi uskoro mogla omoguiti terapijama baziranim na nanotehnologiji da dospe do

klinikih ispitivanja. Aplikacije u nanotehnologiji se koriste za zatitu CNS-a od oteenja

slobodnih radikala, koje igra znaajnu ulogu u razliitim patologijama, ukljuujui traumu i

degenerativne neuroloke poremeaje. Poznato je da domain tetnih hemijskih vrsta,

ukljuujui superoksid, hidroksil, peroksid i peroksinitrit jone posreduje u ovim destruktivnim

procesima. Nano-senzorske tehnologije se razvijaju radi praenja nivoa glutamata unutar i na

povrini ivih elija. Ove ekscitatorne amino kiseline igraju veoma znaajnu ulogu kao glavni

neuroprenosnik u kimenom CNS-u, utiui sutinski na sve vrste ponaanja. Smatra se da su

promene jaine veze na glutamaterginim sinapsama u osnovi uenja i memorije. tavie,

glutamat takoe ima ulogu u neurolokom oteenju do koga dolazi pri modanom udaru i

neurodegenerativnim poremeajima. Nakon to bude osloboen, njegovo brzo uklanjanje iz

sinaptike pukotine je od vitalne vanosti za spreavanje eksito-toksinosti i presipanja u

susedne sinapse. [23]

3.6. Zamena hromozoma

U budunosti medicinski nanoroboti bie sposobni da interveniu na elijskom nivou,

izvodei in vivo citohirurgiju, jer je najverovatnije mesto dogaanja patoloke funkcije u

eliji hromozom u nukleusu. U jednoj citohirurkoj proceduri pod nazivom terapija

hromozomske zamene nanorobot, kontrolisan od strane fiziara, moi e da izdvoji postojee

hromozome iz obolele elije i ugradi nove na njihovo mesto. Zamena hromozoma bila bi -35-

Primena nanomaterijala u medicini izvedena izvan pacijenta u laboratoriji unutar vrhunske linije ureaja 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 leenja genetske bolesti. Brzina sa kojom bi se nanoroboti dozirali i brzina njihove akcije

unutar procedure obnove celog tela bila bi za jedan sat pa ak i manje, a hromalociti tj.

nanoroboti za terapiju zamene hromozoma sastojali bi se od 4 triliona atoma, irine 4,2 m i

debljine 3,3 m, slika 3.15. [3]

Slika 3.15. Izgled hromalocita

-36-


4.Primena nanotehnologija

u isporuci lekova

U poreenju sa drugim klasama materijala, polimerni materijali pokazuju raznovrsnu

primenu svojih osobina za isporuku lekova. Tokom prethodnih nekoliko decenija, istraivan

je veliki broj sistema za isporuku lekova, dizajniranih veinom u obliku mikrosfera, filmova,

tableta ili implantacionih ureaja radi kontrolisanog otputanja lekova koristei prednosti

karakteristike polimera. Danas koncept raspodele lekova nije ogranien samo na produeno

vreme otputanja leka ve i na kontrolu njegove prostorne raspodele koja omoguava da se

lek usmeri ka eljenom mestu dejstva. Da bi cilj bio realizovan to efikasnije, istraivanja

dobijaju multidisciplinarni karakter i dolazi do povezivanja hemije, fizike, biologije i

bioinenjerstva.

Veoma vana oblast ovog naunog polja je i razvoj sredstava za kontrolisanu dostavu

medikamenata u ivim sistemima. Nanoestice se razvijaju kao znaajna strategija za

unoenje i prenos lekova, terapeutskih sredstava, rekombinantnih proteina, vakcina i

nukleotida. Nanoestice i drugi kolodini sistemi za unoenje i prenos lekova znaajno

modifikuju kinetiku, raspodelu u organizmu, pri emu se znaajno istie i smanjenja pojava

neeljenih efekata, zahvaljujui kontrolisanom oslobaanju aktivne supstancije. Osnovni cilj

razvoja i dizajniranja sistema za kontrolisanu dostavu terapeutskih sredstava je ciljana terapija

i dostavljanje lekova do specifinih obolelih tkiva i organa na mestu gde je farmakoloko

dejstvo eljeno, ime se druga tkiva ne oteuju primenjenom terapijom. U prethodnom

poglavlju su opisane kvantne take i dendrimeri, kao i njihova uloga u isporuci lekova, tako

da emo sada govoriti o ostalim prenosiocima lekova. [2,3]

-37-


4.3. Prenosioci lekova

Sloeni lipidi su prisutni u svim elijama ivih organizama gde pored drugih materija

uestvuju u izgradnji biolokih 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 ijim se

acilovanjem na preostalim OH gupama dobijaju fosfidne kiseline koje se retko sreu u prirodi.

Tako nastaje fosfoglicerid koji se nalazi u strukturi bioloke membrane iji deo molekula

poseduje polarnu grupu glave fosfoglicerida koja uspostavlja vodonine veze, a drugi deo je

njegov hidrofobni deo koji je supstituisan masnim kiselinama. U sluaju suspendovanja

masnih kiselina u vodi dolazi do stvaranja micela ili monosloja, to su agregati priblino

sfernog oblika, sastavljeni od velikog broja molekula iji je hidrofobni deo okrenut prema

unutranjosti, a polarne grupe su poreane ka povrini micele i u dodiru su sa vodom. Kod

fosfolipida usled nezadovoljavajueg pakovanja parova ugljovodoninih lanaca dolazi do

formiranja dvostrukih slojeva koji tee da se samozatvore u lipozome - lipidne vezikule. [3]

Terapeutski i dijagnostiki agensi mogu biti inkapsulirani, kovalentno povezani ili

adsorbovani na pomenute nanonosioce. Na taj nain se prevazilaze problemi rastvorljivosti

leka, imajui u vidu da su mnogi kandidati za nove lekove nerastvorljivi u vodi. [2,6]

Farmakokinetiki profili injektovanih nanokristala mogu varirati of brzorastvornih do

vrlo slaborastvornih u krvi. Zbog njihove male veliine i funkcionalizacije povrine

sintetikim polimerima i odgovarajuim ligandima, nanoestini nosioci lekova mogu biti

usmereni na specifine elije i lokacije unutar tela nakon intravenske i subkutane injekcije.

Takav pristup moe poveati osetljivost detekcije u medicinskoj dijagnostici, poboljati

terapeutsku efikasnost i smanjiti neeljene efekte. Neki od nosilaca se mogu tako napraviti da

se aktiviraju promenom pH okoline, hemijskim stimulsom, primenom visoko oscilatornog

magnetnog polja ili primenom spoljanjeg izvora toplote. Takve modifikacije omoguavaju da

se kontrolie integritet estice, brzina isporuke leka, kao i lokacija isporuke leka. Neki nosioci

su multifunkcionalni: imaju sposobnost da se specifino vezuju za receptore na ciljanim

elijama i da simultano isporue lek i biosenzore koji detektuju efikasnu isporuku leka. [3]

Uspean sistem za prenos lekova mora da pokae optimalno punjenje leka i dobre

osobine njegovog oslobaanja, dugo vreme trajanja u skladitima i nisku toksinost.

Micele su agregati molekula u vodi, sa nepolarnim delovima u unutranjosti i polarnim

na povrini koja je izloena vodi. Povrinski aktivne supstancije formiraju micele na kritinoj

micelarnoj koncentraciji, na kojoj dolazi do nagle promene fizikih osobina micelarnih -38-

Primena nanomaterijala u medicini sistema. To su agregati povrinski rasprenih molekula u tenom koloidu, njihova veliina i

oblik mogu da se menjaju. Lekovi mogu biti zarobljeni u jezgru micele i transportovani u

koncentracijama ak veim nego to je njihova stvarna rastvorljivost u vodi, slika 4.1. Moe

da se formira i ekstratanka ljuska oko micele i da efikasno titi sadraj i da sprei

prepoznavanje od strane retikuloendotelijalnog sistema, pa tako i prerano odstranjivanje iz

krvnog sistema. Micele mogu hemijski da budu izmenjene tako da selektivno ciljaju irok

opseg mesta bolesti. [2,6]

Slika 4.1. Popreni presek strukture fosfolipida u vodenom rastvoru

Lipozomi su mehurii koji se sastoje od jednog ili vie hemijski aktivnih masnih

dvosloja, slika 4.1. Molekuli leka mogu da budu enkapsulirani i rastvoreni unutar tog

dvosloja. Neki proteini mogu da budu ugraeni u membranu lipozoma i da se ponaaju kao

selektivni filteri dozvoljavajui samo difuziju malih rastvorenih estica kao to 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 veliine i broja dvosloja. Multilaminarni mehur se sastoji od nekoliko lipidnih

dvoslojeva koji su meusobno razdvojeni vodom. Veliina lipozoma se kree od nekoliko

stotina do nekoliko hiljada nm. Mala veliina estice znai veliku relativnu povrinu. Ovo

Lipozom

Micela

Dvosloj

-39-

Primena nanomaterijala u medicini moe stvoriti probleme aglomeracije primarnih nanoestica u biolokoj sredini, to onda utie

na efektivnu veliinu nanoestica 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 to su mala efikasnost inkapsulacije, niska stabilnost prilikom skladitenja.

Polimerne nanoestice imaju niz prednosti u odnosu na lipozome i tu svakako spadaju

poveanje stabilnosti leka i lake skladitenje. [2,6]

Teni kristali kombinuju svojstva i tenosti i vrstog stanja, mogu biti napravljeni

tako da formiraju razliite geometrije, sa naizmeninim polarnim i nepolarnim slojevima u

kojima mogu da budu ugraeni vodeni rastvori leka.

Nanoestice ukljuujui nanosfere i nanokapsule, ili kvantne take mogu biti amorfne

ili kristalne, slika 4.2.

Slika 4.2. Izgled nanosfere i nanokapsule

Sposobne su da absobuju i/ili enkapsuliraju lek, i tako ga zatite od hemijske ili

enzimske degradacije. U nanokapsulama, lek je ogranien na upljinu okruenu polimerskom

ili polikristalnom membranom, dok su nanosfere matrini sistemi u kojima je lek fiziki i

uniformno dispergovan. Sada se koriste razliiti stimulansi koji iniciraju rasprenje

nanokapsule u datom trenutku i na definisanom mestu, slika 4.3. [2,3,6]

-40-


Slika 4.3. Dostava gena pomou ultrazvuka

Na Rajs univerzitetu 2002 godine patentirana je tehnologija nanoomotaa za

komercijalnu primenu. Nanoomotai su sastani deo nanokompozita koji se sastoji iz leka i

polimera koji je usklaen sa tumorskom metom kao deo celovitog sistema zajedno sa jezgrom

kompozita koji se injektira u telo, slika 4.4.

Slika 4.4. Tipian izgled multifunkcionalne nanoestice sa omotaem, koja sadri molekule za

ciljanje, kontrasni agens, povrinski aktivnu supstancu i lek

-41-


Nanoomotai krue unutar tela sve dok se potpuno ne akumuliraju u blizini tumorskih

elija. Kada se osvetle infracrvenim laserom nanoomotai selektivno apsorbuju IR

frekvencije, tope polimer i otputaju njegov lek punei njime specifina mesta oboljenja.

Brojne su istraivake grupe koje se bave istraivanjima bioloke primene zlata. Alternativni

pristup primeni zlata otvara se istraivanjima na nanoesticama gvoa i antitela u

nanobiosondama veliine od 40 nm. Hemijski inertne sonde se injektiraju i cirkuliu u telu

dok se antitela selektivno veu za membranu tumorskih elija. Kad se jednom tumor prekrije

nanosondama posle nekoliko sati magnetno polje zagreva estice gvoa vie od 76C

ubijajui elije tumora za nekoliko sekundi. Kad se elije jednom razore telo ih izbacuje i

uklanja elijske ostatke i nanoestice, slika 4.5. Za nanobiosonde se kae da funkcioniu

slino kao paljivo postavljen eksploziv koji se detonira daljinskim upravljaem, za razliku od

hemoterapije koja ubija i nema kolateralne tete.

Slika 4.5. ematski prikaz nanoestice sa nanoomotaima za terapiju kancera

Tehnike koje se zasnivaju na primeni nanoomotaa mogu biti korisne i na tretmanu

dijabetesa, gde umesto da se insulin primi injekcijom, pacijent koristi hemijsku olovku

veliine IC lasera da zagreje kou i injektira se polimer u formi nanoomotaa. Toplota iz

nanoomotaa ini da polimer otpusti puls insulina i za razliku injekcije koja se prima po

nekoliko puta na dan, nanoomota-polimer sistem ostaje u telu mesecima. [2,3,6]

-42-


Hidrogeli su mree trodimenzionih polimera koji nabreknu, ali se ne rastvaraju u

vodenoj sredini, slika 4.6.

Slika 4.6. Porozna struktura hidrogela snimljena SEM-om

Koriste se za regulisanje oslobaanja lekova ili kao prenosioci u ureajima za

oslobaanje lekova kontrolisanog nabreknua. Mogu da moduliraju oslobaanje leka u

reakciji na pH vrednost, temperaturu, jonsku snagu, elektrino i/ili magnetno polje, ultrazvuk,

ili na razliku specifine koncentracije analita. Oslobaanje moe da bude dizajnirano tako da

se deava na specifinim delovima tela. Primenjuju se i u poljoprivredi za kontrolisano

otputanje pesticida, kozmetici, inenjerstvu tkiva gde se koriste kao matrice za reparaciju i

regeneraciju tkiva i organa, itd. [2,3]

Molekulsko utisnuti polimeri imaju ogroman potencijal za sisteme dostavljanja

lekova, gde se oslobaanje leka aktivira nekim fizikim, hemijskim ili biohemijskim

procesima i povratno regulisanu dostavu lekova, gde je stopa oslobaanja leka regulisana

koncentracijom pokretakih agenasa, koji se aktiviraju koncentracijom leka u telu.

Sprega biolokih molekula (peptida/proteina) i sintetikih polimera je efikasan nain

poboljanja kontrole nad formacijama nanostruktura sintetikih polimera ili ultratankih

polikristalnih slojeva, koji mogu biti upotrebljeni kao sistem dostave lekova. Sprega pogodnih

sintetikih polimera i peptida ili proteina, moe da smanji toksinost, preventivno deluje na

imunogene i antigene sporedne efekte, popravi vreme cirkulacije krvi i pobolja rastvorljivost

leka.

In-situ formirajui implanti su tene formacije koje generiu (polu)vrst depo nakon

potkone injekcije i predstavljaju privlaan sistem dostave za ne-oralnu primenu zato to su -43-

Primena nanomaterijala u medicini manje invazivne i bolne u poreenju sa implantima. One omoguuju da lek bude dostavljen

lokalno ili sistematski tokom duih vremenskih perioda, tipino maksimalno do nekoliko

meseci. Ovi sistemi depoa mogu da smanje sporedne efekte postizanjem konstante, poput

infuzije profila lekova, to je posebno vano kod dostave proteina sa uskim terapeutskim

indeksima. Takoe pruaju prednost da su relativno jednostavni i da je njihova proizvodnja

jeftina. [2, 6]

Sinteza magnetnih koloida za isporuku lekova

Magneti konjugati lek-estica treba da ispune minimalno sledee zahteve:

a) moraju imati unutranju mikrostrukturu koja se sastoji od magnetnih nanoestica,

matricu pogodnu za optereenje lekom i otputanje leka, spoljanju prevlaku koja

poseduje neophodnu biokmapatibilnost;

b) magnetne estice moraju biti superparamagnetne, maksimalni prenik nm, ili

feromegnetici u nanoskalnoj oblasti, maksimalni prenik 100 nm, sasvim blizu

superparamagnetne granice;

c) prenik magnetnog kompozita mora biti manji od 50 nm, jer upljine pora u krvnim

sudovima koji utiu na angiogenezu su reda velieine 400-800 nm.

Magnetni koloidi korieni za inkapsulaciju lekova klasifikuju se u kompozitne estice

ili nanokpsule. Prve su guste submikronske estice koje sadre magnetne estice u organskoj

ili neorganskoj matrici strukturirane kao jezgro-omota kompoziti, u kojima jedna ili vie

magnetnih estica su zarobljene unutar matrice, a druge su u odnosu na njih inverzne grae, s

tim to njihovo jezgro ini neorganska matrica, dok se magnetne nanoestice nalaze u

omotau. U vodenoj ili uljanoj sredini lek je okruen magnetizabilnom membranom ili je

smeten u upljoj neorganskoj kapsuli. [3]

4.4. Unos dostavljaa lekova

Izbor dostavnog puta zavisi od pacijentovog prihvatanja, vanih svojstava leka, kao i

od mogunosti da se cilja mesto bolesti.

Peroralni je najvaniji ili najzastupljeniji put dostave leka, jer nudi prednosti

udobnosti, jeftinosti u rukovanju i utede u ceni proizvodnje. Lekovi bazirani na proteinima i

peptidima nude najvei potencijal za efikasnije terapeutike, ali ne prelaze lako preko sluznih

povrina i biolokih membrana, skloni su brzom ienju u jetri i drugim tkivima tela i

zahtevaju precizno doziranje.

-44-


Parenteralni putevi unosa se obavljaju intravenozno, intramuskularno ili potkono.

Npr. lipozomi se unose intravenozno, a nanoestini prenosioci lekova imaju veliki potencijal

za dostavu nosnim i podjezinim putem. Postoji i mogunost poboljanja one biodostupnosti

leka ako se unosi putem koloidnog prenosioca leka.

Pluna dostava leka se ostvaruje na razne naine: putem aerosola, inhalatorskim

sistemima merene doze, prahom (inhalatori suvog praha) i rastvorima (zamagljivai), koji

mogu da sadre nanostrukture kao to su lipozomi, micele, nanoestice i dendrimeri, slika 4.7.

Ovakva isporuka lekova nudi lokalno ciljanje u leenju respiratornih bolesti i sposobna je za

sistematsku upotrebu. Meutim, uspeh u leenju je smanjen bio(ne)dostupnim proteazama u

plunim krilima i barijerom izmeu kapilarne krvi i alveolarnog vazduha.

Slika 4.7. Pluna dostava leka

Transdermalna dostava lekova je neinvazivna tehnika, dobro prihvaena od strane

pacijenata, i moe se koristiti za obezbeenje lokalne dostave u periodu tokom nekoliko dana,

podesna je i za pacijente u nesvesnom stanju. Ogranienja ukljuuju sporu stopu prodiranja,

nedostatak fleksibilnosti doziranja i/ili preciznost, i ogranienje na relativno niske doze leka.

Trans-tkivni i lokalni sistemi dostave lekova su sistemi koji zahtevaju da budu vrsto

povezani na iseeno tkivo tokom operacije. Cilj je da se proizvede pojaan farmakoloki

efekt, dok se smanjuje sistemska toksinost u vezi sa nainom unosa.

Trans-tkivni sistemi ukljuuju:

elatinozni gel punjen lekom, formiran in-situ i prijanja na seeno tkivo

oslobaajui lekove, proteine ili genski-kodiran adenovirus;

gel fiksiran antitelima (citokininska barijera) koji formira barijeru koja na

ciljanom tkivu moe da sprei prodiranje citokinina u tkivo;

elijska dostava;

dostava upravljana ureajem lekom, ponovo punjiv infuzioni ureaj koji

moe da se prikai na seeno mesto. -45-


Genska dostava je izazovni zadatak u leenju genetskih oboljenja. Plazmidna DNK

mora da bude ubaena u ciljane elije. Ona mora zatim da bude transkribovana i da genetske

informacije konano prevede u odgovarajui protein. Da bi se ovo postiglo jedan broj

preprek

Documents

Taina Grujic - Master Rad (f1-)