Aplikace nanočástic v biologii a medicíně

Tkáňové inženýrství

Přirozený povrch kosti často obsahuje prvky o průměru asi 100 nm. Pokud by povrch umělého kostního implantátu zůstal hladký, tělo by se jej snažilo odmítnout. Kvůli tomuto hladkému povrchu pravděpodobně dojde k produkci vláknité tkáně pokrývající povrch implantátu. Tato vrstva snižuje kontakt kosti s implantátem, což může mít za následek uvolnění implantátu a další zánět. Bylo prokázáno, že vytvořením nanovrstev na povrchu kyčelní nebo kolenní protézy lze snížit pravděpodobnost odmítnutí a také stimulovat produkci osteoblastů. Osteoblasty jsou buňky odpovědné za růst kostní matrix a nacházejí se na postupujícím povrchu vyvíjející se kosti.

Účinek byl prokázán u polymerních, keramických a nověji i kovových materiálů. Více než 90 % lidských kostních buněk ze suspenze přilnulo k nanostrukturovanému kovovému povrchu , ale pouze 50 % u kontrolního vzorku. Tato zjištění by v konečném důsledku umožnila navrhnout odolnější a trvanlivější náhrady kyčelního nebo kolenního kloubu a snížit pravděpodobnost uvolnění implantátu.

Titan je známý materiál pro reparaci kostí, který se široce používá v ortopedii a stomatologii. Má vysokou odolnost proti zlomeninám, tvárnost a poměr hmotnosti k pevnosti. Bohužel trpí nedostatkem bioaktivity, protože špatně podporuje adhezi a růst sell. O apatitových povlacích je známo, že jsou bioaktivní a že se vážou na kost. Proto bylo v minulosti použito několik technik k výrobě apatitového povlaku na titanu. Tyto povlaky trpí nerovnoměrností tloušťky, špatnou přilnavostí a nízkou mechanickou pevností. Kromě toho je vyžadována stabilní porézní struktura, která podporuje transport živin prostřednictvím růstu buněk.

Ukázalo se, že použití biomimetického přístupu – pomalý růst nanostrukturního apatitového filmu ze simulované tělní tekutiny – vedlo k vytvoření silně přilnavé, rovnoměrné nanoporézní vrstvy . Bylo zjištěno, že vrstva je tvořena krystality o velikosti 60 nm a má stabilní nanoporézní strukturu a bioaktivitu.

Skutečná kost je nanokompozitní materiál složený z krystalitů hydroxyapatitu v organické matrici, která je tvořena převážně kolagenem. Díky tomu je kost mechanicky houževnatá a zároveň plastická, takže se dokáže zotavit z mechanického poškození. O skutečném mechanismu v nanorozměrech, který vede k této užitečné kombinaci vlastností, se stále diskutuje.

Umělý hybridní materiál byl připraven z 15-18 nm keramických nanočástic a kopolymeru poly(methylmetakrylátu) . Pomocí tribologického přístupu bylo prokázáno viskoelastické chování (hojení) lidských zubů. Zkoumaný hybridní materiál nanesený jako povlak na povrch zubu zlepšil odolnost proti poškrábání a také se choval podobně jako zub při hojení.

Terapie rakoviny

Fotodynamická terapie rakoviny je založena na ničení rakovinných buněk laserem generovaným atomárním kyslíkem, který je cytotoxický. Rakovinné buňky přijímají větší množství speciálního barviva, které se používá ke generování atomárního kyslíku, ve srovnání se zdravou tkání. Laserovému záření jsou tedy vystaveny pouze rakovinné buňky, které jsou následně zničeny. Bohužel zbývající molekuly barviva migrují do kůže a očí a způsobují, že pacient je velmi citlivý na působení denního světla. Tento efekt může trvat až šest týdnů.

Aby se tomuto vedlejšímu účinku předešlo, byla hydrofobní verze molekuly barviva uzavřena uvnitř porézní nanočástice . Barvivo zůstalo uvězněno uvnitř nanočástice Ormosil a nerozšířilo se do ostatních částí těla. Zároveň nebyla ovlivněna jeho schopnost generovat kyslík a velikost pórů přibližně 1 nm umožňovala kyslíku volně difundovat ven.

Multicolor optical coding for biological assays

Stále rostoucí výzkum v oblasti proteomiky a genomiky generuje eskalující počet sekvenčních dat a vyžaduje vývoj vysoce výkonných screeningových technologií. Reálně je pravděpodobné, že různé array technologie, které se v současné době používají při paralelní analýze, dosáhnou nasycení, až počet array prvků překročí několik milionů. Trojrozměrný přístup založený na optickém „čárovém kódu“ polymerních částic v roztoku je omezen pouze počtem jedinečných značek, které lze spolehlivě vyrobit a detekovat.

Jednotlivé kvantové tečky složených polovodičů byly úspěšně použity jako náhrada organických barviv v různých aplikacích biologického značení . Tato myšlenka byla posunuta o krok dále kombinací různě velkých, a tudíž různě fluoreskujících barev kvantových teček a jejich spojením v polymerních mikrokuličkách . Bylo dosaženo přesné kontroly poměrů kvantových teček. Výběr nanočástic použitých v těchto experimentech měl 6 různých barev a také 10 intenzit. To stačí k zakódování více než 1 milionu kombinací. Rovnoměrnost a reprodukovatelnost kuliček byla vysoká, což umožnilo přesnost identifikace kuliček 99,99 %.

Manipulace s buňkami a biomolekulami

Funkcionalizované magnetické nanočástice našly mnoho aplikací včetně separace buněk a sondování; tyto a další aplikace jsou diskutovány v nedávném přehledu . Většina dosud studovaných magnetických částic je sférická, což poněkud omezuje možnosti, jak tyto nanočástice učinit multifunkčními. Alternativní nanočástice válcovitého tvaru lze vytvořit pomocí elektrodepozice kovů do šablony z nanoporézního oxidu hlinitého . V závislosti na vlastnostech šablony lze zvolit poloměr nanoválce v rozmezí 5 až 500 nm, zatímco jejich délka může být až 60 μm. Postupným nanášením různých tlouštěk různých kovů lze široce ladit strukturu a magnetické vlastnosti jednotlivých válců.

Jelikož je povrchová chemie pro funkcionalizaci kovových povrchů dobře vyvinuta, lze na různé segmenty selektivně navázat různé ligandy. Například porfyriny s thiolovými nebo karboxylovými linkery byly současně připojeny ke zlatým, resp. niklovým segmentům. Tak je možné vyrobit magnetické nanodrátky s prostorově oddělenými fluorescenčními částmi. Navíc díky velkým poměrům stran může být zbytková magnetizace těchto nanodrátků vysoká. Proto lze k jejich pohonu použít slabší magnetické pole. Bylo prokázáno, že samouspořádání magnetických nanodrátků v suspenzi lze řídit slabým vnějším magnetickým polem. To by potenciálně umožnilo řídit sestavování buněk v různých tvarech a formách. Navíc lze vnější magnetické pole kombinovat s litograficky definovaným magnetickým vzorem („magnetické zachycení“).

Detekce proteinů

Proteiny jsou důležitou součástí jazyka, strojů a struktury buňky a pochopení jejich funkcí je nesmírně důležité pro další pokrok v oblasti lidského zdraví. Nanočástice zlata se široce používají v imunohistochemii k identifikaci interakce protein-protein. Možnosti současné detekce více látek touto technikou jsou však poměrně omezené. Povrchově zesílená Ramanova rozptylová spektroskopie je dobře zavedenou technikou pro detekci a identifikaci jednotlivých molekul barviva. Kombinací obou metod v jedné nanočásticové sondě lze výrazně zlepšit možnosti multiplexování proteinových sond. Skupina profesora Mirkina navrhla sofistikovanou multifunkční sondu, která je postavena kolem 13 nm zlaté nanočástice. Nanočástice jsou potaženy hydrofilními oligonukleotidy obsahujícími na jednom konci Ramanovo barvivo a na konci jsou zakončeny rozpoznávacím prvkem pro malé molekuly (např. biotinem). Tato molekula je navíc katalyticky aktivní a bude potažena stříbrem v roztoku Ag(I) a hydrochinonu. Po připojení sondy k malé molekule nebo antigenu, který má detekovat, je substrát vystaven působení roztoku stříbra a hydrochinonu. Stříbření probíhá v blízkosti Ramanova barviva, což umožňuje detekci signatury barviva pomocí standardního Ramanova mikroskopu. Kromě schopnosti rozpoznávat malé molekuly lze tuto sondu modifikovat tak, aby na povrchu obsahovala protilátky pro rozpoznávání proteinů. Při testování ve formátu proteinového pole proti malým molekulám i proteinům nevykazovala sonda žádnou zkříženou reaktivitu.

Komerční průzkum

Některé společnosti, které se zabývají vývojem a komercializací nanomateriálů v biologických a lékařských aplikacích, jsou uvedeny níže (viz tabulka 1). Většina těchto společností jsou malé nedávné spinoty různých výzkumných institucí. Přestože se nejedná o vyčerpávající výběr, jde o reprezentativní výběr odrážející současné průmyslové trendy. Většina společností vyvíjí farmaceutické aplikace, především pro dodávání léčiv. Několik společností využívá kvantových velikostních efektů v polovodičových nanokrystalech pro značení biomolekul nebo používá biologicky konjugované nanočástice zlata pro značení různých buněčných částí. Řada společností používá nanokeramické materiály pro tkáňové inženýrství a ortopedii.

Většina velkých a zavedených farmaceutických společností má interní výzkumné programy na dodávání léčiv, které se týkají přípravků nebo disperzí obsahujících složky až do velikosti nano. Koloidní stříbro se široce používá v antimikrobiálních přípravcích a obvazech. Vysoká reaktivita titanových nanočástic, ať už samotných, nebo následně osvětlených UV světlem, se rovněž využívá pro baktericidní účely ve filtrech. Zvýšené katalytické vlastnosti povrchů nanokeramiky nebo povrchů ušlechtilých kovů, jako je platina, se využívají k destrukci nebezpečných toxinů a dalších nebezpečných organických materiálů.

Budoucí směry

V současné době je většina komerčních aplikací nanočástic v medicíně zaměřena na podávání léčiv. V biologických vědách nahrazují nanočástice organická barviva v aplikacích, které vyžadují vysokou fotostabilitu a také vysokou schopnost multiplexování. Dochází k určitému vývoji v oblasti usměrňování a dálkového ovládání funkcí nanosond, například přivedení magnetických nanočástic k nádoru a jejich následné přimění buď k uvolnění nálože léčiva, nebo pouze k jejich zahřátí za účelem zničení okolní tkáně. Hlavním trendem v dalším vývoji nanomateriálů je učinit je multifunkčními a ovladatelnými vnějšími signály nebo místním prostředím, čímž se z nich v podstatě stanou nanozařízení.

.