Toepassingen van nanodeeltjes in biologie en geneeskunde

Weefselmanipulatie

Natuurlijk botoppervlak bevat vrij vaak kenmerken die ongeveer 100 nm in doorsnee zijn. Als het oppervlak van een kunstmatig botimplantaat glad zou blijven, zou het lichaam proberen het af te stoten. Door dat gladde oppervlak zal waarschijnlijk een vezelig weefsel ontstaan dat het oppervlak van het implantaat bedekt. Deze laag vermindert het contact tussen bot en implantaat, wat kan resulteren in het loskomen van het implantaat en verdere ontsteking. Aangetoond werd dat door het aanbrengen van nanogrote kenmerken op het oppervlak van de heup- of knieprothese de kans op afstoting kan worden verminderd en de aanmaak van osteoblasten kan worden gestimuleerd. De osteoblasten zijn de cellen die verantwoordelijk zijn voor de groei van de botmatrix en worden aangetroffen op het oprukkende oppervlak van het zich ontwikkelende bot.

Het effect werd aangetoond met polymere, keramische en, meer recent, metalen materialen. Meer dan 90% van de menselijke botcellen uit suspensie hechtten zich aan het metaaloppervlak met nanostructuur, maar slechts 50% in het controlemonster. Uiteindelijk zouden deze bevindingen het mogelijk maken een duurzamere en duurzamere heup- of knieprothese te ontwerpen en de kans te verkleinen dat het implantaat losraakt.

Titanium is een bekend botherstellend materiaal dat op grote schaal wordt gebruikt in de orthopedie en de tandheelkunde. Het heeft een hoge breukbestendigheid, ductiliteit en gewicht-sterkte verhouding. Helaas lijdt het aan een gebrek aan bioactiviteit, omdat het de aanhechting en groei van de verkoop niet goed ondersteunt. Van apatietdeklagen is bekend dat zij bioactief zijn en zich aan het bot hechten. Daarom werden in het verleden verschillende technieken gebruikt om een apatietlaag op titanium aan te brengen. Deze coatings lijden aan dikte-ongelijkheid, slechte adhesie en lage mechanische sterkte. Bovendien is een stabiele poreuze structuur nodig om het transport van voedingsstoffen door de celgroei te ondersteunen.

Het werd aangetoond dat het gebruik van een biomimetische benadering – een langzame groei van nanogestructureerde apatietfilm uit de gesimuleerde lichaamsvloeistof – resulteerde in de vorming van een sterk adherente, uniforme nanoporeuze laag . De laag bleek te zijn opgebouwd uit 60 nm kristallieten, en een stabiele nanoporeuze structuur en bioactiviteit te bezitten.

Een echt bot is een nanocomposiet materiaal, samengesteld uit hydroxyapatiet kristallieten in de organische matrix, die voornamelijk bestaat uit collageen. Daardoor is het bot mechanisch taai en tegelijkertijd plastisch, zodat het zich kan herstellen van een mechanische beschadiging. Het werkelijke mechanisme op nanoschaal dat tot deze nuttige combinatie van eigenschappen leidt, is nog onderwerp van discussie.

Een kunstmatig hybride materiaal werd bereid uit 15-18 nm keramische nanodeeltjes en poly (methylmethacrylaat) copolymeer. Met behulp van een tribologische benadering werd een visco-elastisch gedrag (genezing) van de menselijke tanden aangetoond. Een onderzocht hybride materiaal, afgezet als een coating op het tandoppervlak, verbeterde de krasbestendigheid en bezat een genezingsgedrag dat vergelijkbaar is met dat van de tand.

Kankertherapie

Photodynamische kankertherapie is gebaseerd op de vernietiging van de kankercellen door met laser opgewekte atomaire zuurstof, die cytotoxisch is. Een grotere hoeveelheid van een speciale kleurstof die wordt gebruikt om de atomaire zuurstof op te wekken, wordt door de kankercellen opgenomen in vergelijking met een gezond weefsel. Alleen de kankercellen die aan de laserstraling worden blootgesteld, worden dus vernietigd. Helaas migreren de resterende kleurstofmoleculen naar de huid en de ogen en maken de patiënt zeer gevoelig voor de blootstelling aan daglicht. Dit effect kan tot zes weken aanhouden.

Om deze bijwerking te vermijden, werd de hydrofobe versie van de kleurstofmolecule ingesloten in een poreus nanodeeltje. De kleurstof bleef gevangen in het Ormosil-nanopartikel en verspreidde zich niet naar andere delen van het lichaam. Tegelijkertijd werd het zuurstof genererend vermogen niet aangetast en liet de poriegrootte van ongeveer 1 nm de zuurstof vrij naar buiten diffunderen.

Multicolour optische codering voor biologische assays

Het steeds toenemende onderzoek in proteomics en genomic genereert een escalerend aantal sequentiegegevens en vereist de ontwikkeling van screeningtechnologieën met hoge doorvoer. Realistisch gezien zullen de verschillende array-technologieën die momenteel voor parallelle analyse worden gebruikt, waarschijnlijk verzadigd raken wanneer het aantal array-elementen enkele miljoenen overschrijdt. Een driedimensionale aanpak, gebaseerd op optische “streepjescodering” van polymeerdeeltjes in oplossing, wordt alleen beperkt door het aantal unieke tags dat men betrouwbaar kan produceren en detecteren.

Single quantum dots van samengestelde halfgeleiders werden met succes gebruikt als vervanging van organische kleurstoffen in verschillende bio-tagging toepassingen . Dit idee is een stap verder gebracht door het combineren van quantum dots van verschillende grootte en dus met verschillende fluorescerende kleuren, en ze te combineren in polymere microbeads . Er is een nauwkeurige controle van de quantum dot-verhoudingen bereikt. De bij deze experimenten gebruikte selectie van nanodeeltjes had 6 verschillende kleuren en 10 verschillende intensiteiten. Dit is voldoende om meer dan 1 miljoen combinaties te coderen. De uniformiteit en reproduceerbaarheid van de korrels was hoog, zodat de nauwkeurigheid van de korrelidentificatie 99,99% bedroeg.

Manipulatie van cellen en biomoleculen

Gefunctionaliseerde magnetische nanodeeltjes hebben vele toepassingen gevonden, waaronder celscheiding en sondering; deze en andere toepassingen worden besproken in een recent overzicht. De meeste tot nu toe bestudeerde magnetische deeltjes zijn bolvormig, wat de mogelijkheden om deze nanodeeltjes multifunctioneel te maken enigszins beperkt. Alternatieve cilindrisch gevormde nanodeeltjes kunnen worden gemaakt door gebruik te maken van elektrodepositie van metalen in nanoporeuze aluminiumoxide sjablonen. Afhankelijk van de eigenschappen van het sjabloon kan de nanocilinderradius worden gekozen in het bereik van 5 tot 500 nm, terwijl hun lengte kan oplopen tot 60 μm. Door achtereenvolgens verschillende diktes van verschillende metalen te deponeren, kunnen de structuur en de magnetische eigenschappen van individuele cilinders op grote schaal worden afgestemd.

Zoals de oppervlaktechemie voor functionalisering van metaaloppervlakken goed is ontwikkeld, kunnen verschillende liganden selectief aan verschillende segmenten worden gehecht. Bijvoorbeeld, werden porfyrines met thiol of carboxyl linkers gelijktijdig gehecht aan het goud of nikkel segmenten respectievelijk. Aldus is het mogelijk magnetische nanodraden te produceren met ruimtelijk gescheiden fluorescerende delen. Bovendien kan door de grote aspectverhoudingen de residuele magnetisatie van deze nanodraden hoog zijn. Daarom kunnen ze met een zwakker magneetveld worden aangedreven. Er is aangetoond dat een zelfassemblage van magnetische nanodraden in suspensie kan worden gecontroleerd door zwakke externe magnetische velden. Dit zou het mogelijk maken de assemblage van cellen in verschillende vormen te controleren. Bovendien kan een extern magnetisch veld worden gecombineerd met een lithografisch gedefinieerd magnetisch patroon (“magnetic trapping”).

Proteïnedetectie

Proteïnen vormen een belangrijk onderdeel van de taal, machinerie en structuur van de cel, en het begrijpen van hun functionaliteiten is uiterst belangrijk voor verdere vooruitgang in het menselijk welzijn. Gouden nanodeeltjes worden veel gebruikt in de immunohistochemie om eiwit-eiwit interactie te identificeren. De mogelijkheden voor meervoudige gelijktijdige detectie van deze techniek zijn echter vrij beperkt. Surface-enhanced Raman scattering spectroscopie is een beproefde techniek voor detectie en identificatie van afzonderlijke kleurstofmoleculen. Door beide methoden te combineren in een enkele nanodeeltjesonde kan men de multiplexing-mogelijkheden van eiwitsondes drastisch verbeteren. De groep van Prof. Mirkin heeft een geavanceerde multifunctionele probe ontworpen die is opgebouwd rond een 13 nm gouden nanodeeltje. De nanodeeltjes zijn gecoat met hydrofiele oligonucleotiden die aan één uiteinde een Raman-kleurstof bevatten en aan het uiteinde zijn afgedekt met een klein molecuul-herkenningselement (b.v. biotine). Bovendien is dit molecuul katalytisch actief en wordt het gecoat met zilver in de oplossing van Ag(I) en hydrochinon. Nadat de probe is gehecht aan een klein molecuul of een antigeen dat hij moet detecteren, wordt het substraat blootgesteld aan de zilver- en hydrochinonoplossing. Er vindt een verzilvering plaats dicht bij de Raman kleurstof, waardoor de kleurstof signatuur kan worden gedetecteerd met een standaard Raman microscoop. Deze probe is niet alleen in staat kleine moleculen te herkennen, maar kan ook worden gemodificeerd om antilichamen op het oppervlak te bevatten om eiwitten te herkennen. Bij tests in het proteïne-arrayformaat tegen zowel kleine moleculen als eiwitten heeft de probe geen kruisreactiviteit laten zien.

Commerciële exploratie

Enkele van de bedrijven die betrokken zijn bij de ontwikkeling en commercialisering van nanomaterialen in biologische en medische toepassingen zijn hieronder vermeld (zie tabel 1). De meeste van deze bedrijven zijn kleine recente spinouts van diverse onderzoekinstellingen. Hoewel niet uitputtend, is dit een representatieve selectie die de huidige industriële trends weerspiegelt. De meeste bedrijven ontwikkelen farmaceutische toepassingen, hoofdzakelijk voor de toediening van geneesmiddelen. Verschillende bedrijven exploiteren kwantumeffecten in halfgeleidernanokristallen voor het labelen van biomoleculen, of gebruiken biogeconjugeerde gouden nanodeeltjes voor het labelen van verschillende cellulaire onderdelen. Een aantal bedrijven past nanokeramische materialen toe voor weefselmanipulatie en orthopedie.

De meeste grote en gevestigde farmaceutische bedrijven hebben interne onderzoekprogramma’s voor de toediening van geneesmiddelen die betrekking hebben op formuleringen of dispersies die componenten tot op nanogrootte bevatten. Colloïdaal zilver wordt veel gebruikt in antimicrobiële formuleringen en verbandmiddelen. De hoge reactiviteit van titania nanodeeltjes, hetzij op zichzelf of vervolgens belicht met UV-licht, wordt ook gebruikt voor bacteriedodende doeleinden in filters. Verbeterde katalytische eigenschappen van oppervlakken van nano-keramiek of die van edele metalen zoals platina worden gebruikt om gevaarlijke toxines en andere gevaarlijke organische materialen te vernietigen.

Toekomstige richtingen

Zoals het er nu voorstaat, is het merendeel van de commerciële toepassingen van nanodeeltjes in de geneeskunde gericht op de toediening van geneesmiddelen. In de biowetenschappen vervangen nanodeeltjes organische kleurstoffen in toepassingen die een hoge fotostabiliteit en een groot multiplexeringsvermogen vereisen. Er zijn enkele ontwikkelingen in het richten en op afstand besturen van de functies van nanopartikels, bijvoorbeeld door magnetische nanodeeltjes naar de tumor te drijven en ze vervolgens ofwel te maken om de medicijnlading vrij te geven of alleen te verhitten om het omringende weefsel te vernietigen. De belangrijkste trend in de verdere ontwikkeling van nanomaterialen is om ze multifunctioneel te maken en controleerbaar door externe signalen of door de lokale omgeving, waardoor ze in wezen nano-apparaten worden.