Zastosowania nanocząstek w biologii i medycynie

Inżynieria tkankowa

Naturalna powierzchnia kości dość często zawiera elementy o średnicy około 100 nm. Gdyby powierzchnia sztucznego implantu kostnego była gładka, organizm próbowałby go odrzucić. Z tego powodu gładka powierzchnia prawdopodobnie spowoduje wytworzenie włóknistej tkanki pokrywającej powierzchnię implantu. Warstwa ta zmniejsza kontakt kość-implant, co może skutkować obluzowaniem się implantu i dalszym stanem zapalnym. Wykazano, że tworząc nanocząstki na powierzchni protezy stawu biodrowego lub kolanowego można zmniejszyć szanse na odrzucenie implantu, a także stymulować produkcję osteoblastów. Osteoblasty są komórkami odpowiedzialnymi za wzrost macierzy kostnej i znajdują się na postępującej powierzchni rozwijającej się kości.

Efekt ten wykazano w przypadku materiałów polimerowych, ceramicznych, a ostatnio także metalowych. Ponad 90% ludzkich komórek kostnych z zawiesiny przylegało do nanostrukturalnej powierzchni metalu, ale tylko 50% w próbce kontrolnej. W końcu wyniki te pozwoliłyby na zaprojektowanie bardziej wytrzymałych i trwalszych protez biodrowych lub kolanowych oraz na zmniejszenie szans na obluzowanie się implantu.

Tytan jest dobrze znanym materiałem do naprawy kości, szeroko stosowanym w ortopedii i stomatologii. Charakteryzuje się wysoką odpornością na złamania, plastycznością i stosunkiem wagi do wytrzymałości. Niestety, cierpi na brak bioaktywności, ponieważ nie wspiera dobrze adhezji i wzrostu komórek. Powłoki apatytowe są znane z tego, że są bioaktywne i wiążą się z kością. W związku z tym w przeszłości stosowano kilka technik wytwarzania powłok apatytowych na tytanie. Powłoki te charakteryzują się niejednorodnością grubości, słabą adhezją i niską wytrzymałością mechaniczną. Ponadto, stabilna struktura porowata jest wymagana do wsparcia transportu składników odżywczych przez wzrost komórek.

Wykazano, że zastosowanie podejścia biomimetycznego – powolny wzrost nanostrukturalnej warstwy apatytu z symulowanego płynu ustrojowego – doprowadziło do powstania silnie przylegającej, jednorodnej warstwy nanoporowatej. Stwierdzono, że warstwa ta zbudowana jest z 60 nm krystalitów i posiada stabilną strukturę nanoporowatą oraz bioaktywność.

Prawdziwa kość jest materiałem nanokompozytowym, złożonym z krystalitów hydroksyapatytu w matrycy organicznej, która składa się głównie z kolagenu. Dzięki temu kość jest wytrzymała mechanicznie, a jednocześnie plastyczna, dzięki czemu może się odbudować po uszkodzeniu mechanicznym. Właściwy nanoskalowy mechanizm prowadzący do tej użytecznej kombinacji właściwości jest wciąż dyskutowany.

Sztuczny materiał hybrydowy został przygotowany z nanocząstek ceramicznych 15-18 nm i kopolimeru poli(metakrylanu metylu). Wykorzystując podejście tribologiczne, wykazano wiskoelastyczne zachowanie (gojenie) ludzkich zębów. Badany materiał hybrydowy, osadzony jako powłoka na powierzchni zęba, poprawił odporność na zarysowania, jak również posiadał zachowanie gojenia podobne do zachowania zęba.

Terapia nowotworów

Fotodynamiczna terapia nowotworów opiera się na niszczeniu komórek nowotworowych przez generowany laserowo tlen atomowy, który jest cytotoksyczny. Większa ilość specjalnego barwnika, który jest używany do generowania tlenu atomowego, jest pobierana przez komórki nowotworowe w porównaniu do zdrowej tkanki. W związku z tym, tylko komórki nowotworowe są niszczone podczas naświetlania laserem. Niestety, pozostałe cząsteczki barwnika migrują do skóry i oczu, co powoduje, że pacjent staje się bardzo wrażliwy na światło dzienne. Efekt ten może utrzymywać się nawet do sześciu tygodni.

Aby uniknąć tego efektu ubocznego, hydrofobowa wersja cząsteczki barwnika została zamknięta wewnątrz porowatej nanocząsteczki. Barwnik pozostał uwięziony wewnątrz nanocząstki Ormosilu i nie rozprzestrzenił się na inne części ciała. W tym samym czasie jego zdolność generowania tlenu nie została naruszona, a wielkość porów wynosząca około 1 nm swobodnie pozwalała na dyfuzję tlenu na zewnątrz.

Multikolorowe kodowanie optyczne dla testów biologicznych

Ciągle rosnące badania w proteomice i genomice generują rosnącą liczbę danych sekwencyjnych i wymagają rozwoju technologii przesiewowych o wysokiej przepustowości. Realistycznie rzecz biorąc, różne technologie macierzowe, które są obecnie wykorzystywane w analizie równoległej, prawdopodobnie osiągną nasycenie, gdy liczba elementów macierzy przekroczy kilka milionów. Trójwymiarowe podejście, oparte na optycznym „kodowaniu kreskowym” cząstek polimerowych w roztworze, jest ograniczone jedynie liczbą unikalnych znaczników, które można niezawodnie wytwarzać i wykrywać.

Pojedyncze kropki kwantowe półprzewodników złożonych były z powodzeniem stosowane jako zamiennik barwników organicznych w różnych zastosowaniach znakowania biologicznego. Pomysł ten został posunięty o krok dalej poprzez połączenie kropek kwantowych o różnej wielkości, a tym samym o różnych kolorach fluorescencyjnych, i połączenie ich w polimerowych mikrobąbelkach. Uzyskano precyzyjną kontrolę proporcji kropek kwantowych. Użyte w tych eksperymentach nanocząstki miały 6 różnych kolorów i 10 intensywności. Jest to wystarczające do zakodowania ponad 1 miliona kombinacji. Jednolitość i odtwarzalność kulek była wysoka pozwalając na identyfikację kulek z dokładnością do 99.99%.

Manipulacja komórkami i biomolekułami

Funkcjonalizowane nanocząstki magnetyczne znalazły wiele zastosowań, w tym separację komórek i sondowanie; te i inne zastosowania są omówione w ostatnim przeglądzie . Większość badanych dotychczas cząstek magnetycznych ma kształt kulisty, co w pewnym stopniu ogranicza możliwości uczynienia tych nanocząstek wielofunkcyjnymi. Alternatywne nanocząstki o cylindrycznym kształcie mogą być tworzone poprzez elektrodepozycję metalu w nanoporowatym szablonie z tlenku glinu. W zależności od właściwości szablonu, promień nanocylindra może być wybrany w zakresie od 5 do 500 nm, a jego długość może wynosić nawet 60 μm. Poprzez sekwencyjne osadzanie różnych grubości różnych metali, struktura i właściwości magnetyczne poszczególnych cylindrów mogą być szeroko tuned.

As surface chemistry for functionalisation of metal surfaces is well developed, different ligands can be selectively attached to different segments. Na przykład, porfiryny z linkerami tiolowymi lub karboksylowymi zostały jednocześnie przyłączone odpowiednio do segmentów złota lub niklu. Dzięki temu możliwe jest wytworzenie magnetycznych nanodrutów z przestrzennie rozdzielonymi elementami fluorescencyjnymi. Ponadto, ze względu na duży współczynnik kształtu, magnetyzacja szczątkowa tych nanowirów może być wysoka. W związku z tym, do ich napędzania można stosować słabsze pole magnetyczne. Wykazano, że samoorganizacja nanowirów magnetycznych w zawiesinie może być kontrolowana przez słabe zewnętrzne pole magnetyczne. Pozwoliłoby to potencjalnie na kontrolowanie łączenia się komórek w różne kształty i formy. Co więcej, zewnętrzne pole magnetyczne może być połączone z litograficznie zdefiniowanym wzorem magnetycznym („magnetic trapping”).

Detekcja białek

Białka są ważną częścią języka, maszynerii i struktury komórki, a zrozumienie ich funkcjonalności jest niezwykle ważne dla dalszego postępu w dobrym samopoczuciu człowieka. Nanocząstki złota są szeroko stosowane w immunohistochemii do identyfikacji interakcji białko-białko. Jednak możliwości wielokrotnego, jednoczesnego wykrywania tej techniki są dość ograniczone. Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia rozpraszania Ramana jest dobrze znaną techniką wykrywania i identyfikacji pojedynczych cząsteczek barwników. Łącząc obie metody w pojedynczej sondzie nanocząsteczkowej można drastycznie poprawić możliwości multipleksowania sond białkowych. Grupa prof. Mirkina zaprojektowała zaawansowaną wielofunkcyjną sondę zbudowaną wokół 13 nm nanocząstki złota. Nanocząstki są pokryte hydrofilowymi oligonukleotydami zawierającymi na jednym końcu barwnik Ramana i zakończone elementem rozpoznającym małą cząsteczkę (np. biotynę). Ponadto, cząsteczka ta jest katalitycznie aktywna i zostanie pokryta srebrem w roztworze Ag(I) i hydrochinonu. Po przyłączeniu sondy do małej cząsteczki lub antygenu, który ma ona wykrywać, podłoże jest poddawane działaniu roztworu srebra i hydrochinonu. Srebrzenie następuje w pobliżu barwnika ramanowskiego, co pozwala na detekcję sygnatury barwnika za pomocą standardowego mikroskopu ramanowskiego. Oprócz zdolności do rozpoznawania małych cząsteczek, sonda ta może być zmodyfikowana tak, aby zawierała na powierzchni przeciwciała rozpoznające białka. Podczas testów w formacie tablicy białek przeciwko zarówno małym cząsteczkom, jak i białkom, sonda nie wykazała żadnej reaktywności krzyżowej.

Poszukiwania komercyjne

Niżej wymieniono niektóre z firm, które są zaangażowane w rozwój i komercjalizację nanomateriałów w zastosowaniach biologicznych i medycznych (patrz tabela 1). Większość z tych firm to małe przedsiębiorstwa, które niedawno powstały w wyniku działalności różnych instytucji badawczych. Chociaż nie jest to wyczerpująca lista, stanowi ona reprezentatywny wybór odzwierciedlający obecne tendencje w przemyśle. Większość firm opracowuje aplikacje farmaceutyczne, głównie w zakresie dostarczania leków. Kilka firm wykorzystuje efekty wielkości kwantowej w nanokryształach półprzewodnikowych do znakowania biomolekuł lub używa bio-koniugowanych nanocząstek złota do znakowania różnych części komórek. Szereg firm stosuje materiały nanoceramiczne w inżynierii tkankowej i ortopedii.

Większość dużych i uznanych firm farmaceutycznych prowadzi wewnętrzne programy badawcze nad dostarczaniem leków, które dotyczą preparatów lub dyspersji zawierających składniki w rozmiarach nano. Srebro koloidalne jest szeroko stosowane w preparatach antybakteryjnych i opatrunkach. Wysoka reaktywność nanocząstek tytanu, zarówno w postaci własnej, jak i po naświetleniu światłem UV, jest również wykorzystywana do celów bakteriobójczych w filtrach. Zwiększone właściwości katalityczne powierzchni nano-ceramiki lub metali szlachetnych, takich jak platyna, są wykorzystywane do niszczenia niebezpiecznych toksyn i innych niebezpiecznych materiałów organicznych.

Przyszłe kierunki

Jak na razie większość komercyjnych zastosowań nanocząstek w medycynie jest ukierunkowana na dostarczanie leków. W naukach biologicznych nanocząstki zastępują barwniki organiczne w zastosowaniach, które wymagają wysokiej fotostabilności, jak również wysokiej zdolności multipleksowania. Istnieją pewne postępy w kierowaniu i zdalnym kontrolowaniu funkcji nano-probówek, na przykład doprowadzanie nanocząstek magnetycznych do guza, a następnie uwalnianie z nich ładunku leku lub po prostu podgrzewanie ich w celu zniszczenia otaczającej tkanki. Głównym trendem w dalszym rozwoju nanomateriałów jest uczynienie ich wielofunkcyjnymi i sterowalnymi przez sygnały zewnętrzne lub przez środowisko lokalne, co zasadniczo przekształca je w nanourządzenia.

.