Titlul întreg al proiectului

CAPITOLUL 2 – Aplicaţii Nanotec în Medicină şi Sănătate

Nanomaterialele sunt definite ca materiale de ordinul nanoscalar, care, în nanomedicină deseori merg dincolo de linia de marcaj de 100nm până la aproximativ 500 nm. Aceasta este variaţia de dimensiune a biomoleculelor (de ex. proteine, enzime, ADN-ul) şi complexele moleculare, cum ar fi pompa de ioni. Aceste nanomaterialele naturale sunt componentele unor structuri ierarhice mai mari care reglează funcţia celulei. Bacteriile şi viruşii sunt mai mari (câţiva micrometri), dar funcţiile lor (incluzând şi toxicitatea lor asupra celulelor sănătoase) provin din interacţiunile dintre biomoleculele pe care le conţin şi mediul din jurul lor (inclusiv celulele din jur). Practic, nanotehnologiile fac posibilă crearea de noi materiale (cum ar fi pentru furnizarea medicamentelor, probe pentru imagistică sau chiar construcţia de ţesuturi), care au dimensiuni la nivel de biomoleculă, care, în schimb, este scala care reglementează funcţiile celulelor. Oamenii de ştiinţă privesc natura pentru a se inspira în fabricarea de materiale, precum ar fi capsulele pentru administrarea de medicamente (mimând lipida bistratificată naturală, de exemplu). Aceste materiale sunt numite materiale bio-inspirate.

Nanomedicina foloseşte nanomateriale şi procese cu activare nano pentru diagnosticul, tratamentul şi monitorizarea unei game largi de boli medicale, cum ar fi bolile cardiovasculare, cancerul, condiţiile musculo-scheletice şi inflamatorii, bolile neurodegenerative şi psihiatrice, diabet zaharat şi boli infecţioase.

DIAGNOSTICARE ŞI IMAGISTICĂ

N
Figura 6: Un biosenzor nanoscalar bazat pe cantilevere.

Imagine primită de la M. Lorentzen.
anotehnologia poate fi utilizată pentru a produce dispozitive mici, portabile şi ieftine de diagnosticare care necesită un eşantion cât mai mic pentru a funcționa şi sunt, prin urmare, mai puţin invazive pentru pacient şi care efectuează diagnosticul unei suspiciuni de boală într-un timp foarte scurt, in timp ce asigură acurateţea analizei. Nanomaterialele vor duce la dispozitive extrem de sensibile, care pot detecta, de exemplu, agenţi patogeni în cantităţi foarte mici, ceea ce va permite o diagnosticare foarte timpurie, caz în care tratamentele pot fi mai eficiente. În cele din urmă, acest lucru poate deschide o zonă de diagnosticare tip “punct de îngrijire”, reprezentată prin dispozitive integrate ce pot fi utilizate oriunde şi nu numai în cabinetul medicului, capabile de o capacitate mare de testare pentru un număr mare de pacienţi, de exemplu în cazul unei epidemii, sau pentru testarea unui număr mare de parametri pentru o anumită boală, care sunt necesari pentru diagnosticul unor afecțiuni complexe. Figura 6 prezintă o reprezentare schematică a unui biosenzor nanoscalar promiţător bazat pe consolele mici care pot fi utilizate pentru a detecta cantităţi extrem de mici de molecule.

Nanoparticulele de metal la scară nanometrică, cum ar fi nanoparticulele de aur sau argint, sunt, de asemenea, utilizate în diagnosticare. O caracteristică distinctivă a nanoparticulelor metalice, în general, este legată de proprietăţile lor optice, care sunt diferite de cele ale omologului lor brut. Ele au putere de absorbţie a luminii foarte mare din cauza efectului numit suprafaţă localizată de rezonanţă a plasmonilor. Ca urmare, mixturi de nanoparticule metalice (coloizi), precum ar fi aurul sau argintul poate afişa culori care nu apar în forma lor brută, cum ar fi roşu, purpuriu sau portocaliu, de exemplu: un coloid de nanoparticule de aur de aproximativ 15nm în dimensiune este roşu rubin. Culoarea metalului coloidal depinde de forma nanoparticulelor, dimensiunea şi mediul înconjurător, astfel încât acest efect poate fi folosit pentru senzorii miniaturizaţi în diagnosticarea medicală şi în tratamentele direcţionate. Beţişoarele de la testele comerciale de sarcină folosesc nanoparticule de aur, de exemplu, sau chituri NOVAmed (cum ar fi AdenoStick), care detectează prezenţa viruşilor intestinali. Nanotuburi de carbon şi de nanofire sunt de asemenea folosite pentru detectare.

Un alt pas crucial în diagnosticul unei boli implică imagistica in vivo, care caută simptome ale bolii în cadrul organelor suspectate de a fi infectate fără a fi nevoie de a efectua intervenţii chirurgicale. Nanotehnologia are un impact enorm asupra acestui domeniu, în special prin dezvoltarea agenţilor moleculari pentru imagistică, care permit direcţionarea şi imagistica locaţiei bolii într-un ţesut la nivel celular şi molecular. Scopul este de a detecta biomarkerii bolii şi de a diagnostica bolile în timpul sau poate chiar înainte de debutul simptomelor, realizând o imagistică in vivo pentru detectarea timpurie. Nanotehnologia de asemenea permite dezvoltarea de instrumente imagistice noi pentru a îmbunătăţi sensibilitatea şi precizia.

D

Figura 7: Nanoparticule încapsulate de biomolecule active pentru tratarea bolilor. Imagine primită de la K.Howard
intre toate, semiconductorii nanoscalari au unele proprietăţi particulare care permit utilizarea lor în imagistică. De exemplu: puncte cuantice (QDs), care sunt nanoparticule de aproximativ 10 nm de CdSe, ZnSe sau CdTe şi care au un spectru discret de energie cuantificată, astfel încât să poată absorbi o anumită lungime de undă şi emit o culoare monocromatică. În functie de marimea lor, QDs emit diferite culori.

TERAPIA

În ceea ce priveşte tratamentul, nanotehnologia poate soluţiona unele din limitările medicamentelor curente, cum ar fi: solubilitate limitată în apă, lipsa de selectivitate şi ca urmare, lipsa de eficienţă şi o serie de efecte secundare nedorite. Probleme cum ar fi lipsa de selectivitate sunt deosebit de dăunătoare în terapiile pentru cancer, deoarece medicamentele anti-cancer sunt toxice atât pentru celulele normale, cât şi cele canceroase. Nanotehnologia permite posibilitatea de a îmbunătăţi sinteza medicamentelor, administrarea, eliberarea şi acţiunea prin dezvoltarea de noi medicamente care pot acţiona la locul specific al bolii, maximizând acţiunea terapeutică a medicamentului în timp ce minimizează efectele adverse. Odată cu folosirea nanotehnologiei, medicamentele specifice (în ceea ce priveşte compoziţia şi sistemul de livrare) pot deveni o realitate din care vor rezulta terapii specifice şi medicina personalizată.

Una din viziuni este de a proiecta medicamente care vor fi administrate în aşa fel încât să poată recunoaşte celulele "rele” responsabile pentru o anumită boală la un nivel molecular şi să penetreze membrana celulară acţionând în interiorul celulei infectate. În plus, proprietăţi specifice pot fi incluse în sistemul de administrare a medicamentelor, astfel ca medicamentul să poată fi activat numai la atingerea obiectivului, iar componenta activă lansată la o rată controlată. Prin urmare, medicamentele cu compoziție optimă pot fi produse, astfel încât doar cantitatea necesară de medicament este administrată, reducând astfel efectele secundare pentru pacienti. Împreună cu posibilitatea de a avea nano-sisteme de administrare a medicamentelor care sunt biodegradabile în interiorul organismului, aceasta va reduce toxicitatea medicamentelor. Siguranţa utilizării medicamentelor va fi intensificată, de exemplu, prin introducerea în formula chimică a medicamentelor a unei etichete care îşi va schimba culoarea atunci când medicamentele trec de data expirării. Figura 7 prezintă o reprezentare schematică a procesului de ambalare a medicamentelor active în nanoparticule pentru livrare la suprafaţa unei celule.

Transportatorii de dimensiuni nano ai medicamentelor, care sunt în prezent în curs de dezvoltare, includ fie materiale care se autoasamblează sau sisteme multicomponent conjugate, de exemplu, un medicament legat de o proteină şi de un polimer (numit polimer medicamentos conjugat). Numeroase nanosisteme sunt acum investigate, printre acestea sunt: micele, nanoemulsii, nanotuburi, nanofibrele, lipozomi, dendrimele, polimeri terapeutici, nanoparticule, nanocapsule, nanosfere şi hidrogeluri. Mulţi dintre aceşti transportatori de medicamente de dimensiuni sunt bio-inspiraţi. Unii din aceşti transportatori de medicamente de dimensiune nano există deja în acest domeniu de livrare medicamente, cum ar fi lipozomii; alţii au apărut pe piaţă în ultimii ani, cum ar fi proteine polimer conjugate (polimer farmaceutic). Mulţi sunt acum folosiţi pentru tratarea unor forme de cancer, hepatită şi leucemie. Un exemplu este medicamentul pentru cancerul ovarian numit DOXIL sau medicamentul pentru cancerul de sân ABRAXANE.

Una dintre posibilităţile cele mai interesante prin care nanotehnologia ar putea aduce îmbunătăţiri în domeniul terapeutic este posibilitatea de a integra diagnosticarea, tratamentul şi urmărirea unei boli. Acest lucru poate fi iniţiat prin incorporarea de nanoparticule în medicamente. Nanoparticulele îşi pot schimba unele proprietăţi – cum ar fi culoarea - de îndată ce medicamentul şi-a atins obiectivul. Medicamentele ar putea avea, prin urmare, o acţiune de feedback. Împreună cu un sistem lent cu eliberare la ţintă, nanoparticulele şi-ar putea schimba treptat culoarea în timpul acţiunii medicamentului, astfel informând medicii de progresele terapiei. Această abordare este numită "Theranostics" (terapie şi diagnostic fuzionate) şi poate deveni o realitate datorită evoluţiei în paralel a câmpului de imagistică moleculară. Viziunea este ca într-o zi întregul proces de diagnosticare, de pre-imagistică, terapie şi post-imagistică a anumitor boli va fi integrat. Mai mult decât atât, cu nanosisteme specifice pentru o anumită boală, datorită unei abordări bine orientate, mai mult de o boală ar putea fi urmărită în mod individual, tratată şi monitorizată în ceea ce este conceput ca o terapie multifuncţională.

Terapii extern activate care utilizează nanoparticule

Transportatori de dimensiuni nano de medicamente se acumulează pasiv în tesutul canceros tumoral solid din cauza unui efect numit "permeabilitate consolidată şi retenţie" (EPR). Acest mecanism pasiv este atribuit naturii vaselor tumorale de a se "scurge". Acest lucru permite acumularea de agenti terapeutici în interiorul regiunii tumorii şi de a o activa folosind o sursă externă. Pe baza acestui concept, unele dintre noile terapii anti-cancer au fost astfel dezvoltate şi au intrat în stadii avansate de studiu clinic. În aceste terapii, nanoparticule sunt livrate la site-ul tumorii unde se acumulează. O sursă externă este apoi utilizată pentru a activa în mod specific nanoparticulele şi de a supraîncălzi regiunea tumorii (terapie se numeşte hipertermie). Supraîncălzirea site-ului tumorii se poate face, de exemplu, prin activarea nanoparticulelor magnetice cu un câmp magnetic alternativ, sau prin utilizarea de aur nano acoperit (nanoparticule polimerice acoperite cu un strat de aur), concepute pentru a absorbi lumina din regiunea infraroşu cea mai apropiată (NIR). Aceste exemple arată abordarea inovatoare de tratament tumoral activat de nanoparticule, acestea sunt folosite deja în unele studii clinice, cum ar fi terapia NanoTherm ® pentru tratamentul local al tumorilor solide (MagForce ®).

MEDICINA REGENERATIVĂ

Nanotehnologia ar putea duce, de asemenea, la un impact foarte mare asupra domeniului medicină regenerativă prin fabricarea de implanturi îmbunătăţite cu acoperiri bioactive, nano-suprafeţe texturate şi noi materiale rezistente la stres, ceea ce duce la implanturi care pot fi mai bine integrate în organism şi cu o durabilitate sporită, stabilitate şi biocompatibilitate. Nanotehnologiile sunt de asemenea folosite pentru fabricarea de biomateriale care sunt receptive la mediu (de exemplu, care să răspundă la pH-ul sau prezenţa unor biomolecule specifice) şi din acest motiv sunt denumite "biomateriale inteligente". Un alt domeniu de impact imens este ingineria tisulară, care se ocupă cu fabricarea de schelete artificiale pentru sprijinirea creşterii celulelor donatoare şi care se diferenţiază şi cresc într-un ţesut care îl imită pe cel natural pierdut. Construcţii nano-inginerice includ ingineria de piele, cartilagii si oase pentru implantare autolog (de exemplu, implantarea unui ţesut regenerat de celule din celulele preluate de la pacient). În cele din urmă, nanotehnologia joacă un rol-cheie în dezvoltarea unei proteze neuronale (membre artificiale, neuroprostetică auditivă şi vizuală, interfeţe creier-maşină etc). Contribuţiile nanotehnologiilor în această zonă includ dezvoltarea unor senzori mai accesibili, mai mici, mai puternici, eficienţi şi cu actuatori receptivi care se mişcă uşor, asemănător cu mişcarea naturală; şi materiale care au un raport optim de rezistenţă / greutate; elasticitate / rigiditate şi stocare a energiei mecanice, componente cheie ale membrelor naturale.

SIGURANŢA ALIMENTARĂ ŞI AMBALAJE

Nanotehnologia permite fabricarea unui strat de acoperire anti-bacterian (folosind dimensiunile nano ale argintului) şi materiale de ambalare noi pentru conservarea alimentelor ambalate şi minimizarea contaminării externe, păstrând în acelaşi timp prospetimea produselor alimentare. În viitor, senzori mici ar putea fi folosiţi pentru a monitoriza prospeţimea alimentelor, folosind nanomateriale care pot detecta atunci când "data de expirare" este atinsă şi alertează vizual consumatorul. Nanotehnologia ar putea fi utilizată pentru urmărirea calităţii şi siguranţei produselor şi a ingredientelor de la fermă la raft, precum şi pentru monitorizarea gustului, maturarea şi contaminarea microbiologică.