Die Nanotechnologie, die Manipulation von Materie auf atomarer und molekularer Ebene, um Materialien mit bemerkenswert vielfältigen und neuen Eigenschaften zu schaffen, ist ein rasch wachsender Forschungsbereich mit enormem Potenzial in vielen Bereichen, von der Gesundheitsversorgung über die Konstruktion bis hin zur Elektronik. In der Medizin verspricht es die Arzneimittelabgabe, Gentherapie, Diagnostik und viele Bereiche der Forschung, Entwicklung und klinischen Anwendung zu revolutionieren.
Dieser Artikel versucht nicht, das gesamte Gebiet abzudecken, sondern bietet an einigen Beispielen einige Einblicke in die Technik, die das Potenzial hat, die Medizin zu verändern, sowohl im Forschungslabor als auch klinisch, während einige der Herausforderungen und Bedenken berührt werden erhebt.
Was ist Nanotechnologie?
Das Präfix "Nano" stammt aus dem Altgriechischen für "Zwerg". In der Wissenschaft bedeutet es ein Milliardstel (10 bis minus 9) von etwas, also ist ein Nanometer (nm) ein Milliardstel Meter oder 0,000000001 Meter. Ein Nanometer ist etwa drei bis fünf Atome breit oder etwa 40.000 Mal kleiner als die Dicke menschlichen Haares. Ein Virus ist typischerweise 100 nm groß.
Die Fähigkeit, Strukturen und Eigenschaften auf der Nanoskala in der Medizin zu manipulieren, ist wie eine submikroskopische Laborbank, auf der Sie Zellkomponenten, Viren oder DNA-Stücke mit einer Vielzahl von winzigen Werkzeugen, Robotern und Röhren handhaben können.
Manipulation von DNA
Therapien, die die Manipulation einzelner Gene oder die molekularen Pfade, die ihre Expression beeinflussen, beinhalten, werden zunehmend als eine Option zur Behandlung von Krankheiten untersucht. Ein sehr angestrebtes Ziel in diesem Bereich ist die Fähigkeit, Behandlungen entsprechend der genetischen Zusammensetzung einzelner Patienten durchzuführen.
Dies erfordert Werkzeuge, mit denen Wissenschaftler experimentieren und solche Behandlungen entwickeln können.
Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie können einen Abschnitt der DNA wie einen Spaghettistrang ausstrecken, damit Sie ihn untersuchen oder bearbeiten oder Nanoroboter bauen können, die in Zellkomponenten "laufen" und Reparaturen durchführen können. Die Nanotechnologie bringt diesen wissenschaftlichen Traum näher an die Realität.
Zum Beispiel gelang es Wissenschaftlern der Australian National University, beschichtete Latexkügelchen an den Enden von modifizierter DNA zu befestigen, und dann eine "optische Falle" mit einem fokussierten Lichtstrahl zu verwenden, um die Kügelchen an ihrem Platz zu halten, sie haben den DNA-Strang hineingestreckt um die Wechselwirkungen spezifischer Bindungsproteine zu untersuchen.
Nanobots und Nanostars
Inzwischen haben Chemiker an der New York University (NYU) einen nanoskaligen Roboter aus DNA-Fragmenten geschaffen, der auf zwei gerade mal 10 nm langen Beinen läuft. In einem 2004 in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlichten Artikel beschreiben sie, wie ihr "Nanowalker" mit Hilfe von Psoralen-Molekülen, die an den Enden seiner Füße befestigt sind, seine ersten Schritte macht: zwei vorwärts und zwei zurück.
Einer der Forscher, Ned Seeman, sagte, dass er vorhabe, dass es möglich sein wird, eine Molekül-Produktionslinie zu schaffen, in der man ein Molekül mitnimmt, bis der richtige Ort erreicht ist, und ein Nanobot ein bisschen Chemismus darauf macht -Schweißen "auf einer Montagelinie. Seemans Labor an der NYU will mit Hilfe der DNA-Nanotechnologie auch einen Biochip-Computer herstellen und herausfinden, wie sich biologische Moleküle herauskristallisieren, ein Bereich, der derzeit mit Herausforderungen behaftet ist.
Die Arbeit von Seeman und Kollegen ist ein gutes Beispiel für "Biomimetik", bei der sie mit Hilfe der Nanotechnologie einige der biologischen Prozesse in der Natur, wie das Verhalten von DNA, nachahmen, um neue Methoden zu entwickeln und vielleicht sogar zu verbessern.
DNA-basierte Nanobots werden auch für die Krebszellen entwickelt. Zum Beispiel haben Forscher der Harvard Medical School in den USA kürzlich in Science berichtet, wie sie einen "Origami-Nanoroboter" aus DNA für den Transport einer molekularen Nutzlast herstellten. Der tonnenförmige Nanobot kann Moleküle tragen, die Anweisungen enthalten, die Zellen auf eine bestimmte Art und Weise verhalten. In ihrer Studie demonstriert das Team erfolgreich, wie es Moleküle liefert, die in Leukämie- und Lymphomzellen Zellselbstmord auslösen.
Nanobots aus anderen Materialien sind ebenfalls in Entwicklung. Zum Beispiel ist Gold das Material, das Wissenschaftler an der Northwestern University verwenden, um "Nanosterne" herzustellen, einfache, spezialisierte, sternförmige Nanopartikel, die Medikamente direkt an die Kerne von Krebszellen abgeben können. In einem Aufsatz in der Zeitschrift ACS Nano beschreiben sie, wie sich drogenbeladene Nanostars wie winzige Anhalter verhalten, die, nachdem sie von einem überexprimierten Protein auf der Oberfläche menschlicher Zervix- und Eierstockkrebszellen angezogen wurden, ihre Nutzlast direkt in die Kerne dieser Zellen ablegen .
Die Forscher fanden heraus, dass die Nanobot-Form eines Sterns dazu beiträgt, eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Nanopartikeln zur Abgabe von Medikamenten zu überwinden: Wie können die Medikamente präzise freigesetzt werden? Sie sagen, die Form hilft, die Lichtimpulse zu konzentrieren, die verwendet werden, um die Drogen genau an den Punkten des Sterns freizusetzen.
Nanofabriken, die Drogen in situ machen
Wissenschaftler entdecken, dass proteinbasierte Medikamente sehr nützlich sind, weil sie so programmiert werden können, dass sie bestimmte Signale an Zellen liefern. Aber das Problem mit der konventionellen Lieferung solcher Drogen ist, dass der Körper die meisten von ihnen bricht, bevor sie ihr Ziel erreichen.
Aber was, wenn es möglich wäre, solche Medikamente direkt am Zielort in situ herzustellen? Nun, in einer aktuellen Ausgabe von NanoLetters zeigen Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA, wie es möglich ist, genau das zu tun. In ihrer Proof-of-Principle-Studie demonstrieren sie die Machbarkeit von sich selbst zusammensetzenden "Nanofabriken", die Proteinverbindungen bei Bedarf an Zielorten herstellen. Bis jetzt haben sie die Idee bei Mäusen getestet, indem sie Nanopartikel entwickelten, die so programmiert waren, dass sie entweder grünes fluoreszierendes Protein (GFP) oder Luciferase, die UV-Licht ausgesetzt waren, produzierten.
Das MIT-Team kam auf die Idee, einen Weg zu finden, metastatische Tumore, die aus Krebszellen stammen und von der ursprünglichen Stelle in andere Teile des Körpers wandern, anzugreifen. Über 90% der Krebstodesfälle sind auf metastasierenden Krebs zurückzuführen. Sie arbeiten jetzt an Nanopartikeln, die potenzielle Krebsmedikamente synthetisieren können, und auch an anderen Möglichkeiten, sie zu aktivieren.
Nanofasern
Nanofasern sind Fasern mit Durchmessern von weniger als 1000 nm. Medizinische Anwendungen umfassen spezielle Materialien für Wundverbände und chirurgische Textilien, Materialien für Implantate, Tissue Engineering und künstliche Organkomponenten.
Nanofasern aus Kohlenstoff sind auch für die medizinische Bildgebung und präzise wissenschaftliche Messinstrumente vielversprechend. Aber es gibt große Herausforderungen zu überwinden, eine der wichtigsten ist, wie man sie konsequent der richtigen Größe zu machen. Historisch gesehen war dies kosten- und zeitintensiv.
Aber letztes Jahr enthüllten Forscher der North Carolina State University, wie sie eine neue Methode zur Herstellung von Kohlenstoffnanofasern bestimmter Größe entwickelt hatten. Im März 2011 schrieben sie in ACS Applied Materials & Interfaces, wie sie Kohlenstoffnanofasern im Durchmesser gleichmäßig wachsen ließen, indem sie Nickel-Nanopartikel mit einer Schale aus Liganden, kleine organische Moleküle mit funktionellen Teilen, die direkt an Metalle binden, verwendeten.
Nickel-Nanopartikel sind besonders interessant, weil sie bei hohen Temperaturen dazu beitragen, Kohlenstoff-Nanofasern zu züchten. Die Forscher fanden auch einen weiteren Vorteil bei der Verwendung dieser Nanopartikel, sie könnten definieren, wo die Nanofasern wuchsen, und durch korrekte Platzierung der Nanopartikel könnten sie die Nanofasern in einem gewünschten spezifischen Muster wachsen lassen: ein wichtiges Merkmal für nützliche Nano-Materialien.
Blei ist ein weiterer Stoff, der als Nanofaser Verwendung findet, so dass der Neurochirurg Matthew MacEwan, der an der medizinischen Fakultät der Universität von St. Louis studiert, seine eigene nanomedizinische Firma gründete, um das verwendete chirurgische Netz zu revolutionieren in Operationssälen weltweit.
Das Hauptprodukt ist ein synthetisches Polymer, das aus einzelnen Nanofaser-Strängen besteht. Es wurde entwickelt, um Gehirn- und Rückenmarkverletzungen zu reparieren, aber MacEwan glaubt, dass es auch zur Heilung von Hernien, Fisteln und anderen Verletzungen eingesetzt werden könnte.
Gegenwärtig sind die chirurgischen Netze, die verwendet werden, um die schützende Membran, die das Gehirn und das Rückenmark bedeckt, zu reparieren, aus dickem und steifem Material hergestellt, mit dem schwierig zu arbeiten ist. Das führende Nanofasergewebe ist dünner, flexibler und eher in das körpereigene Gewebe zu integrieren, sagt MacEwan. Jeder Faden des Nanofasergewebes ist tausendmal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Zelle. Die Idee besteht darin, das Nanofasermaterial nicht nur dazu zu verwenden, Operationen für Chirurgen einfacher durchzuführen, sondern auch so, dass es weniger postoperative Komplikationen für Patienten gibt. weil es im Laufe der Zeit natürlich zusammenbricht.
Forscher des Polytechnic Institute der New York University (NYU-Poly) haben kürzlich einen neuen Weg aufgezeigt, wie man aus Proteinen Proteine herstellen kann. Vor kurzem haben die Forscher in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials berichtet, dass sie fast zufällig auf ihre Entdeckung stießen: Sie untersuchten bestimmte zylinderförmige Proteine aus Knorpel, als sie bemerkten, dass in hohen Konzentrationen einige der Proteine spontan zusammenkamen und sich selbst zusammenfügten Intonanofasern.
Sie führten weitere Experimente durch, z. B. das Hinzufügen von Metall-erkennenden Aminosäuren und verschiedenen Metallen, und fanden heraus, dass sie die Faserbildung steuern, ihre Form verändern und an kleine Moleküle binden können. Zum Beispiel verwandelte die Zugabe von Nickel die Fasern in klumpige Matten, die verwendet werden könnten, um die Freisetzung eines angehängten Arzneimittelmoleküls auszulösen.
Die Forscher hoffen, dass diese neue Methode die Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Krebs, Herzerkrankungen und Alzheimer-Krankheit erheblich verbessern wird. Sie können auch Anwendungen bei der Regeneration von menschlichem Gewebe, Knochen und Knorpel sehen, und sogar als eine Möglichkeit zur Entwicklung von leistungsfähigeren Mikroprozessoren für Computer und Unterhaltungselektronik.
Eine schematische Darstellung, die zeigt, wie Nanopartikel oder andere Krebsmedikamente zur Behandlung von Krebs verwendet werden können. Diese Abbildung wurde für das Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology gemacht
Was ist mit der Zukunft und den Sorgen um Nanomaterialien?
In den letzten Jahren hat sich die Zahl der Studien, die die Vielfalt der medizinischen Anwendungen von Nanotechnologie und Nanomaterialien zeigen, explosionsartig ausgeweitet. In diesem Artikel haben wir nur einen kleinen Querschnitt dieses riesigen Feldes gesehen. Auf der ganzen Linie bestehen jedoch große Herausforderungen, von denen die größten darin zu sehen sind, wie die Produktion von Materialien und Werkzeugen zu steigern ist und wie Kosten und Zeitpläne reduziert werden können.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, das Vertrauen der Öffentlichkeit in die schnell wachsende Technologie schnell zu sichern. Und es ist bisher nicht klar, ob das gemacht wird.
Es gibt Stimmen, die vermuten, dass die Bedenken hinsichtlich der Nanotechnologie übertrieben sind. Sie weisen darauf hin, dass Nanomaterialien nicht nur gefährlich sind, sondern Nanomaterialien seit der Entstehung der Erde existieren, wie sie beispielsweise in Vulkanasche und Meeresspray vorkommen. Als Nebenprodukte menschlicher Aktivität sind sie seit der Steinzeit in Rauch und Ruß präsent.
Von den Versuchen, die Sicherheit von Nanomaterialien zu untersuchen, sagt das National Cancer Institute in den USA, dass es so viele Nanopartikel gibt, die natürlicherweise in der Umwelt vorkommen, dass sie "oft in der Größenordnung höherer Niveaus liegen als die konstruierten Partikel". In vielerlei Hinsicht weisen sie darauf hin, dass "die meisten manipulierten Nanopartikel weit weniger toxisch sind als Haushaltsreinigungsmittel, Insektizide, die bei Haustieren verwendet werden, und frei verkäufliche Schuppenmittel" und das zum Beispiel bei der Verwendung als Träger von Chemotherapeutika bei der Krebsbehandlung sind sie viel weniger giftig als die Drogen, die sie tragen.
Es ist vielleicht eher im Lebensmittelsektor, dass wir eine der größten Expansion von Nanomaterialien auf kommerzieller Ebene gesehen haben. Obwohl die Anzahl von Lebensmitteln, die Nanomaterialien enthalten, noch klein ist, scheint es sich in den nächsten Jahren mit der Entwicklung der Technologie zu ändern. Nanomaterialien werden bereits verwendet, um den Fett- und Zuckergehalt zu senken, ohne den Geschmack zu verändern, oder um die Verpackung zu verbessern, damit Lebensmittel länger frisch bleiben, oder um den Verbrauchern zu sagen, wenn das Essen verdorben ist. Sie werden auch verwendet, um die Verfügbarkeit von Nährstoffen zu erhöhen (zum Beispiel in Nahrungsergänzungsmitteln).
Aber es gibt auch besorgte Parteien, die betonen, dass, während das Tempo der Forschung zunimmt und sich der Markt für Nanomaterialien ausdehnt, es anscheinend nicht genug getan wird, um ihre toxikologischen Konsequenzen zu entdecken.
Dies war die Ansicht eines Wissenschafts- und Technologieausschusses des Oberhauses des britischen Parlaments, der in einem kürzlich veröffentlichten Bericht über Nanotechnologie und Lebensmittel mehrere Bedenken in Bezug auf Nanomaterialien und die menschliche Gesundheit, insbesondere das Risiko durch eingenommene Nanomaterialien, aufwarf.
Ein Bereich, der das Komitee betrifft, ist zum Beispiel die Größe und außergewöhnliche Mobilität von Nanopartikeln: Sie sind klein genug, um verschleimt Zellmembranen der Darmschleimhaut zu durchdringen, mit dem Potenzial, auf das Gehirn und andere Teile des Körpers zuzugreifen und sogar innerhalb der Zellkerne.
Ein anderes ist die Löslichkeit und Beständigkeit von Nanomaterialien. Was passiert zum Beispiel mit unlöslichen Nanopartikeln? Wenn sie nicht abgebaut und verdaut oder abgebaut werden können, besteht dann die Gefahr, dass sie Organe ansammeln und schädigen? Man geht davon aus, dass Nanomaterialien, die anorganische Metalloxide und Metalle enthalten, in diesem Bereich am wahrscheinlichsten sind.
Aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Masse-Verhältnisses sind Nanopartikel auch hochreaktiv und können zum Beispiel als bisher unbekannte chemische Reaktionen auslösen oder durch Bindung mit Toxinen in Zellen eindringen, zu denen sie sonst keinen Zugang hätten.
So schaffen Nanomaterialien mit ihrer großen Oberfläche, Reaktivität und elektrischen Ladung die Voraussetzung für das, was aufgrund physikalischer Kräfte und "Teilchenagglomeration" aufgrund chemischer Kräfte als "Partikelaggregation" bezeichnet wird, so dass sich einzelne Nanopartikel zu größeren zusammenlagern. Dies könnte nicht nur zu dramatisch größeren Teilchen führen, zum Beispiel im Darm und in den Zellen, sondern auch zu einer Desaggregation von Nanopartikeln, die ihre physikalischen Eigenschaften und chemische Reaktivität radikal verändern könnten.
"Solche reversiblen Phänomene tragen zu der Schwierigkeit bei, das Verhalten und die Toxikologie von Nanomaterialien zu verstehen", so das Komitee, dessen allgemeine Schlussfolgerung darin liegt, dass weder die Regierung noch die Forschungsräte der Forschung zur Sicherheit der Nanotechnologie genügend Priorität einräumen Nanomaterialien können entwickelt werden ".
Sie empfehlen, dass noch viel mehr Forschung betrieben werden muss, um "sicherzustellen, dass Regulierungsbehörden die Sicherheit von Produkten wirksam bewerten können, bevor sie auf den Markt gelangen dürfen".
Es scheint daher, ob tatsächlich oder wahrgenommen, das potenzielle Risiko, das die Nanotechnologie für die menschliche Gesundheit darstellt, untersucht und als untersucht betrachtet werden muss. Die meisten Nanomaterialien werden sich, wie das NCI nahelegt, als harmlos erweisen.
Aber wenn eine Technologie schnell voranschreitet, müssen Wissen und Kommunikation über ihre Sicherheit Schritt halten, damit sie von Nutzen ist, insbesondere wenn sie auch das Vertrauen der Öffentlichkeit sichern soll. Wir müssen nur schauen, was passiert ist und in gewissem Maße noch immer mit genetisch veränderten Lebensmitteln geschieht, um zu sehen, wie das schief gehen kann.
Geschrieben von Catharine Paddock
