Νανοσωματίδια και εφαρμογές τους στην βιολογία

Παρουσίαση με θέμα: "Νανοσωματίδια και εφαρμογές τους στην βιολογία"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Νανοσωματίδια και εφαρμογές τους στην βιολογία
Φιλίππου Παναγιώτης-Χαρίλαος

2 Νανοσωματίδια στη καθημερινή ζωή
Καταλύτες Δεσμευτές ρύπων Αντιηλιακά (TiO2) Kρέμες Επικάλυψη πρόσθετων μελλών

3 Νανοτεχνολογία είναι η δημιουργία νέων υλικών, διαδικασιών και συσκευών που βασίζονται στην ελεγχόμενη διάταξη ατόμων / μορίων, με αντικειμενικό σκοπό την χρήση των νέων ιδιοτήτων υλικών με διαστάσεις στην κλίμακα του νανομέτρου. Η φυσική είναι διαφορετική. Νέες ιδιότητες εμφανίζονται καθώς κβαντικά φαινόμενα είναι παρόντα σε αυτές τις διαστάσεις και τα ηλεκτρόνια κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα σε νανοσύρματα, τρανζίστορ εργάζονται με μεγαλύτερη ταχύτητα, αντικείμενα νανοδιαστάσεων κολλάνε με μεγαλύτερη ευκολία καθόσον οι δυνάμεις Van der Waals είναι η κυρίαρχη δύναμη και το φως αλληλεπιδρά διαφορετικά με αντικείμενα νανοδιαστάσεων

4

5 Ιατρική και βιοτεχνολογία
Mέγεθος νανοσωματιδίων παρόμοιο με τα βασικά μοριακά δομικά στοιχεία. Xρησιμοποιώντας σωματίδια ή συσκευές μεγέθους νανομέτρων έχουμε καταφέρει να α) επιταχύνουμε τη μελέτη γονιδιακού κώδικα β) να χρησιμοποιήσουμε νανοσωματίδια για μεταφορά φαρμάκων γ) να επιτύχουμε με τοπική μαγνητική υπερθερμία και την καταστροφή καρκινικών κυττάρων δ) να κατασκευάσουμε γρήγορα διαγνωστικά με δυνατότητες ταυτόχρονης ανίχνευσης δεκάδων διαφορετικών ιδιοτήτων - παραμέτρων ε) να ενισχύσουμε την διακριτική ικανότητα σημάτων από αξονική τομογραφία με αποτέλεσμα την πρώιμη διάγνωση ασθενειών.

6 Τα νανοσωματίδια, που περιέχουν μόρια που απενεργοποιούν κάποια γονίδια, μπορούν να εμποδίσουν την καρκινική ανάπτυξη, Μεταφορά siRNA σε όγκους με ένα πολυμερές από κυκλοδεξτρίνη για ενθυλάκωση του siRNA. Το ηλεκτρικό φορτίο πάνω στα νανοσωματίδια συγκρατούσε και συνέπτυσσε το DNA, προστατεύοντάς το έτσι από την ενζυματική πέψη στο κυτταρικό περιβάλλον. Καθιστούν ασφαλή και την ενδοκυτταρική βιοαποικοδόμηση των νανοσωματιδίων. (Νανοσωματίδια με την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη διείσδυσαν σε καλλιεργούμενα νεφρικά κύτταρα πιθήκου, επέδωσαν το DNA που μετέφεραν, και ο γονιδιακός μετασχηματισμός στέφθηκε με επιτυχία).

7 Νανοσωματίδια εισέρχονται στο σώμα
Νανοσωματίδια εισέρχονται στο σώμα. Οι ασθενείς οδηγούνται στον μαγνητικό τομογράφο, ο οποίος μελετώντας τη συγκέντρωση των νανοσφαιριδίων πάνω στους λεμφαδένες μπορεί να διαπιστώσει εάν έχει εμφανισθεί νεοπλασία. Ο επικεφαλής της έρευνας, Mukesh Harisinghani, λέει: "Σε κάθε τύπο καρκίνου, οι απορίες είναι δύο: ποια είναι η καλύτερη θεραπευτική αγωγή για τον συγκεκριμένο ασθενή και ποια η μακροχρόνια πρόγνωση για την περίπτωσή του. Με την τεχνική μας θα ξέρουμε την απάντηση χωρίς να χρειάζεται επέμβαση.Η μετάσταση εντοπιζόταν μέχρι σήμερα μόνο μέσω βιοψίας.

8 Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια κατάφεραν να μιμηθούν τη δράση των αιμοπεταλίων δημιουργώντας μικροσκοπικά νανοσωματίδια για τη δημιουργία θρόμβων με τελικό στόχο την αναστολή της παροχής αίματος προς τους καρκινικούς όγκους Μετά την πρόσδεση, τα σωματίδια προκάλεσαν εκλεκτική θρόμβωση που προσέλκυσε περισσότερα νανοσωματίδια. Τα πειράματα έδειξαν ότι εντός ωρών από την ένεση, τα τεχνητά αιμοπετάλια άρχισαν να μπλοκάρουν την παροχή χωρίς να βλάπτουν τους υγιείς ιστούς

9 Μικροσκοπικές κάψουλες από πολυμερή, οι οποίες με την απαραίτητη τελειοποίηση θα μπορούν να λειτουργήσουν ως ένα είδος τεχνητών αιματικών κυττάρων. Οι μικροκάψουλες θα τοποθετούνται μέσα σε κάποιο υγρό το οποίο στη συνέχεια θα διαχέεται στην επιφάνεια που έχει υποστεί ζημιές. Μόλις οι κάψουλες «απλωθούν» σε όλη την επιφάνεια, νανοσωματίδια που θα βρίσκονται στο εσωτερικό τους θα ξεπηδήσουν και θα καλύψουν τις τρύπες, τις ρωγμές και τις ζημιές που έχουν γίνει.

10 Η μεταφορά νανοσωματιδίων με ενσωματωμένα φάρμακα σε καρκινικούς ιστούς μπορεί να γίνει λόγω της αυξημένης διαπερατότητας σε μακρομόρια στα καρκινικά σημεία απ’ότι σε υγιή. Δυσλειτουργία στα λεμφοκύτταρα με αποτέλεσμα εμπλουτισμό υγρής συνοχής στη περιοχή του όγκου. Τελικά προκύπτει συγκέντρωση νανοσωματιδίων στη περιοχή 100 φορές περισσότερη από τους κανονικούς ιστούς.

11 Τα νανοσωματίδια ως φορείς για επιλεγμένη-στοχευμένη θεραπεία
Στόχοι: 1)η αναστολή της αντίδρασης του ανοσοποιητικού μας συστήματος, 2)η αντοχή τους στον οργανισμό 3)η προσκόληση στα καρκινικά κύτταρα, 4)η απελευθέρωση των δραστικών ουσιών τη σωστή στιγμή στο σωστό μέρος.

12 1)επιτυγχάνεται με κατασκευή από συγκεκριμένα υλικά όπως ο χρυσός που είναι βιολογικά αδρανής
2)Υδρόφιλα – υδρόφοβα τμήματα 3)Μονοκλωνικά αντισώματα, πρωτείνες που προσκολώνται σε υποδοχείς που εκφράζονται στα καρκινικά κύτταρα, ολιγοπεπτίδια , λιποσώματα 4)Από μεταβολή θερμοκρασίας,pH,συγκέντρωσης ουσιών που παράγουν τα καρκινικά

13 Βιολογικός στόχος Ολοκληρωτική καταστροφή καρκινικών κυττάρων
Μικρότερος δυνατός ή και καθόλου επηρεασμός υγιών κυττάρων-οργάνων Εύκολη-γρήγορη θεραπευτική αγωγή Μικρές αποτελεσματικές δόσεις Μικρό κόστος

14 Συμβατικές μέθοδοι αντιμετώπισης καρκίνου: χειρούργηση, ακτινοβόληση, χημειοθεραπεία, και βιολογικές θεραπείες. Περιορισμός λόγω πρόσβασης στον όγκο, ρίσκο επέμβασης σε ζωτικό όργανο, εξάπλωση των καρκινικών κυττάρων στο σώμα και η έλλειψη επιλεκτικότητας απέναντι στα κύτταρα του όγκου. Συνήθως χρησιμοποιούνται συνδυασμός των παραπάνω ή και όλες μαζί με την ανοσοθεραπεία για την αντιμετώπιση.

15 Πλεονεκτήματα νανοσωματιδίων
Δυνατότητα στόχευσης συγκεκριμένης περιοχής στο σώμα Μείωση της ποσότητας του φαρμάκου που χρειάζεται στη περιοχή του όγκου. Μείωση της συγκέντρωσης του φαρμάκου στις μη επιθυμητές περιοχές ελαχιστοποιώντας τις «παράπλευρες απώλειες» Μπορούν να δράσουν και σε επίπεδο ιστών και σε επίπεδο κυττάρων(ορισμένα μπορούν να διαπεράσουν την κυτταρική μεμβράνη και να μπουν και στο πυρήνα)

16 Στόχευση όγκων Παθητική
μέσω αγγείων να μεταφερθούν λόγω της υπερ-διαπερατότητάς και με ‘διαρροή’ των αγγείων στην ασθενική περιοχή Ενεργητική βασίζεται στην επιπλέον ή αποκλειστική έκφραση διαφορετικών υποδοχέων και φυσικών χαρακτηριστικών των όγκων.Παράλληλα μικρό μοριακό βάρος, πεπτίδια, πρωτείνες, DNA, θερμοκρασία κ.α.. Σημαντικός παράγοντας το μέγεθος του νανοσωματιδίου

17

18 Επίσης φάρμακα που επηρεάζονται από τη θερμοκρασία, το pH, ηλεκτρικό-μαγνητικό πεδίο, φως, ήχο αναπτύχθηκαν. Έτσι τα νανοσωματίδια με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά φύσης, μεγέθους, τρόπου χορήγησης, επιφάνειας, αντίδρασης σε χημικές-φυσικές μεταβολές συγκεντρώνονται στο επιλεγμένο(ασθενικό) σημείο.

19 νέα μέθοδος κατασκευής
Μικρορευστότητα Καλύτερη απόδοση από μακροσκοπικής κλίμακας συστήματα, μείωση προσφερόμενου έργου, χαμηλό κόστος μαζική παραγωγή Ικανότητα να αναμιγνύονται τα συστατικά γρήγορα, σε ομογενή περιβάλλοντα, συνεχόμενα αλλαγή των συνθηκών αντίδρασης, άμεσος καθορισμός θερμοκρασίας, προσθήκη των συστατικών σε συγκεκριμένη στιγμή και με καθορισμένο ενδιάμεσο διάστημα

20 Έλεγχος των αντιδράσεων στη κλίμακα των millisec οδήγησε στη Παρασκευή νανοσωματιδίων CdSe και Au

21

22 Μαγνητικά νανοσωματίδια για μεταφορά φαρμάκων
Η δυναμικότητα των μαγνητικών νανοσωματιδίων προέρχεται από τις φυσικές ιδιότητες των μαγνητικών τους πυρήνων συνδυασμένο με τη δυνατότητα μεταφοράς φαρμάκων και των βιοχημικών ιδιοτήτων οι οποίες μπορούν να εφαρμοσθούν πάνω τους με την κατάλληλη επικάλυψη.

23 Η σπουδαιότητά τους σχετίζεται με το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων διαφέρουν από αυτά των ακατέργαστων υλικών ίδιας σύνθεσης το οποίο οφείλεται κυρίως στο μέγεθός τους, τις μαγνητικές και ηλεκτρονικές τους ιδιότητες και του ρόλου που διαδραματίζουν τα φαινομένα επιφάνειας όσο μειώνεται το μέγεθος.

24 Τα νανοσωματίδια γενικότερα κατασκευάζονται από άτομα ή μόρια με συντονισμένο τρόπο που κανονίζεται-ρυθμίζεται θερμοδυναμικά και χαρακτηρίζεται ως αυτοσυναρμολόγηση. Μερικές βιοιατρικές εφαρμογές απαιτούν μαγνητικό πυρήνα ή και περίβλημα στα νανοσωμάτια. Αυτά αποτελούνται από οξείδια μετάλλων επικαλυμένα με ανόργανα ή πολυμερικά υλικά. Τα τελευταία αποδίδουν στα σωμάτια βιοσυμβατότητα, σταθερότητα και μπορούν να συγκρατήσουν βιομόρια. Εφαρμογές: Μαγνητικά μέσα προβολής σε Magnetic Resonance Imaging (MRI) Υπερθερμικά μέσα Μαγνητικοί φορείς

25 Μαγνητική μεταφορά φαρμάκων
Paul Ehrlich: αν ένα μέσο μπορούσε επιλεκτικά να στοχεύσει το παράγοντα που προκαλεί την ασθένεια, μαζί με το μέσο θα μπορούσε να μεταφερθεί και μια τοξίνη ικανή να ‘σκοτώσει’ εξειδικευμένα το παράγοντα. μέσο-φορέα ευαίσθητο σε φυσικές διεγέρσεις και με τμήμα αναγνώρισης όγκου ενωμένο με ένα φάρμακο.

26 1960 –Freeman- πρότεινε ότι μαγνητικά νανοσωματίδια δύναται να μεταφερθούν μέσω των αγγείων και να συγκεντρωθούν σε συγκεκριμένη περιοχή του σώματος με τη βοήθεια μαγνητικού πεδίου. Zimmermann και Pilwat το 1976 χρησιμοποίησαν μαγνητικά ερυθροκύτταρα για μεταφορά κυτταροτοξικών ουσιών

27 Widder 1980 περιέγραψε την επιλεκτική στόχευση μαγνητικών μικροσφαιρών που περιείχαν αντικαρκινικά φάρμακα σε ζωικούς οργανισμούς. Hafeli 1994 παρασκεύασε βιοδιασπώμενες πολυμερικές μικροσφαίρες με ενσωματωμένο μαγνήτη και πηγή σωματίων –β (90Υ) με επιτυχή εφαρμογή σε υποδερμικούς όγκους. Lubbe πηγαίνει στη νανο-κλίμακα το 1996.

28 Συνοψίζοντας Ένα φάρμακο ή θεραπευτικό ραδιονουκλίδιο συγκρατείται σε μαγνητικό φορέα, εισάγεται στο σώμα και συγκεντρώνεται στην επιλεγμένη περιοχή με την επιβολή εξωτερικού πεδίου ή την τοποθέτηση εσωτερικά μόνιμου μαγνήτη. Τα σωμάτια απελευθερώνουν την ουσία ή αυξάνουν τοπικά κάποιο φαινόμενο. Η απελευθέρωση γίνεται βάση χημικών μεταβολών πχ/ αλλαγή pH, ενζυματικών εκκρίσεων,μεταβολή θερμοκρασίας καθώς και με μαγνητική εκκίνηση.

29 Δυσκολίες επιλογής κατάλληλων υλικών
Τα πολυμερικά νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται μπορεί να φέρουν εύκολα ειδικευμένα τμήματα αναγνώρισης όμως παρουσιάζουν μειωμένη χημική και μηχανική σταθερότητα. Διακύμανση στο μέγεθος και από τη σύνθεσή τους ακανόνιστες διακλαδώσεις, υψηλό κόστος.

30 Εναλλακτική λύση Δενδρομερή: Επαναλαμβανόμενες μοριακές διακλαδώσεις
Δομική τελειότητα Μεγάλη συμμετρία Πολυδύναμα, συγκροτημένα και δομικώς ελεγχόμενα

31 Διαφορά με πολυμερή Τα δενδρομερή είναι νανοδομές που μπορούν να σχεδιαστούν και κατασκευασθούν με μεγάλη ακρίβεια για ποικιλία εφαρμογών. Είναι τα πρώτα μεγάλα μόρια που έφτιαξε ο άνθρωπος με ακριβή νανο-κλίμακας σύνθεση και καλά χαρακτηρισμένο 3-διάστατο σχήμα. Τα πολυμερή είναι μεγάλα σε μήκος μόρια τα οποία αναπτύσονται σε δυο μόνο διευθύνσεις. Τα δενδρομερή αναπτύσονται σε τρεις διαστάσεις με τη προσθήκη υλικών περιβλήματος σε ένα κεντρικό πυρήνα. Ευρύχωροι πυρήνες με ‘κολώδη’ σημεία στο εξωτερικό όπου διάφορα χημικά μπορούν να προσδεθούν Ρυθμίζοντας τις χημικές ιδιότητες του πυρήνα, του περιβλήματος τα δενδρομερή προσαρμόζονται στις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής.

32

33 Ιδιότητες Αποτελεσματική μεταφορά διαμέσου μεμβρανών membrane transport δυνατότητα μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων Ομοιομορφία-καθαρότητα. Χαμηλή τοξικότητα. Χαμηλή απόκριση του ανοσοποιητικού. Δυσκολία στην καταλληλότητα να μείνουν αρκετά στο αίμα για να βρουν τις στοχευμένες περιοχές αλλά και στην αποβολή τους από το σώμα προς αποφυγή μακροχρόνιας συσσώρευσης

34 περιορισμοί Η βαθμίδα της μαγνήτισης μειώνεται με την απόσταση
Άμεση εξάρτηση αποτελεσματικότητας από το εξωτερικό πεδίο(γεωμετρία αυτού, ένταση και χρόνος εφαρμογής) Μαγνητικό εμφύτευμα- χειρούργηση, δεν εφαρμόζεται οπουδήποτε Μικρό μέγεθος-μικρή εφαρμοζόμενη δύναμη.Πρόβλημα με γρήγορη ροή αίματος.

35 Συχνά απαιτούμενο χαρακτηριστικό ο υπερπαραμαγνητισμός
Ο υπερπαραμαγνητισμός παρουσιάζεται σε μαγνητικά υλικά αποτελούμενα από πολύ μικρούς κρυσταλλίτες. (πχ/ Fe-based nanoparticles γίνονται υπερπαραμαγνητικά σε μεγέθη<25nm) Σ’ένα παραμαγνητικό υλικό η θερμική ενέργεια ξεπερνάει τις δυνάμεις συνοχής γειτονικών ατόμων προκαλώντας τυχαίες διακυμάνσεις στις διευθύνσεις μαγνήτισης με τελικό συνολικό αποτέλεσμα μηδενική μαγνήτιση. Όμως σ’ένα υπερπαραμαγνητικό υλικό οι διακυμάνσεις επηρεάζουν τη διεύθυνση της μαγνήτισης ολόκληρων των κρυσταλλιτών. Κάθε κρυσταλλίτης ξεχωριστά έχει διαφορετική διεύθυνση μαγνήτισης, εξισορροπώντας ο ένας τον άλλο με συνολικό αποτέλεσμα μηδενικής μαγνήτισης.

36 Επομένως έχουμε την εξαφάνιση της μαγνήτισης όταν πάψει το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και αποφεύγονται βιολογικά προβλήματα όπως βλάβη στο αγγειακό σύστημα.

37 Τρόποι χορήγησης Ενδοφλέβια Υποδερμικά Στοματική χορήγηση
Σημαντικό είναι για κάθε τρόπο χορήγησης πως αντιδρά ο οργανισμός, διαδρομή νανοσωματιδίων, χρόνος παραμονής και τρόπος αποβολής από τον οργανισμό

38

39 ενδοφλέβια υποδερμικά Εισάγεται στη κυκλοφορία του αίματος
>200nm φιλτράρονται από τη σπλήνα ενώ εως τα 100nm κυρίως από το ανοσοποιητικό μέσω της φαγοκυττάρωσης υποδερμικά Τοπικός ψεκασμός Συνήθως χρησιμοποιείται με την τεχνική της υπερθερμίας Μέγεθος <60 nm

40 Στοματική χορήγηση Χρησιμοποιούνται με την μαγνητική τομογραφία ως παράγοντες αντίθεσης για την γαστροεντερική διαδρομή. Μεγεθος <50nm διεισδύουν στα επιθήλια και εντερικά κύτταρα ~500nm διαπερνούν τη μεμβράνη των επιθηλιακών

41 Τα νανοσωματίδια προσφέρουν στην αύξηση του βαθμού αντίθεσης της εικόνας για το όργανο ή τη κυκλοφορία του αίματος. Επίσης μειώνουν το χρόνο σάρωσης και δίνουν καλύτερο σήμα.

42 Βιοανάλυση Εκτός της Mri και άλλων τεχνικών
‘χρωματισμένα-ντοπαρισμένα’ νανοσωματίδια Βασίζεται στο φθορισμό Συνήθως χρησιμοποιείται πυρίτιο Εντοπισμός παθογόνων μικροοργανισμών, ανάλυση νουκλεικού οξέος, συστημάτων Σύνδεση αντιγόνο-αντίσωμα , υβριδίωμα νουκλεικού οξέος

43 Επίλογος μοριακές μηχανές που «κολυμπούν» στο ανθρώπινο σώμα και μετρούν διάφορες ουσίες ή και επισκευάζουν ανθρώπινα όργανα νέα υλικά για ρούχα με ιδιότητες που καταστρέφουν τις οσμές που εγκρίνονται από το σώμα ή με μηχανικές και θερμικές ιδιότητες που δεν υπάρχουν σήμερα αποθήκευση πληροφορίας στην αλυσίδα του DNA Υπάρχουν αρκετές επιφυλάξεις που βασίζονται κυρίως σε ελλιπή πληροφόρηση αλλά και στους πιθανούς κινδύνους «μόλυνσης» επειδή τα νανοσωματίδια μπορούν εύκολα να διασκορπιστούν στο περιβάλλον και να προκαλέσουν διάφορες μεταβολές λόγω της δραστικότητάς τους η να εισχωρήσουν στον ανθρώπινο οργανισμό μέσω της αναπνευστικής οδού η μέσω των πόρων του δέρματος.

44 Πηγές- βιβλιογραφία www.nanotoday.com www.nanotsunami.com