Наномедицина - Nanomedicine

Наномедицина - это медицинское применение нанотехнологий . Наномедицина варьируется от медицинских применений наноматериалов и биологических устройств до наноэлектронных биосенсоров и даже возможных будущих применений молекулярных нанотехнологий, таких как биологические машины . Текущие проблемы наномедицины включают понимание вопросов, связанных с токсичностью и воздействием на окружающую среду наноразмерных материалов (материалов, структура которых находится в масштабе нанометров, то есть миллиардных долей метра ).

Функциональные возможности могут быть добавлены к наноматериалам путем сопряжения их с биологическими молекулами или структурами. Размер наноматериалов аналогичен размеру большинства биологических молекул и структур; поэтому наноматериалы могут быть полезны как для биомедицинских исследований in vivo, так и in vitro, а также для их применения. К настоящему времени интеграция наноматериалов с биологией привела к разработке диагностических устройств, контрастных веществ, аналитических инструментов, приложений физиотерапии и средств доставки лекарств.

Наномедицина стремится в ближайшем будущем предоставить ценный набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств. Национальная инициатива по нанотехнологиям ожидает новых коммерческих приложений в фармацевтической промышленности , которые могут включать в себя передовые системы доставки лекарственных средств, новых методов лечения, а также в естественных условиях визуализации. Исследования в области наномедицины финансируются из программы Общего фонда национальных институтов здравоохранения США, поддерживающей четыре центра разработки наномедицины.

Продажи наномедицины достигли 16 миллиардов долларов в 2015 году, при этом минимум 3,8 миллиарда долларов ежегодно инвестируются в НИОКР в области нанотехнологий. Глобальное финансирование новых нанотехнологий увеличивалось на 45% в год в последние годы, при этом объем продаж продукции превысил 1 триллион долларов в 2013 году. Ожидается, что по мере того, как отрасль наномедицины продолжает расти, она окажет значительное влияние на экономику.

Доставки лекарств

Наночастицы (вверху) , липосомы (в центре) и дендримеры (внизу) - это некоторые наноматериалы, которые исследуются для использования в наномедицине.

Нанотехнологии предоставили возможность доставлять лекарства к конкретным клеткам с помощью наночастиц. Общее потребление лекарственного средства и побочные эффекты могут быть значительно снижены путем внесения активного агента только в болезненную область и не в более высоких дозах, чем необходимо. Адресная доставка лекарств предназначена для уменьшения побочных эффектов лекарств с одновременным снижением потребления и расходов на лечение. Доставка лекарств направлена ​​на максимизацию биодоступности как в определенных местах тела, так и в течение определенного периода времени. Это потенциально может быть достигнуто путем нацеливания на молекулы с помощью устройств наноинженерии. Преимущество использования наномасштаба для медицинских технологий заключается в том, что устройства меньшего размера менее инвазивны и могут быть имплантированы внутрь тела, а время биохимической реакции намного короче. Эти устройства быстрее и более чувствительны, чем обычные устройства для доставки лекарств. Эффективность доставки лекарств с помощью наномедицины в значительной степени основана на: а) эффективном инкапсулировании лекарств, б) успешной доставке лекарства в намеченную область тела и в) успешном высвобождении лекарства. К 2019 году на рынке появилось несколько препаратов для доставки наночастиц.

Системы доставки лекарств, наночастицы на основе липидов или полимеров, могут быть разработаны для улучшения фармакокинетики и биораспределения лекарства. Однако фармакокинетика и фармакодинамика наномедицины сильно различаются у разных пациентов. Созданные таким образом, чтобы избежать защитных механизмов организма, наночастицы обладают полезными свойствами, которые можно использовать для улучшения доставки лекарств. Разрабатываются сложные механизмы доставки лекарств, в том числе возможность попадания лекарств через клеточные мембраны в цитоплазму клетки . Триггерный ответ - это один из способов более эффективного использования молекул лекарства. Наркотики помещаются в тело и активируются только при обнаружении определенного сигнала. Например, лекарство с плохой растворимостью будет заменено системой доставки лекарственного средства, в которой существует как гидрофильная, так и гидрофобная среда, улучшая растворимость. Системы доставки лекарств также могут предотвращать повреждение тканей за счет регулируемого высвобождения лекарств; снизить скорость выведения лекарств; или уменьшить объем распределения и уменьшить воздействие на нецелевые ткани. Однако биораспределение этих наночастиц по-прежнему несовершенно из-за сложных реакций хозяина на нано- и микроскопические материалы и сложности нацеливания на определенные органы в организме. Тем не менее, большая работа все еще продолжается, чтобы оптимизировать и лучше понять потенциал и ограничения систем наночастиц. Хотя развитие исследований доказывает, что нацеливание и распространение могут быть усилены наночастицами, опасность нанотоксичности становится важным следующим шагом в дальнейшем понимании их использования в медицине. Токсичность наночастиц варьируется в зависимости от размера, формы и материала. Эти факторы также влияют на образование скоплений и повреждение органов, которое может произойти. Наночастицы созданы для длительного существования, но это заставляет их задерживаться в органах, особенно в печени и селезенке, поскольку они не могут быть расщеплены или выведены из организма. Наблюдалось, что это накопление не поддающегося биологическому разложению материала вызывает повреждение органов и воспаление у мышей. Магнитная адресная доставка магнитных наночастиц к месту опухоли под действием неоднородных стационарных магнитных полей может привести к усиленному росту опухоли. Чтобы избежать канцерогенных эффектов, следует использовать переменные электромагнитные поля .

Наночастицы изучаются на предмет их способности снижать устойчивость к антибиотикам или для различных противомикробных применений. Наночастицы также можно использовать для обхода механизмов множественной лекарственной устойчивости (МЛУ).

Исследуемые системы

Достижения в липидной нанотехнологии сыграли важную роль в разработке медицинских наноустройств и новых систем доставки лекарств, а также в разработке сенсорных приложений. Другая система доставки микроРНК, находящаяся в стадии предварительного исследования, - это наночастицы, образованные путем самосборки двух различных микроРНК, нарушенных при раке. Одно из потенциальных приложений основано на небольших электромеханических системах, таких как наноэлектромеханические системы, которые исследуются на предмет активного высвобождения лекарств и датчиков для возможного лечения рака с помощью наночастиц железа или золотых оболочек.

Приложения

Некоторые препараты на основе нанотехнологий, которые коммерчески доступны или проходят клинические испытания на людях, включают:

  • Abraxane , одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для лечения рака груди , немелкоклеточного рака легких (NSCLC) и рака поджелудочной железы , представляет собой паклитаксел, связанный с альбумином в виде наночастиц.
  • Доксил был первоначально одобрен FDA для лечения саркомы Капоши, связанной с ВИЧ . В настоящее время он также используется для лечения рака яичников и множественной миеломы. Препарат заключен в липосомы , что помогает продлить жизнь распространяемого препарата. Липосомы представляют собой самособирающиеся сферические замкнутые коллоидные структуры, состоящие из липидных бислоев, окружающих водное пространство. Липосомы также помогают увеличить функциональность и уменьшить вред, который препарат наносит сердечным мышцам.
  • Onivyde, инкапсулированный в липосомы иринотекан для лечения метастатического рака поджелудочной железы, был одобрен FDA в октябре 2015 года.
  • Рапамун - это препарат на основе нанокристаллов, который был одобрен FDA в 2000 году для предотвращения отторжения органов после трансплантации. Компоненты нанокристаллов обеспечивают повышенную растворимость и скорость растворения лекарств, что приводит к улучшенному всасыванию и высокой биодоступности.
  • Кабенува одобрен FDA как инъекционная нано-суспензия каботегравира с расширенным высвобождением, плюс инъекционная нано-суспензия рилпивирина с расширенным высвобождением. Он показан в качестве полной схемы лечения ВИЧ-1-инфекции у взрослых, чтобы заменить текущую антиретровирусную схему у тех, кто вирусологически подавлен (РНК ВИЧ-1 менее 50 копий на мл) на стабильную антиретровирусную схему без истории болезни. неэффективность лечения и отсутствие известной или предполагаемой резистентности к каботегравиру или рилпивирину . Это первая одобренная FDA полная инъекционная схема для взрослых, инфицированных ВИЧ-1, которая вводится один раз в месяц.

Визуализация

Визуализация in vivo - еще одна область, в которой разрабатываются инструменты и устройства. Используя контрастные вещества в виде наночастиц , изображения, такие как ультразвук и МРТ, имеют благоприятное распределение и улучшенный контраст. При визуализации сердечно-сосудистой системы наночастицы могут помочь визуализировать объединение крови, ишемию, ангиогенез , атеросклероз и очаговые области, в которых присутствует воспаление.

Небольшой размер наночастиц наделяет их свойствами, которые могут быть очень полезны в онкологии , особенно при визуализации. Квантовые точки (наночастицы со свойствами квантового ограничения, такими как излучение света с регулируемым размером), при использовании в сочетании с МРТ (магнитно-резонансная томография), могут создавать исключительные изображения участков опухоли. Наночастицы из селенида кадмия ( квантовые точки ) светятся при воздействии ультрафиолетового света. При инъекции они проникают в раковые опухоли . Хирург может увидеть светящуюся опухоль и использовать ее в качестве ориентира для более точного удаления опухоли. Эти наночастицы намного ярче органических красителей, и для их возбуждения нужен только один источник света. Это означает, что использование флуоресцентных квантовых точек может обеспечить более контрастное изображение и при меньших затратах, чем современные органические красители, используемые в качестве контрастных сред . Обратной стороной, однако, является то, что квантовые точки обычно состоят из довольно токсичных элементов, но эту проблему можно решить с помощью флуоресцентных примесей.

Отслеживание движения может помочь определить, насколько хорошо распределяются лекарства или как метаболизируются вещества. Сложно отследить небольшую группу клеток по всему телу, поэтому ученые использовали окраску клеток. Эти красители нужно было возбуждать светом определенной длины волны, чтобы они загорелись. Хотя красители разного цвета поглощают свет с разной частотой, необходимо было столько же источников света, сколько клеток. Обойти эту проблему можно с помощью люминесцентных меток. Эти метки представляют собой квантовые точки, прикрепленные к белкам, проникающим через клеточные мембраны. Точки могут быть произвольного размера, могут быть изготовлены из биоинертного материала, и они демонстрируют наноразмерное свойство, заключающееся в том, что цвет зависит от размера. В результате размеры выбираются таким образом, чтобы частота света, используемого для создания флуоресценции группы квантовых точек, была даже кратной частоте, необходимой для накаливания другой группы. Тогда обе группы могут быть освещены одним источником света. Они также нашли способ вставить наночастицы в пораженные части тела, чтобы эти части тела светились, показывая рост или уменьшение опухоли, а также проблемы с органами.

Зондирование

Нанотехнология на кристалле - еще одно измерение технологии лаборатории на кристалле . Магнитные наночастицы, связанные с подходящим антителом, используются для мечения определенных молекул, структур или микроорганизмов. В частности, наночастицы кремнезема инертны с фотофизической точки зрения и могут накапливать большое количество красителей внутри оболочки наночастиц. Наночастицы золота, помеченные короткими сегментами ДНК, можно использовать для обнаружения генетической последовательности в образце. Многоцветное оптическое кодирование для биологических анализов было достигнуто за счет встраивания квантовых точек разного размера в полимерные микрошарики . Технология нанопор для анализа нуклеиновых кислот преобразует последовательности нуклеотидов непосредственно в электронные подписи.

Сенсорные тестовые чипы, содержащие тысячи нанопроволок, способных обнаруживать белки и другие биомаркеры, оставленные раковыми клетками, могут позволить обнаруживать и диагностировать рак на ранних стадиях по нескольким каплям крови пациента. Нанотехнологии помогают продвигать использование артроскопов , устройств размером с карандаш, которые используются в хирургических операциях с использованием света и фотоаппаратов, чтобы хирурги могли проводить операции с меньшими разрезами. Чем меньше разрезы, тем быстрее время заживления, что лучше для пациентов. Это также помогает найти способ сделать артроскоп меньше, чем прядь волос.

Исследования в области диагностики рака на основе наноэлектроники могут привести к появлению тестов, которые можно будет проводить в аптеках . Результаты обещают быть очень точными, а продукт - недорогим. Они могут взять очень небольшое количество крови и обнаружить рак в любом месте тела примерно за пять минут с чувствительностью, которая в тысячу раз лучше, чем у обычных лабораторных тестов. Эти устройства, построенные на основе нанопроволоки, позволяют обнаруживать раковые белки; Каждый детектор на основе нанопроволоки настроен на чувствительность к разным маркерам рака. Самым большим преимуществом детекторов на основе нанопроволоки является то, что они могут тестировать от десяти до ста схожих медицинских состояний без увеличения стоимости тестирующего устройства. Нанотехнологии также помогли персонализировать онкологию для обнаружения, диагностики и лечения рака. Теперь его можно адаптировать к индивидуальной опухоли для повышения эффективности. Они нашли способы воздействовать на определенную часть тела, пораженную раком.

Лечение сепсиса

В отличие от диализа, который работает по принципу диффузии растворенных веществ в зависимости от размера и ультрафильтрации жидкости через полупроницаемую мембрану , очистка наночастицами позволяет специфически воздействовать на вещества. Кроме того, можно удалить более крупные соединения, которые обычно не подвергаются диализу.

Процесс очистки основан на функционализированном оксиде железа или покрытых углеродом металлических наночастицах с ферромагнитными или суперпарамагнитными свойствами. Связывающие агенты, такие как белки , антибиотики или синтетические лиганды , ковалентно связаны с поверхностью частицы. Эти связывающие агенты способны взаимодействовать с целевыми видами, образуя агломерат. Применение градиента внешнего магнитного поля позволяет воздействовать на наночастицы силой. Следовательно, частицы могут быть отделены от основной жидкости, тем самым очищая ее от загрязнений.

Малый размер (<100 нм) и большая площадь поверхности функционализированных наномагнетиков приводят к преимуществам по сравнению с гемоперфузией , которая является клинически используемым методом очистки крови и основана на поверхностной адсорбции . Эти преимущества заключаются в высокой загрузке и доступности связывающих агентов, высокой селективности по отношению к целевому соединению, быстрой диффузии, небольшому гидродинамическому сопротивлению и низкой дозировке.

Тканевая инженерия

Нанотехнология может использоваться как часть тканевой инженерии, чтобы помочь воспроизвести, восстановить или изменить форму поврежденной ткани с использованием подходящих каркасов на основе наноматериалов и факторов роста. Тканевая инженерия в случае успеха может заменить традиционные методы лечения, такие как трансплантация органов или искусственные имплантаты. Наночастицы, такие как графен, углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, используются в качестве усиливающих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу при низких концентрациях (~ 0,2 мас.%) Приводит к значительному улучшению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы в качестве нового, механически прочного и легкого композитного материала в качестве костных имплантатов.

Например, было продемонстрировано, что сварщик мяса соединяет два куска куриного мяса в один кусок, используя суспензию покрытых золотом нанооболочек, активируемых инфракрасным лазером. Его можно использовать для сварки артерий во время операции. Другой пример - нанонефрология , применение наномедицины для лечения почек.

Медицинское оборудование

Нейроэлектронный интерфейс - это дальновидная цель, связанная с созданием наноустройств, которые позволят объединять компьютеры и связывать их с нервной системой. Эта идея требует создания молекулярной структуры, которая позволит контролировать и обнаруживать нервные импульсы с помощью внешнего компьютера. Стратегия с заправкой подразумевает, что энергия пополняется постоянно или периодически с помощью внешних звуковых, химических, привязанных, магнитных или биологических источников электроэнергии, в то время как стратегия без заправки подразумевает, что вся энергия берется из внутреннего накопителя энергии, который остановится, когда вся энергия будет истощена. Был разработан наноразмерный ферментный биотопливный элемент для автономных наноустройств, который использует глюкозу из биожидкостей, включая человеческую кровь и арбузы. Одним из ограничений этого нововведения является тот факт, что возможны электрические помехи, утечка или перегрев из-за потребляемой мощности. Монтаж конструкции крайне затруднен, поскольку они должны располагаться точно в нервной системе. Структуры, обеспечивающие интерфейс, также должны быть совместимы с иммунной системой организма.

Машины для ремонта клеток

Молекулярная нанотехнология - это спекулятивное подразделение нанотехнологии, касающееся возможности разработки молекулярных ассемблеров , машин, которые могут переупорядочивать материю в молекулярном или атомном масштабе. Наномедицина будет использовать этих нанороботов , введенных в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология в высшей степени теоретическая, она стремится предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить повестку дня для будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы , намного превосходят существующие возможности. Будущие достижения в области наномедицины могут привести к продлению жизни за счет восстановления многих процессов, которые, как считается, ответственны за старение. К. Эрик Дрекслер , один из основателей нанотехнологий, постулировал машины для восстановления клеток, в том числе те, которые работают внутри клеток и использующие пока еще гипотетические молекулярные машины , в своей книге 1986 года « Двигатели созидания» , в которой впервые появилось техническое обсуждение медицинских нанороботов Робертом Фрейтасом. в 1999 году. Раймонд Курцвейл , футурист и трансгуманист , заявил в своей книге «Сингулярность близка», что он считает, что передовые медицинские нанороботы могут полностью устранить последствия старения к 2030 году. По словам Ричарда Фейнмана , это был его бывший аспирант и соратник Альберт Хиббс, который первоначально предложил ему (около 1959 г.) идею медицинского использования теоретических микромашин Фейнмана (см. Нанотехнологии ). Хиббс предположил, что однажды некоторые ремонтные машины могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что теоретически можно будет (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея была воплощена в эссе Фейнмана 1959 года . Внизу много места .

Смотрите также

использованная литература