Adobe Systems Nanotechnologie a jejich využití v moderní medicíně Vladan Bernard, Biofyzikální ústav LF MU http://g.cz/sites/default/files/g/images/krecek.jpg Fikce Realita versus 20 století současnost Fantastická cesta 1966 Křeček v noční košili 1987 Vnitřní vesmír 1987 Boy and his atom 2013 Úvodem •Nanotechnologie v medicíně - definice: biomedicínská zařízení v měřítku 1 – 100 nm •Velmi multidisciplinární problematika •Příslib: –Nové metody pro prevenci, diagnózu a terapii –Individuální přizpůsobení léčby pacientovi –Nové metody a materiály v laboratorní praxi •Dynamický vývoj •Původ slova nano můžeme dohledat v řeckém jazyce, kde νάνο znamená trpaslík Počátky... •1959 R. Feynman (1918/88) - „There’s plenty room at the bottom“ (Dole je spousta místa) - přednáška přednesená na výročním zasedání American Physical Society poukazovala na možnosti manipulace s materiálem na molekulární úrovni • „Proč bychom nemohli zapsat na špendlíkovou hlavičku všech 24 dílu Encyklopedie Britanniky?“. $1000 - 1960/1985 Feynman-lecture Průkopníci ... •Norio Taniguchi (1912/99) •– Tokijská univerzita – 1974 poprvé použil termín nanotechnology – nanotechnologie • taniguchi "Nano-technology" mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule." TaniguchiSmall Následovatelé … •Mezi prvotní průkopníky na poli výzkumu nanosvěta patří vzpomenout společnost IBM, která investovala nemalé finance do jeho rozvoje a komerčního využití. ibm Komerční sféra ... IBM, 1990 (nikl, xenon, skenovací el. mikroskop) 2012 – nejmenší bit magnetické paměti -12 atomů součástí výstupů experimentů „nejmenší film“ pořízený pomocí skenovacího tunelového mikroskopu „A boy and his atom“ 2013 (www.CSFD.cz – 63% :c) ) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/3/37/A_Boy_and_His_Atom_%28still%29.jpg http://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0 Průkopníci ... IBM - Scanning Tunneling Microscope / řádkovací tunelový mikroskop Výsledek obrázku pro IBM scanning microscope IBM.com Nano... ve světě, vědě a článcích •Počty odkazů na vědecké práce (články, knihy) v databázi SCIENCEDIRECT k datu 2011 x 2012 x 2013 x 2014 x 2015 x 2016 x 2017 x 2018, 2019, 2020 pro hesla: • •Nano – 151 x 209 x 244 x 262 x 251 x 272 x 313 x 406 x 461 x 529 tisíc •Nanomaterials 23 x 35 x 37 x 47 x 64 x 71 x 85 x 101 x 121 x 147 tisíc •Nanoparticles – 90 x 128 x 135 x 167 x 206 x 227 x 266 x 327 x 378 x 443 tisíc •Brain - 1.148 x 1.286 x 1.378 x 1.419 x 1.380 x 1.433 x 1.510 x 1.612 x 1.688 x tisíc • • • • • • • • • • •Google k datu 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020 : • •Nanomaterials – 2 580, 5 230 , 4 720, 5 490, 4 990, 5 420 , 6 320, 15 000, 14 300, 23 900 tisíc •Nanoparticles – 5 670, 12 500 , 11 600, 13 500, 12 800, 14 700, 17 000, 29 000, 38 200, 34 000 tisíc •Brain – 264 000, 649 000, 605 000, 557 000, 509 000, 526 000, 652 000, 958 000, 1 240 000, 960 000 tisíc Jak velký je nanometr? http://htwins.net/scale2/ Nanotechnologie jsou tedy o několik řádů menší než erytrocyt Literární zdroje … •„čtiva dostatečné množství •převážně anglický jazyk •pozor na věrohodnost zdroje ! •zneužití pojmu nano… „HOAX“ • … zde mimo jiné zmíněné i neexistující tzv. RNA nanočástice Definice nanotechnologie •Předmětem zájmu jsou objekty o velikosti menší než 100 nm •Schopnost manipulace a aktivního využívání těchto útvarů a jejich funkcí •Odlišné chování nanotechnologie oproti makrosvětu (kvantové jevy, atomární síly, chemické vazby, ...) • •http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=J15B8ce_BBo • Kritéria „Nanotechnologie je aplikovanou vědou, která se zabývá výrobou a užíváním takových materiálů a částic, k jejichž vzniku je třeba cílených manipulací na úrovni jednotlivých atomů nebo jejich poměrně malých skupin“. Jinou, přesněji charakterizující definicí může být: „Nanotechnologie je obor, věnující se manipulacím s hmotou na atomární a molekulární úrovni. Obecně platí, že nanotechnologie se zabývá vývojem materiálů, zařízení nebo jiných struktur majících alespoň jeden rozměr o velikosti 1-100 nm“. - ve vývoji, proměnná a poplatná místu a času definice dle Medical Device Coordination Group (EU) •„nanomateriálem“ přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší výrobek nebo vyrobený materiál obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1 nm–100 nm;Fullereny, grafenové vločky a jednostěnné uhlíkové nanotrubice s jedním nebo více rozměry pod 1 nm se rovněž považují za nanomateriály; NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (EU) 2017/745 ze dne 5. dubna 2017 o zdravotnických prostředcích, změně směrnice 2001/83/ES, nařízení (ES) č. 178/2002 a nařízení (ES) č. 1223/2009 a o zrušení směrnic Rady 90/385/EHS a 93/42/EHS •NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (EU) 2017/745 zmíněné na předchozí straně vychází z •„Recommendation on the definition of a nanomaterial 2011/696/EU“ • •A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or as an agglomerate and where, for 50 % or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm - 100 nm. •In specific cases and where warranted by concerns for the environment, health, safety or competitiveness the number size distribution threshold of 50 % may be replaced by a threshold between 1 and 50 %. •By derogation from the above, fullerenes, graphene flakes and single wall carbon nanotubes with one or more external dimensions below 1 nm should be considered as nanomaterials. Definice nanomedicíny •je v současné době nejednotná •Dle US National Initiative je nanomedicína aplikací nanotechnologií v medicíně •Definice Europe Science Foundation je jednoznačnější a říká, že „polem působnosti nanomedicíny jsou věda a diagnostické technologie, léčba a prevence nemocí a zranění vedoucí k zmírnění bolesti, zachování a zlepšení lidského zdraví, pomocí nástrojů a znalostí molekulární úrovně lidského těla“. Nanomedicínu lze obecně definovat jako komplexní monitorování, řízení, opravu, ochranu a zlepšování všech lidských biologických systémů, fungujících na molekulární úrovni – a to pomocí cíleně vytvořených nanozařízení a nanostruktur v konečném důsledku vedoucí k zlepšení zdravotního stavu jedince. Vždy poplatné aktuální legislativě Nanosvět kontra makrosvět •Poměr povrchu ku objemu nanočástic se stává v případě zmenšování částic velmi velkým, díky tomu mají nanočástice dostatečný povrch vhodný pro chemické interakce s biomolekulami. (Bio) chemická reakční doba je v tomto případě mnohem kratší (snižuje se ostře s velikostí vzorku) a díky tomu mohou být např. analytické metody rychlejší a citlivější. • •Velmi malá velikost snímací /aktivní/ části (makro- a mikro-) analytického zařízení, např. s nanoelektrodami či nanosenzory může vést k miniaturizaci zařízení. Menší zařízení umožňuje nižší invazivitu a výhledově může být dokonce implantováno v těle pacienta. Další výhodou je miniaturizace aktivní části až na úroveň molekuly, což umožňuje např. v případě biosenzorů provést analýzu ve velmi malém objemu vzorku biologického materiálu. To se stává klíčovým prvkem pro analýzu vzorků, které nejsou dostupné v dostatečném množství, příkladem mohou být např. některé biopsie. • •Významnou roli z pohledu silového působení hrají v případě nanomateriálů kohezní síly (např. interakce vzorku se stěnami kapiláry, malé gravitační síly). • Povrch vs. objem https://www.researchgate.net/profile/Kathirvelu-Subramanian Některé vybrané aplikace a konkrétní příklady nanomateriálů Kategorizace nanomateriálů využívaných v medicíně a „bio-vědách“ dle autorů D.G. Thomas et al. / Journal of Biomedical Informatics 44 (2011) 59–74 Nanoemulze •Jako nanoemulze jsou označovány disperzní soustavy tvořené kapalným disperzním prostředím a kapalným disperzním podílem, navzájem nemísitelným s velikostí disperzních kapiček pod 100 nm. • •Takovéto nanokapičky (obvykle tuky, oleje) tvořící nanoemulzní soustavu mohou sloužit jako nosiče léčiv či jiných látek (např. vitamínů). Pozitiva – cílené doručení, zvýšená vstřebatelnost • •Příprava nanoemulzí zejména působením ultrazvukového pole (např. ultrazvukový desintegrátor) či „pasírováním“ disperze přes piezoelektrické výbrusy s póry S. Swarnalatha, Nanoemulsion drug delivery by ketene based polyester synthesized using electron rich carbon/silica composite surface, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 65 (2008) 292–299 20 nm Řada současných publikací presentuje možnost využití nanoemulzí jako nosičů protinádorových léčiv s cíleným doručením (podmíněno existencí zvýšeného vychytávání např. lipidových kapének nádorovou tkání). ZVÝŠENÍ BIODOSTUPNOSTI TĚŽCE ROZPUSTNÝCH LÉČIVÝCH LÁTEK 1110-16 Nanoemulze Nanoemulze tvořené : disperzní prostředí dest. voda, disperzní podíl lipidy a cholesterol + imunosupresivum, emulgátor alkohol. N. Vaškovicová, 2010, Biofyzikální ústav Lf MU 100 nm na trhu dostupná kosmetika: Nanoemulze Kérastase „Speciální, zcela novou technologií připravené složení přípravku, které okamžitě proniká do nitra vlasu. Obsahuje 7 unikátních patentů! Molekuly nanoemulzi jsou 100 krát menší než mezery mezi šupinkami vlasu a 1500x menší než průřez vlasu. Hloubková péče Kérastase - okamžitá dlouhotrvající intenzivní péče, které vydrží až 5 šamponování. Inovační nanotechnologie Kérastase umožňuje aktivním složkám proniknout do nitra vlasu, vyživit a intenzivně uhladit vlasové vlákno.“ velikost cca 60 nm Nanopouzdra, nanokuličky •Příkladem může být zlaté nanopouzdro, které je tvořeno kulovitou dutou skořápkou z izolantu obalenou vrstvičkou vodiče o tloušťce několika nanometrů. •Změnou tloušťky vrstvičky vodiče lze přesně ladit elektrické a optické vlastnosti nanopouzder, např. přinutit je absorbovat pouze určitou vlnovou délku světla – pak nastává vzrůst teploty. • nano1 Počítačová simulace ukazuje růst zlatého nanopouzdra: křemenné (skleněné) kulovité jádro je pokrýváno vrstvou zlata. Zlato je biokompatibilní, což je činí užitečným pro mnoho lékařských aplikací. Courtesy N. Halas Nanopouzdra, nanokuličky: Lékařská aplikace –Fototermická ablace nádoru •Nanopouzdro je pokryto receptory, které se vážou na nádorové buňky. Nanopouzdra lze jednoduše injikovat do krevního řečiště. Jakmile se dostanou do nádoru, záření z blízké infračervené oblast je aplikováno přes kůži (není příliš absorbováno tkáněmi). Nanopouzdra absorbují IR a mění je s velikou účinností v teplo. Proto se teplota bezprostředního okolí nádorových buněk zvyšuje o 10-20 stupňů a buňky odumírají. Výhoda: nulová toxicita (na rozdíl od chemoterapie), žádné ionizující záření (jako při radioterapii). 2 3 Nanopouzdra, nanokuličky ... •O citlivosti nanokuliček na různé vlnové délky rozhoduje síla zlatého povlaku. Na obrázku jsou výsledky teoretických výpočtů Studie s fototermickou ablací nádoru byly prováděny např. výzkumným týmem Jennifer Westové, Houston. Jádro nanokuličky bylo velké 110 nm, zlatý povlak dosahoval tloušťky 10 nm. Aplikací do suspenze nádorových buněk a následným ozářením laserem v oblasti IR došlo ke zvýšení teploty na 55°C a následně k ztrátě viability této buněčné suspenze. Pokusy byly provedeny taktéž s modifikovanými nanokuličkami, jejichž povrch byl upraven navázáním protilátek, které umožňují specifickou vazbu nanokuličky pouze k nádorové buňce kdekoliv v těle. Dva nádory v těle myši „nasycené“ speciálně vyrobenými „nanokuličkami“ se v těle myši pod vlivem laseru ohřejí (modrá barva zachycuje místa se zvýšenou teplotou) a nádorové buňky hynou. DNA origami •2D DNA origami. Kredit: Rothemund (2006) Nature. 1404795688 Technologie DNA origami, čili skládání dvou a také už i trojrozměrných tvarů z řetězců DNA video Rok 2014 – použití principu DNA origamů k měření vzdáleností meziefrinového receptoru EphA2, který je významný v některých typech rakoviny – „měřidlo“ vytvořeno z řetězce DNA DNA nanopouzdra •Základem těchto struktur jsou dvojrozměrná „plátna“ tvořená řetězci molekul DNA. Na tuto matrix lze uchytit další vrstvu komplementárních vláken DNA a tímto tvořit reliéfní struktury. •Vhodnou kombinací komplementárních vláken DNA lze takovouto plošnou strukturu „poskládat“ např. do tvaru krychle s vnitřní dutinou. 1243588966 Reliér vytvořený plošnou strukturou DNA, výška vrstvy 2-4 nm (Nick Papadakis, P.W.K.R) 1243590111 img1243590628 model 3D struktury a její skutečný kryoelektron mikroskopický obraz (autor obrázku: E S Andersen) Jednou z možností, je využití těchto struktur jako přenašečů léčiva a jeho cílené doručení otevřením pouzdra pomocí enzymatických zámků. DNA nanopouzdra •DNA nanostructures with complex 3D curvatures. (A) Schematic representation of the hemisphere. (B) Schematic representation of the sphere. (C) Schematic representation of the ellipsoid. (D) TEM images of the hemisphere, randomly deposited on TEM grids. The concave surface is visible as a dark area. (E) TEM images of the sphere, randomly deposited on TEM grids. Due to the spherical symmetry, the orientation can not be determined. (F) TEM images of the ellipsoid. The outline of the ellipsoid is visible. Scale bar for the TEM images in (D), (E) and (F) is 50 nm. (G) Schematic representation of the nanoflask. (H) AFM images of the nanoflask. Scale bar is 75 nm. (I) TEM images of the nanoflask, randomly deposited on TEM grids. The cylindrical neck and rounded bottom of the flask are clearly visible in the images. Scale bar is 50 nm. •Han, D. et al. DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space. Science 332, 342–346 (2011). • Dendrimery •Dendrimery jsou polymery globulárního tvaru tvořené větvícími se a opakujícími se jednotkami, které vycházejí z centrálního jádra (jako keřík či sněhová vločka). •Biodendrimery jsou dendrimery tvořené opakujícími se jednotkami, které jsou biokompatibilní nebo biodegradabilní in vivo na přirozené metabolity. •Dutiny nacházející se v dendrimerech mohou být využity jako vazebná místa pro menší molekuly – takto se dendrimer stává efektivním nano-nosičem, nano-nádobkou pro různé molekuly. pglsa-g4 Dendrimery: Lékařské aplikace – multifunkční nano-nosiče (‘platformy’) /class=left width= Fullereny (a nanotrubičky) •Molekuly tvořené uhlíkovými atomy ve tvaru duté koule, elipsoidu, trubičky nebo prstenu. •Válcovité fullereny se často nazývají nanotrubičky. •Nejmenší fulleren je C60 (tj. 60 C atomů)- objev 1985 (70), tvrdší než diamant •Uvnitř fullerenu mohou být uzavřeny jiné atomy •SWNT - single walled nanotubes – nanotrubičky s jednoduchou stěnou – cca 1990 •MWNT - multiwall carbon nanotube – nanotrubičky s vícenásobnou stěnou • fullerene Molekuly s mimořádnou odolností vůči fyzikálním jevům (především tlaku a teplotě). Typická je supravodivost, kterou fullereny vykazují i při teplotách relativně vysoko nad absolutní nulou. Jejich vlastnosti lze jednodušše optimalizovat přidáním jiného prvku do molekuly.Mají také katalytické, antibakteriální a antioxidační účinky. Některé organické deriváty fullerenů se vyznačují též elektrickými a magnetickými vlastnostmi. nanoshel.com TEM snímek uhlíkové nanotrubičky Výsledek obrázku pro carbon nanotube tem Nano-Lab Fullereny (a nanotrubičky) •Tvorba trojrozměrných nanoútvarů není jen doménou uhlíku, tuto schopnost mají i jiné atomy, například molekuly nitridu bóru (BN). Tento materiál také vytváří obdobné útvary jako jsou uhlíkové trubičky, fullereny či prstence, včetně možného uzavření atomu jiného prvku do vytvořeného prostorového útvaru (v tomto případě atom). T. Oku et al. / International Journal of Inorganic Materials 3 (2001) 597 –612 Fullereny a nanotrubičky: Lékařské využití •Katétry vyztužené uhlíkovými nanotrubičkami - jsou 5x pružnější než ocel, 100 x vyšší pevnost, 6 x nižší hmotnost než ocel • •Na základě nanotrubiček připravené „studené“ katody (uvolňují elektrony bez potřeby termoemise). Změní konvenční technologii rentgenek, protože nepotřebují velký příkon a jsou mimořádně trvanlivé. Malé rentgenky využívající nanotrubiček budou použitelné pro intrakavitární terapii a brachyterapii. • •Fulereny obsahující gadolinium jsou 5x účinnějšími kontrastními prostředky pro MRI ve srovnání s nyní používanými. • •Multifunkční platformy: navázání specifických antibiotik na fullereny a jejich zacílení na rezistentní bakterie nebo nádorové buňky – přenašeče, cílené doručení léčiv. • •Současné vědecké poznání hodnotí interakci fulereny/nanotrubičky – lidský organismus jako problematickou, z důvodu jejich možné (nevyvrácené) toxicity a v případě např. samostatných nanotrubiček s ohledem na jejich schopnost „napichování“ všech buněčných a subbuněčných struktur Nanotrubičky - aplikace (budoucnost?) •Hydroxyapatit vykrystalizovaný na podkladu z upravených nanotrubek (University of California, osel.cz) 1126904837 Využití nanotrubiček v lékařství je experimentálně dokázáno v pokusech s náhradami kostní tkáně. V tomto případě tvoří nanotrubičky s povrchem modifikovaným sloučeninami fosforu a síry náhradu kolagenu, na který se váže krystalický hydroxyapatit a tímto vytváří velmi pevnou a kompaktní kostní tkáň. Přínosem této technologie je mnohonásobně vyšší pevnost vytvořených struktur, možnou nevýhodou je dokumentovaná potenciální toxicita fulerénů a odvozených sloučenin (výzkum E. Oberdörster, Southern Methodist University, Dallas, New Scientist, March 2004), kterou lze ale obejít opět modifikací povrchů (např. mol. Fe). Kostní tkáň Nanotrubičky jako vodiče Nanotrubičky jsou v současné době nejpevnějším materiálem Průměr SWCNT - Single Wall Carbon NanoTubes je od 1 nm do 50 nm. Elektrické vlastnosti se liší podle uspořádání atomů C v trubce (podle molekulární struktury je ovlivněna orientace vazeb). V závislosti na volbě vazeb mezi uhlíky Z (zigzag) nebo Armchair konfigurace. „Z“ se chová jako kov, „Armchair“ jako polovodič. Podle toho, jak uhlíkovou nanotrubičku stočíte, může vést proud jako kov nebo jako polovodič. A právě vhodně stočená SWCNT může vést elektrický proud skoro stejně dobře jako supravodič. To proto, že se stane „Armchair Quantum Wire“, kvantovým vodičem (dále AQW). Vše to souvisí s podivnou schopností elektronu za vhodných podmínek se chovat jako dvě kvazičástice, jedna nesoucí elektrický náboj (chargon) a druhá jeho spin (spinon). Rice University - http://www.ece.rice.edu/~irlabs/aqw.htm Grafen •uhlíkatý materiál, jehož jeden rozměr vyhovuje kritériím nanomateriálu • Grafen je tvořený monoatomární vrstvou atomů uhlíku, uspořádaných do struktury šestiúhelníků. Vyniká extrémní pevností a nespecifickým projevem elektronů zde obsažených. Nobelova cena za jeho objev 2010. Grafenové filtry „membrány tvořené oxidovaným grafenem mohou být pro kapaliny, páry a plyny, včetně helia zcela nepropustné, ale umožňují volné pronikání vody (H2O prosakuje přes membránu nejméně 1010 krát rychleji než helium). Tato zdánlivě rozporná pozorování připisujeme na vrub nízkému tření při toku jednomolekulární vrstvy vody přes dvojrozměrné kapiláry, které mezi sebou vytvářejí těsně na sebe naskládané vrstvy grafenu. Difuzi dalších molekul blokuje vratné (reverzibilní) zúžení kapilár při nízké vlhkosti nebo jejich ucpání vodou ...“ R. Nair et al., Science 2012 Grafen - filtrace •vrstevnatá struktura grafenu tvořící filtrační prostředí Využití- separace vodné složky (např. z alkoholu) Zjednodušené schéma průřezu multivrstevní folie ze šupinek oxidu grafenu. Ve spodní části snímek průřezu GO folie z rastrovacího mikroskopu. R. Nair et al., Science 2012 Uhlíkatá nanovlákna •uhlíkatá, el. vodivá, spletená nanovlákna sloužící k „přemostění“ zjizvené srdeční tkáně po infarktu a plnící funkci převodu elektrického signálu Schema „První in vivo rekonstrukce přirozeného elektrického signálu pomocí syntetického materiálu“. Kredit: Texas Heart Institute. Fotografie ukazuje ovčí srdce s vláknem CNTf všitým přes půlkruhovou jizvu a její vodivé přemostění. Rovné dlouhé útvary okolo jizvy jsou měřící snímací katétry (pro potřebu pokusu). Čísla 1–10 odpovídají poloze bipolárních elektrogramů. Reprezentativní příklady epikardiálních elektrogramů a časy lokální aktivace dokládající nápravu nemocného srdce lze nalézt v publikaci McCauley et al.,Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology (2019). Nanopóry •Do biologie pronikají aplikace pórů o řádově nanometrovém průměru. Používají se pro regulaci toku iontů nebo molekul přes jinak neprostupné membrány buněk nebo organel. Ultra-Thin%20Silicon%20Nitride%20Membranes%20as%20Nanosieves-1 Nanopóry vyvrtané fokusovaným iontovým svazkem do 10 nm silné membrány z nitridu křemíku. Měřítko 60 nm. Ref: H.D. Tong, H.V. Jansen, V.J. Gadgil, C.G. Bostan, J.W. Berenschot, C.J.M. van Rijn, and M. Elwenspoek, Nano Lett. 4, 283, (2004). Nanopóry: Lékařské aplikace: sekvenování DNA •Při průchodu molekuly DNA přes nanopór, jednotlivé báze vedou k různě velkému poklesu procházejícího proudu a lze je proto identifikaovat. •Tento způsob sekvenování může revolucionizovat genomiku, protože sekvenování celé molekuly se stává otázkou sekund. •Jiné aplikace této techniky zahrnují separaci jednovláknové a dvouvláknové DNA v roztoku a určení délky biopolymerů. system for detection DNA with a nanopore http://www.ks.uiuc.edu/Research/nanopore/ Nanokrystaly •Nanokrystal je krystalická částice s nejméně jedním rozměrem menším než 100 nm. •Polovodičové nanokrystaly s rozměrem pod 10nm bývají často označovány jako ‘kvantové tečky’. Kvantová tečka má diskrétní energetické hladiny, nikoliv spojité energetické spektrum jako větší pevná tělesa. • Nanokrystaly Kvantové tečky – quantum dots •Shluky atomů tvořící monokrystalické pravidelné struktury •Jako kvantové tečky označovány též klastry atomů vytvořených na vhodném podloží (využití v elektronice, komunikačních technologiích, ...) •Diskrétní rozdělení energetických hladin •Vlastnost fluorescence – vlnová délka dle velikosti jádra kvantové tečky (závislé na ozáření elemag. polem) •Využití – mapování, imunoznačení, MRI kontrast Trojitá imunofluorescence využívající vazby kvantových teček, Fountaine et al, Mod Pathol 2006, 19, 1181-1191 • Kvantové tečky – quantum dots Vizuální detekce mikroskopických nádorových ložisek, cílená vazba či prostá infiltrace NPS 2017 Upkonverzní kvantové tečky nmat3426-f1 Speciální aplikaci umožňují tzv. upkonverzní nanočátice (upkonverzní kvantové tečky). Tyto nanostruktury obvykle tvořené fluoridy např. Na (Y, Gd, Yb, Ef) F4 vykazují vlastnost absorpce několika kvant elektromagnetického vlnění o vyšších vlnových délkách a následné vyzáření elektromagnetického záření o kratších vlnových délkách. Tím je umožněna jejich aplikace v hlouběji uložených strukturách, tkáních. Funkce- vizualizace struktur tkání Nanokrystaly : antibakteriální účinky •Struktura povrchu upraveného na úrovni nanostruktury. Horní povrch poskytuje kostním a vazivovým buňkám více prostoru pro uchycení a současně se zvětšením plochy pomocí materiálů se zlepšují antimikrobiální vlastnosti takto upravených materiálů. Spodní obrázek je povrch implantátů upravený stávající technologií. Stupnice je mikrometrech. (Obrázek: T.J. Webster, osel.cz) 1152482751 Podle provedených studií (Thomas J. Webster, Brown University, USA) je možné využít nanokrystalů oxidu zinku a titanu k úpravě povrchu implantátů - metoda nanostrukturování. Její podstata spočívá v mnohonásobném zvětšení (zdrsnění) povrchu materiálu nanesením vrstvy nanokrystalů, což např. v případě ortopedických implantátů pomáhá k zvýšenému záchytu tkáňových buněk a rychlejšímu „vhojení“. Další významnou funkcí takto upraveného povrchu je funkce antimikrobiální, kdy přítomnost nanokrystalů oxidu zinku potlačuje tvorbu mikrobiálních filmů. •„Tekuté sklo“ – surovinou je v tomto případě obyčejný křemičitý písek (oxid křemičitý) zpracovaný do podoby nanočástic, k nimž se do směsi přidává voda nebo etanol - podle povrchu, na který se zrovna tekuté sklo nanáší (např. pomocí spreje). Nic další už není potřeba, tekuté sklo se na místě aplikace drží pomocí fyzikálních sil fungujících v nanosvětě. •Sprej s tekutým sklem vytváří vodotěsnou vrstvu o síle zhruba 100 nanometrů, což představuje pouhých 15-30 molekul. •Tekuté sklo má mít velmi trvanlivé antibakteriální účinky. Působí antimikrobiálně, díky sníženému ulpívání mikrobů na takto ošetřeném povrchu. Kromě toho nanoskleněné povrchy odpuzují špínu i vlhkost a zdatně odolávají teplu, ultrafialovému záření nebo silným kyselinám (např. žaludeční, trávící trakt, ...). •Velmi slibně dopadl i roční test tekutého skla v nemocnici v Lancashire, kde používali chirurgické vybavení, implantáty, katetry, nitě k šití stehů i obvazy potažené tímto zajímavým nanomateriálem s výsledkem zvýšení antibakteriální ochrany • Nanokrystaly : tekuté sklo Magnetické nanočástice •Magnetické nanočástice – charakterizovány magnetickým •momentem μ a interakcí s vnějším magnetickým polem H • •Přirozený výskyt magnetických nanočástic v přírodě •– Magnetospirillum magnetotacticum – magnetit (organela magnetosom), •včela, termiti, poštovní holub, delfín • •Využití v medicíně, biomedicíně: •transport / separace / imobilizace magnetických nanočástic či molekul s těmito částicemi konjugovaných pomocí vnějšího magnetického pole – separace DNA/RNA, cílené doručení léčiv •ohřev (přenos energie z vnějšího magnetického pole na magnetickou nanočástici) – např. magnetic intercellular hyperthermia pří nádorové léčbě •kontrastní zvýšení signálu MRI – např. kontrastní látka Resovist® (oxid železa obalený karboxydextranem) pro vyšetření jater magnetotactic 500 nm Magnetické nanočástice 500 nm MRI contrast agents Schematické znázornění využití magnetických nanočástic v medicíně (Kumar and Mohammad, 2011) Magnetické nanočástice https://anuguleria.wordpress.com/ Magnetické nanočástice: Teplotně řízený transport léčiva Teplotně řízený transport léčiva využívá ohřevu magnetické nanočástice a tím i jejího bezprostředního okolí v čase působení vnějšího časově proměnného magnetického pole (ohřev během hystereze). a)uvolnění navázané látky přes termolabilní vazbu změnou teploty nanočástice aplikací magnetického pole b)uvolnění látky z polymerového obalu, který obsahuje i magnetické nanočástice. Uvolnění látky realizované díky přítomnosti mikro prasklin, které vzniknou ohřevem polymeru nanočásticemi při aplikaci magnetického pole Kumar, Mohammad, Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery, Adv. Drug Deliv. Rev. (2011) Magnetické nanočástice: Teplotně řízený transport léčiva * - Kumar, Mohammad, Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery, Adv. Drug Deliv. Rev. (2011) Řízený přenos látky přes teplotně senzitivní membránové kanály. Specifickou vazbou magnetické nanočástice a aplikací magnetického pole dochází k ohřevu a změně konformace membránových kanálů (transportních proteinů, např. TRPV1 *) v blízkém okolí vazby nanočástice. Magnetické nanočástice: Kumar, Mohammad, Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery, Adv. Drug Deliv. Rev. (2011) Přehled magnetických nanočástic a jejich možné využití Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI TEM mikroskopie – nanoklastr magnetitu, skládající se z nanočástic magnetitu Využití magnetických nanočástic jako kontrastní látky pro MRI zobrazení, v tomto případě sledování distribuce kmenových buněk (jež obsahují tyto nanoklastry) v mozku myší. MRI signál magnetických nanočástic Chunfu Zhang et al., High MR sensitive fluorescent magnetite nanocluster for stem cell tracking in ischemic mouse brain, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, Available online 8 April 2011 Magnetické nanočástice: Kontrastní prostředky pro MRI •Magnetic resonance and fluorescence imaging of doxorubicin-loaded nanoparticles using a novel in vivo model, Ahmet Erten, Wolf Wrasidlo, Miriam Scadeng, Sadik Esener, Robert M. Hoffman, Michael Bouvet, Milan Makale, Pages 797-807, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 6 (2010) (polyethylenglykol) Kombinace kontrastního prostředku MRI, cíleného transportu léčiva a fluorescenční sondy Schematic of a multifunctional nanoparticle for MR contrast and drug delivery. The inner core is composed of iron oxide encapsulated by cross-linked dextran, which is the site of drug loading. The outer shell of the nanoparticle is decorated with poly(ethylene glycol) (PEG) and can be covalently attached to targeting functional groups . The particle undergoes sterile filtration though 0.2-μm sterile filters and has a shelf-life of at least 4 weeks. MRI kontrast Bez a S kontrastními nanočásticemi 100 nm Fluorescence navázaných nanočástic v nádorové tkáni Magnetické nanočástice- léčba infekcí •Publikováno NATURE 2014: Základem je modifikovaný protein - manózu vázající lektin (MBL). Ten je součástí přirozeného imunistního systému. Protein na sebe váže více jak 90 různých druhů patogenů a také toxiny které mrtvé bakterie uvolňují. Je rovněž spouštěčem imunitní reakce v případě sepse. Tímto proteinem vědci obalili nanokuličky z magnetického materiálu. Patogeny se na jejich povrchu přichycují. Magnetickým polem lze kuličky z krve vychytat a spolu s nimi i patogeny. Poté se vyčištěná krev do organismu zase vrací. (HIV, Ebola) • http://www.osel.cz/_popisky/141_/1410860069.jpg http://www.nature.com/polopoly_fs/7.19813.1410548619%21/image/web_FcMBL-combined.jpg_gen/derivative s/landscape_630/web_FcMBL-combined.jpg http://www.nature.com/polopoly_fs/7.19812.1410548609%21/image/1.15917_device%20photo%20and%20animat ion.jpg_gen/derivatives/landscape_630/1.15917_device%20photo%20and%20animation.jpg Magnetické nanočástice - detoxikace •V případě otravy se nanočástice vstříknou do krevního oběhu, kde "sesbírají" toxické látky – pomocí specifické vazby skrze povrchovou úpravu nanočástic. Krev následně projde speciálně upraveným dialyzačním přístrojem, který z ní pomocí magnetu odstraní nanočástice i s toxickou látkou. Vedlejší účinky takové terapie údajně nehrozí. Silné magnetické pole podle dřívějších studií nemá na lidskou krev negativní efekt, a to i přesto, že krevní barvivo hemoglobin obsahuje ionty železa. Scheme 1. BODIPY-functionalized magnetic silica nanoparticles 1. A Selective Fluoroionophore Based on BODIPY-functionalized Magnetic Silica Nanoparticles: Removal of Pb2+ from Human Blood, Hye Young Lee, Doo Ri Bae, Ji Chan Park, Hyunjoon Song, Won Seok Han, and Jong Hwa Jung, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1239 –1243 Experimentálně ověřený postup pro odstranění iontů olova pomocí magnetických nanočástic https://www.rcptm.com/cs/magneticke-nanocastice-pro-testovani-covid-19-miri-do-praxe/ C:\Users\Bernard\Desktop\nanospider.jpg Nanovlákna •Rozměrově desítky až stovky nanometrů v průměru •Výroba – nejčastěji elektrohydrodynamickou atomizací roztoku polymeru – např. poly-caprolacton (biodegradabilní), chitosan, fibrogen, polyvinylalkohol, … – (přístroj electrospinner) •Možnost „uzavírání“ dalších látek a molekul do nitra nanovlákna -funkcionalizace Nanovláka Aplikace: •3D kultivační prostředí buněk in vitro •Buněčný „scaffold“ – náhrada tkáně – např. kosti, cévy, chrupavky – biodegradabilní, biokompatibilní •Obvazový a krycí materiál – „dopování“ antibakteriálními látkami (nanoAg), růstovými faktory, cytostatiky •Filtrace, adsorpce látek •… www.savvysciencepublisher.com http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/articles/biowire/spring-2012/synthetic-nanofi ber-trachea.jpg Nanovláknová náhrada prudušnice Krycí materiál http://nanofiberveterinary.com/Images/products-wounds/a.png Antibakteriální úprava nanoAg Nanovlákna: Lékařské aplikace – Molekulární čidlo znečištění prostředí •Ve srovnání s běžným optickým vláknem, které se jeví jako slabě stejnoměrně svítící čára, nanovlákna při velkém zvětšení vypadají jako posetá svítícími body nebo perličkami. Tento jev je způsoben tím, že drobné ulpívající částice prachu a nečistot způsobují rozptyl světla procházejícího vláknem. Tato citlivost k povrchové kontaminaci vedla k použití nanovláken jako molekulárních čidel. •Mohou být pokryta vazebnými místy pro různé molekuly vyskytující se v okolním prostředí. Pokud budou skutečně přítomny, spojí se s vazebnými místy a stanou se zdroji světla (necháme-li světlo procházet vláknem). Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor Roszek et al. Medical Nanotechnology Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor obr. a,b - povrch elektrod v podobě křemíkových nanovláken - vodičů, které jsou na povrchu modifikovány nanočásticemi zlata – výsledkem je voltametrický senzor s vysokou sorpční schopností (velká aktivní plocha v poměru k velikosti senzoru) a vysokou hodnotou vodivosti (v citované práci použito senzoru k detekci sérového albuminu) Shancheng Yan et al, A novel biosensor based on gold nanoparticles modified silicon nanowire arrays, Journal of Electroanalytical Chemistry 641 (2010) 136–140 Nanovlákna: medicínské aplikace: biomolekulární senzor Fig. 1. (A) SEM obraz nemodifikovaného polyanilínového (PANI) nanovlákna (B) SEM obraz modifikovaného PANI nanovláka IgG protilátkou. (C) Modifikované PANI nanovlákno protilátkou IgG značený fluorescenční sondou Texas Red (v kroužku). (D) Srovnání Ramanova spektra před a po modifikaci PANI nanovlákna Biosenzor pro immunoglobulin G (IgG) and myoglobin (Myo) (cardiac biomarkry) tvořený polyanilinovým nanovlákem s protilátkami na svém povrchu protí IgG a Myo. Navázáním IgG či Myo dochází k změně elektrických vlastností tohoto senzoru (změna konduktance). Innam Lee et al., Highly sensitive single polyaniline nanowire biosensor for the detection of immunoglobulin G and myoglobin, Biosenzors and Bioelectronics, 26, 2011, p 3297-3302 Robotický nanosvět •Nature 2010 - Molecular robots guided by prescriptive landscapes – Lund et al. •Autoři práce představili „nanopavouka“ z proteinu a DNA, který se dokáže pohybovat po trase předem naprogramované pomocí krátkých řetězců ss DNA. Nanopavouk má tělo z bílkoviny streptavidin. Přes biotin (vitamin H) jsou k němu navázány čtyři krátké jednovláknové úseky DNA/enzym, celková velikost nanopavouka 4 nm. Trajektorie dána kompatibilitou ss DNA řetězců podložky a ss DNA řetězců tvořících „končetiny“. Je tedy řízen povely: „start“, "změň směr" a „stop“ nanorobotika na bázi DNA nature09012-f1 Robotický nanosvět •Nature 2010 - A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line - Hongzhou et al •Veřejnosti byl autory představen nanorobot (obdoba předešlého „nanopavouka“), realizovaný zkomponováním tří různých DNA struktur. Jeho jedinečnost spočívá v schopnosti přemístit z předem daného místa na předem dané místo až tři nanočástice zlata. Ke svému pohybu opět potřebuje matrici sestavenou z úseků ss DNA. Vzdálenost, kterou se tomuto kráčejícímu nanonosiči dosud podařilo překonat, nepřesáhla 200 nm. nanorobotika na bázi DNA 1273842354 DNA přepravník – snímky z rastrovacího mikroskopu sledují pohyb zlatých nanočástic, které po předem naprogramované trase přepravuje miliontiny milimetru drobný kráčející nanorobot. Černá úsečka představuje měrku 50 nm. Robotický nanosvět •Princip pohybu nanoauta (Rice University) nanorobotika na bázi organických molekul 1145197120 Velikost molekuly „nanoauta“ jsou necelé 4 nm, „kola“ jsou tvořena molekulami p-karboranu, „motor“ kombinací benzenových jader. Při ozáření elektromagnetickou vlnou dojde k jejímu pohlcení centrální molekulou a tato začne rotovat a odrážet a postrkovat po podložce celé „nanoauto“. Údajná rychlost pohybu je 2 nm za minutu. www.newscientist.com 1145197068 Nanotechnologie v onkologii (1) (NPO – Nano Particle Oncology) •Některé konkrétní z využívaných nanotechnologií v onkologii: •Zapouzdřené zlaté nanočástice – zlaté nanočástice zapouzřené např. polyaminoaminy. Modifikace pouzdra - na aminových skupinách obalu může být navázána např. kyselina listová. Tato má funkci zprostředkovatele cílené vazby na folátové receptory na buněčném povrchu některých nádorových buněk (např. epiteliální karcinom). Využití – fototermická ablace •Polymerové micely s cytostatikem – využití micel například jako nosičů cytostatik (adriamycin, doxorubicin), která jsou vázána v micelách pomocí pH senzitivních vazeb. Využití - cílené doručení a vyvázání léčiva lokální změnou pH •Oxidy kovů – nanočástice, obsahující feromagnetickou látku po vystavení časově proměnnému magnetickému poli výrazně zvyšuje svoji teplotu (teplotní změna při mag. hysterezy) – terapie hypertermií •Krystaly oxidu železa – zapouzdřené dextranem, na povrchu dextranového obalu modifikované peptidové řetězce, umožňující specifickou vazbu. Využití – onkologická diagnostika - kontrastní specificky se vázající látka pro MRI Nanotechnologie v onkologii (2) (NPO – Nano Particle Oncology) •Popis nanomateriálů využívaných v onkologii z strukturního a funkčního hlediska – tři hlavní složky: • •vlastní nanočástice •komponenty dotvářející nanočástici a ovlivňující celkové chemické vlastnosti •chemicky aktivní látky funkcionalizující nanočástici • •Další možný popis složek z hlediska: molekulární struktury, biochemické aktivity, existencí vzájemných chemickcýh vazeb, vzájemného prostorového uspořádání složek, tvaru a struktury, fáze (skupenství), fyzikálních a chemických vlastností, druhu aktivace/stimulace, druhu odpovědi/reakce na stimul Zdravotní rizika •Nanočástice jsou na rozdíl od větších částic schopny procházet biologickými membránami do buněk, tkání a orgánů. Mohou proniknout do krevního oběhu po nadechnutí nebo pozření. Přinejmenším některé z nich mohou pronikat kůží. Jakmile se ocitnou v krvi, mohou být transportovány tělem a zachycovány v orgánech nebo tkáních včetně mozku, srdce, jater, ledvin, sleziny, kostní dřeně apod. Mohou proniknout do mitochondrií nebo buněčného jádra. Studie prokázaly možnost vyvolání mutací DNA a vyvolání strukturálních změn v mitochondriích, vedoucích dokonce ke smrti buňky. • •Nyní jsou na trhu stovky druhů spotřebního zboží obsahujících nanočástice, včetně kosmetiky, krémů na opalování, sportovního zboží, oděvů, elektroniky, výrobků pro děti a novorozence, potravin a obalů potravin. http://www.nanotechproject.org/cpi/ Titanium dioxide nanoparticles in food and personal care products, Weir A et al, Environ Sci Technol. 2012, 46 •Průměrná dávka připadající na dospělého američana - 1 mg nano TiO2 na jeden kilogram tělesné hmotnosti. • •Přibližně 5000 tun (5 000 000 kg) nano TiO2 bylo použito v prostředcích pro osobní péči v roce 2010. • • • 8_titan-beloba_0 Titanová běloba aneb E 171, průmerný člověk 80 kg * 365 dní * 1 mg = 29 200 mg = 29,2 g TiO2 ( jedna kostka cukru cca 10 g, lžička mouky cca 7 g) barva-olejova-beloba-titanova-40-ml-original Bezpečnost NPs v EU …například… •KOMISE EVROPSKÝCH SPOLEČENSTVÍ, •s ohledem na Smlouvu o založení Evropského společenství, a zejména na články 152 a 153 této smlouvy vydala rozhodnutí komise 2008/721/ES o zřízení poradní struktury vědeckých výborů a odborníků v oblasti bezpečnosti spotřebitele, veřejného zdraví a životního prostředí •Zřízeny tři vědecké výbory: •Vědecký výbor pro spotřební zboží (VVSZ), •• Vědecký výbor pro zdravotní a environmentální rizika (VVZER) •Vědecký výbor pro vznikající a nově zjištěná zdravotní rizika (VVVNZZR). • • •Poskytuje stanoviska v otázkách vznikajících nebo nově zjištěných zdravotních a environmentálních rizik a v obecných, komplexních nebo multidisciplinárních otázkách vyžadujících souhrnné posouzení rizik pro bezpečnost spotřebitele nebo veřejné zdraví, jakož i v souvisejících otázkách, kterými se nezabývají jiné subjekty Společenství pro posouzení rizik. …. nanotechnologie…. Bezpečnost NPs v ČR … •Oblast nanotechnologií legislativně v souladu s EU řešena např. : •Parlament České republiky, POSLANECKÁ SNĚMOVNA, 2008, 5. volební období, 294. •USNESENÍ výboru pro evropské záležitosti ze 40. schůze konané dne 6. listopadu 2008 ke Sdělení Komise Evropskému parlamentu, Radě a Evropskému hospodářskému a sociálnímu výboru – regulační aspekty nanomateriálů /kód dokumentu 11010/08, KOM(2008) 366 v konečném znění/ …mimo jiné říká že …V ČR neexistuje národní program pro nanotechnologie a jejich využívání. Největším programem v této oblasti je výzkumný program Nanotechnologie pro společnost, který byl schválen usnesením vlády ČR č. 1006 ze dne 17. srpna 2005 na období 2006 – 2012 a který je realizován na půdě Akademie věd ČR. … • •Usnesení Evropského parlamentu ze dne 24. dubna 2009 o regulačních aspektech nanomateriálů (2008/2208(INI)) v znění usnesení… bod 25. …domnívá se, že je třeba zavčas vypracovat přísné etické pokyny, zejména pokud jde o nanomedicínu, které by se týkaly např. práva na soukromí, svobodného a informovaného souhlasu či neterapeutických zásahů prováděných na lidském těle, avšak zároveň je třeba podpořit tuto perspektivní mezioborovou oblast, která uplatňuje průlomové technologie, jako jsou molekulární zobrazování a diagnostika, což může velmi výrazně napomoci včasnému stanovení diagnózy a inteligentní a účinné léčbě mnoha chorob; žádá Evropskou skupinu pro etiku ve vědě a nových technologiích o vydání stanoviska na toto téma, v němž naváže na své stanovisko č. 21 ze dne 17. ledna 2007 o etických aspektech nanomedicíny a přihlédne k etickému názoru, jež uveřejnily subjekty zabývající se etikou v jednotlivých členských státech EU, a k práci vynaložené mezinárodními organizacemi jako např.UNESCO; EU •Silver nanoparticles as a safe preservative for use in cosmetics, Satoshi Kokura et al., Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 6 (2010) 570–574 •Autoři této práce studovali účinky a působení stříbrných nanočástic v dermatologickém krému z hlediska baktericidního, fungicidního působení, jejich toxicity a průniku do tkáně. •Výsledek studie: „In this study, the effects of recently synthesized Ag nanoparticles were investigated on microorganisms, along with the skin permeability and the cytotoxicity in human keratinocytes under UVB-irradiation. Ag nanoparticles were found to be verystable, showed sufficient preservation efficacy against mixed bacteria and mixed fungi, and did not penetrate normal human skin. Ag nanoparticles appear to be suitable for use as a preservative in cosmetics.“ Zdravotní rizika …například… Jiná studie autorů Gulson a Wright (Small Amounts of Zinc from Zinc Oxide Particles in Sunscreens Applied Outdoors Are Absorbed through Human Skin, Toxicological Sciences, Volume118, 2010, 140-149), zaměřená na opalovací krémy s krystaly oxidu zinečnatého (UV ochrana) ukazuje, že tyto nanočástice pronikají přes kůži do tkání organismu. Daná studie ale poukazuje na fakt, že při vhodných koncentracích nejsou tyto nanočástice pro organismus toxické (Independent cytotoxic and inflammatory responses to zinc oxide nanoparticles in human monocytes and macrophages, Feltis et al., Nanotoxicology 1-9 ), protože jsou v dostatečném množství organismem odstraňovány s dalšími metabolity. Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 2021 Adobe Systems