ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Курс лекций Лекция 2: Нанотехнологии в медицине и биологии

Курс лекций
ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР
Лекция 2: Нанотехнологии в медицине и биологии
Нанотехнологии
в медицине и биологии
Обзор некоторых последних
достижений в области
наномедицины
СОДЕРЖАНИЕ ДОКЛАДА
Углеродные
нанотрубки
Квантовые точки
Золотые наночастицы
Рентгеновская установка на основе катода из
углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве катодного материала
для холодного испускания потока свободных электронов.
Для испускания электронов нет необходимости разогревать катод, достаточно при комнатной
температуре приложить напряжение. Под действием сильного поля вблизи концов нанотрубок
будут испускаться электроны, поток которых можно контролировать изменением приложенного
напряжения.
Уже создана компактная (3 см) рентгеновская трубка с низким энергопотреблением.
БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Схематическая диаграмма биосенсора на основе
массива из УНТ.
На платиновой подложке выращивается ориентированный массив из УНТ. Подложка служит
проводящей платформой для регистрации электрических сигналов, а нанотрубки открытыми концами
эффективно связываются с ферментами. Наносенсоры на основе УНТ могут быть использованы для
расшифровки цепочки ДНК. Таким образом можно детектировать участки ДНК ответственные за
какую-либо болезнь на генном уровне. Такой датчик отличается своей миниатюрностью и точностью и
может быть введен через кожу и использован, например, для измерения уровня глюкозы в крови.
Кроме того обнаружено, что наноразмерные потоки жидкости вдоль пучков из одностеночных
нанотрубок вызывают появление напряжения вдоль пучка. Это позволяет в перспективе использовать
пучки из углеродных нанотрубок для создания миниатюрных датчиков для измерения наноразмерных
потоков жидкости, например, в кардиостимуляторе. Преимущество датчиков на основе углеродных
нанотрубок в том, что их параметры слабо зависят от температуры, они имеют малые размеры (в 1000
раз меньше уже существующих) и потребляют мало энергии, исключают вероятность воспаления,
являются биосовместимыми и могут имплантироваться в живой организм.
Сопротивление УНТ, выращенных на мембране, зависит от приложенного к мембране давления,
что позволяет создать датчик давления.
ЗОНД НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКИ.
Такой зонд позволяет создавать изображения протеиновых нитей. Ранее
применялись силиконовые пирамидальные зонды, радиусы кривизны конца
которых составляют 5 нанометров. Зонды на основе УНТ гораздо меньше по
размеру и за счет своей цилиндрической формы дают лучшее разрешение и
позволяют построить изображение более глубоких полостей. Для продольного
изгиба зонда на основе нанотрубок требуются небольшие силы, что позволяет
использовать его для построения изображения более мягких (биологических)
материалов, уменьшая их повреждение.
ПИНЦЕТ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКИ.
Если два зонда совместить вместе, то получится пинцет. Электростатическое
взаимодействие между нанотрубками позволяет им сходиться и расходиться. Такой пинцет
позволяет механическим образом манипулировать биосистемами, такими как ДНК. Кроме того
он может использоваться для измерения сопротивления захваченных нанопинцетом объектов.
Он также может служить электромеханическим сенсором для детектирования давления,
вязкости среды, путем измерения изменения резонансной частоты своих собственных
колебаний.
Углеродные нанотрубки как исполнительный
механизм
Углеродные нанотрубки могут быть использованы в качестве
исполнительного механизма: матрица из углеродных нанотрубок
может растягиваться и сжиматься при приложении к ней
незначительного напряжения, т.е является электромеханической
ячейкой. Таким образом полимерные композиты на основе
углеродных нанотрубок могут быть использованы в качестве
искусственных мускулов, причем работать при низких
напряжениях в широком интервале температур вплоть до 350 К.
УГЛЕРОДНАЯ НАНОТРУБКА СВЯЗЫВАЕТСЯ С ДНК
Симуляция захвата олигонуклиотида ДНК углеродной
нанотрубкой (10,10).
Схематическое
представление
Соединение углеродной нанотрубки с ДНК может биосовместимой УНТ –поверхность
быть использовано в молекулярной электронике, трубки обвита цепочкой ДНК
молекулярной сенсорике, для расшифровки ДНК и
систем доставки генов. Кроме того углеродная
нанотрубка
может
быть
органически
функционизирована, что позволяет ей быть
растворимой в органических растворителях и
водных растворах.
НАНОТРУБКА ДЛЯ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ ВНУТРЬ
КЛЕТКИ
Нанотрубка может легко проникать через мембрану внутрь клетки доставляя туда лекарства.
Вследствие ее малых размеров клетка не воспринимает нанотрубку как вредный инородный
объект и не стремится от него избавиться. Внешнюю поверхность нанотрубки можно сделать
биосовместимой, а внутреннюю – совместимой с лекарством.
Потенциал систем доставки действующего вещества лекарственного препарата с
использованием нано- и микрочастиц возникает благодаря имеющимся у них существенным
преимуществам, таким как: - способность выбирать в качестве объекта воздействия особые
места в организме; - уменьшение количества препарата, необходимого для получения
необходимой концентрации в непосредственной близости от объекта воздействия; - снижение
концентрации препарата в местах, не являющихся объектами воздействия, дающее
минимизацию серьезных побочных воздействий.
Атомы йода, инкорпорированные в
углеродную нанотрубку
В ультракороткую нанотрубку помещают
йод, поверхность трубки обрабатывают так,
чтобы она имела биосовместимость. Йод
используется для проведения компьютерной
томографии рентгеновскими лучами. Йод
является растворимым в воде и токсичным
для организма. Будучи упакованный в
углеродную нанотрубку, он может находится
внутри клетки длительное время.
СЕЛЕКТИВНАЯ ФОТОТЕРМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ С
ПРИМЕНЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Нанотрубки прикрепленные к белкам, захватываются раковыми клетками. Затем
нанотрубки облучаются излучением ближнего ИК диапазона. При этом,
нагреваясь, они вызывают гибель раковых клеток не затрагивая здоровые.
Фотография клеток до и после облучения лазерным излучением на
длине волны 800 нм в течении 2 мин.
до
облучения
после
облучения
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ «НЕ ВРЕДЯТ» ЗДОРОВЬЮ ЧЕЛОВЕКА
Первые эксперименты (2007) введения суспензии обычных (без химической
модификации) УНТ в кровь животного показали отсутствие вредоносного
эффекта для его здоровья. Трубки после часа циркуляции по кровеносной
системе выводились из живого организма.
Микрофотография при двух различных увеличениях ткани печени кролика
убитого через сутки после внутривенного введения суспензии
одностеночных углеродных нанотрубок. Зеленый цвет указывает на
присутствие нанотрубок в тканях печени.
КВАНТОВАЯ ТОЧКА – ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ
Квантовая точка –
полупроводниковый
кристалл
нанометрового размера (Cd-Se
или Cd-Te), покрытый тонким
слоем другого полупроводника
(сульфидом цинка)
ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ТОЧКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
БИООБЪЕКТОВ
Размер квантовой точки
определяет длину волны ее
люминесценции.
Для возбуждения люминесценции
достаточно использовать либо лазер
на одной длине волны, либо простую
лампу белого цвета
Цветное люминисцентное
изображение сечения почки
мыши.
Изображение может быть получено с помощью
люминесцентного микроскопа, путем применения
световых фильтров.
КВАНТОВАЯ ТОЧКА ДЛЯ БОРЬБЫ
С РАКОВЫМИ КЛЕТКАМИ
Разработан новый метод визуализации и доставки малых интерферирующих РНК. В качестве
основного компонента новой платформы используются квантовые точки с полиэтиленгликольным
(ПЭГ) покрытием, испускающие свет в ближнем инфракрасном диапазоне, для которого кожа и другие
ткани человеческого организма относительно прозрачны.
Покрытие из ПЭГ делает квантовые точки биосовместимыми, а также позволяет присоединить к
ним хоминг-пептиды (малые белки, избирательно связывающиеся с определёнными рецепторами в
клетках) и малые интерферирующие РНК. Если, к примеру, мишенью пептида является клетка раковой
опухоли, а молекула РНК останавливает выработку какого-либо важного для развития опухоли белка,
такие частицы могут стать эффективным средством борьбы с опухолью и одновременно — её
визуализации.
ЗОЛОТЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РАКОВЫХ
КЛЕТОК
Связывание наночастиц золота со специфическими антителами для клеток
рака может значительно упростить диагностику онкологических заболеваний.
У многих раковых клеток на всей их поверхности есть белок, известный как
рецептор эпидермального фактора роста, тогда как здоровые клетки обычно не
экспрессируют этот белок настолько сильно.
Связывание наночастиц золота с антителами этих рецепторов позволило
обеспечить прикрепление наночастиц к самим раковым клеткам.
Наночастицы золота хорошо рассеивают и поглощают свет, Если вы
добавите раствор этих конъюгированных наночастиц к здоровым и раковым
клеткам и посмотрите на изображение, то с помощью простого микроскопа
сможете увидеть, как раковые клетки засияют целиком. Здоровые клетки не
особенно связываются с наночастицами, поэтому вы их и не увидите. При такой
технике если вам хорошо видна оболочка клетки, то это — рак.
Исследователи обнаружили, что наночастицы золота имеют на 600%
большее связывание с раковыми, чем со здоровыми клетками. Лучше всего
работали частицы размером 35 нанометров.
Привлекательность новой методики в том, что не она требует дорогих
мощных микроскопов или лазеров. Всё, что нужно для того, чтобы увидеть
результат — это простой недорогой микроскоп и белая лампа.
Другое преимущество в скорости получения результатов. Если вы возьмёте
клетки ткани, пораженной раком, и обработаете их антителами с золотыми
наночастицами, то результаты можно увидеть немедленно. Рассеяние настолько
сильное, что можно разглядеть каждую частицу.
Наконец, методика нетоксична для человеческих клеток.
Золотые
наночастицы
не
трогают здоровые клетки, а
раковые заставляют сиять это
можно
заметить
с
помощью
простого
микроскопа
НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ФОТОТЕРМИЧЕСКОЙ
ТЕРАПИИ
Сферическая
Шарик
Цилиндр оболочка
СЕЛЕКТИВНЫЙ ФОТОТЕРМОЛИЗ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОЛОТЫХ НАНОЧАСТИЦ
Фотоиндуцированный взрыв наночастицы с локальным нагревом жидкости и
образованием паровой оболочки
Применение наночастиц в селективном нанофототермолизе заключается во внедрении
их в инородные для организма биообъекты (раковые клетки, бактерии, вирусы) с
последующим воздействием на них лазерным излучением, интенсивность и длина волны
которого безопасны для биологических тканей и одновременно соответствуют диапазону
высокого поглощения (плазменному резонансу) наночастиц. Поглощая световую
энергию, наночастицы быстро преобразуют ее в тепловую, что ведет к локальному
повреждению и последующей гибели инородных биообъектов. Повреждение может быть
обусловлено термической денатурацией и коагуляцией или механическим напряжением,
вызванным образованием паровых полостей вокруг разогретых наночастиц.
ФОТОТЕРМОЛИЗ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОЛОТЫХ
НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО УНИЧТОЖЕНИЯ
РАКОВЫХ КЛЕТОК
(Исследуется в Республике Беларусь)
Флюоресцентны
е фотографии
раковой клетки
крови после
внедрения туда
золотых частиц
Фототермическо
е изображение
клетки после
лазерного
облучения
ЗОЛОТЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ
РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ
В настоящее время для исследования процессов, происходящих в клетках,
используется так называемая рамановская спектроскопия. Суть ее - в том, что часть
рассеиваемого исследуемым объектом света имеет, помимо излучения с той же длиной
волны, еще и так называемый рамановский спектр (комбинационное рассеяние),
отражающий физико-химические свойства исследуемого объекта. Эта методика
позволяет исследовать расположение наиболее крупных структурных элементов клетки,
например, их ядер. У рамановской спектроскопии есть и существенный недостаток рамановский спектр исключительно слаб и труден для регистрации.
С этой проблемой и удалось справиться. Введение позолоченных наночастиц
позволяет пятикратно повысить величину регистрируемого сигнала. К сожалению,
клетка рассматривает их как инородные тела и быстро выводит их наружу. Вот здесь и
пригодились вирусы, которые имеют собственные механизмы внедрения в клетку.
Ученые решили использовать их в качестве своеобразных "троянских коней".
Специальными манипуляциями они научились внедрять в оболочку вируса вместо
молекул РНК золотые наночастицы размером всего 5 нанометров.
Помимо
повышения мощности рамановского сигнала это позволило видеть
в микроскоп отдельные вирусы.
Такая технология позволяет создавать карты химических процессов в клетке,
поскольку свойства спектра сильно зависят от химических свойств среды, в которой
находится вирус.
НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
Наночастицы Fe3O4 легко связываются с атомами мышьяка, что
позволяет их использовать для очистки питьевой воды. Благодаря
большой удельной поверхности наночастиц, для очистки воды их
требуется по массе в 200 раз меньше, чем других коммерческих
материалов. Кроме того наночастицы гораздо сильнее, чем другие
материалы связываются с атомами мышьяка. Очистка воды от
мышьяка является актуальной для стран с нехваткой питьевой
воды (Индии, Бангладеш).
НАНОЧАСТИЦЫ МОГУТ ПОВРЕЖДАТЬ ДНК
Ученые протестировали токсичность суспензий кремниевых и
фуллереновых (C60) наночастиц путем оценки количества разрывов одно- и
двухцепочных молекул ДНК.
Результаты продемонстрировали как дозо-зависимое, так и времязависимое повышение уровня повреждений ДНК в клетках при воздействии
обоих типов наночастиц. Известно, что повреждения ДНК ведут к появлению
мутаций, которые нередко являются причиной развития злокачественных
опухолей.
Разные типы наночастиц могут обладать разным уровнем
токсичности, однако на настоящий момент не существует данных,
которые позволили бы выявить наиболее опасные материалы. Кроме того,
необходимо установить, проникают ли наночастицы внутрь клеток и
вызывают повреждения ДНК в результате непосредственного
взаимодействия, либо они запускают каскад реакций на уровне клеточной
мембраны. Понимание механизмов токсичности наночастиц позволит
разработать
соответствующие
методы
предотвращения
или
нейтрализации вызываемых ими повреждений.
НАНОСЕНСОР ДЛЯ ОДИНОЧНОЙ ЖИВОЙ КЛЕТКИ
Нанонить диаметром 50 нм,
покрытая
слоем
серебра,
является волноводом для луча
гелий кадмиевого лазера. К ее
концу
прикрепляется
моноклональный
иммуноглобулин. Такая нить
протыкает
клетку
и
имуноглобулин распознает и
связывается
с
продуктами
гидролиза
канцерогенов,
вызывающих рак. Лазерный луч
на длине волны 325 нм
вызывает
люминесценцию
связанного
комплекса.
Дендример
Дендримеры - новый тип полимеров, имеющий ветвящееся строение. Дендримеры хорошо соединяются с молекулами
ДНК. При этом молекулы ДНК выступают в качестве "скелета" сложной молекулы, доставляющей лекарство.
В раствор с двумя различными типами дендримеров добавили
цепочку ДНК длиной 34-66 нуклеотидов. Оказалось, что дендримеры
имеют участки, совместимые с нуклеотидами ДНК. Через время в
растворе "собрались" структуры из двух дендримеров, связанных
между собой цепочкой ДНК. Один тип молекул дендримеров был
флуоресцентный, а другой содержал комплекс маркеров раковых
клеток.
Полученный раствор кластерных наночастиц представлял собой
средство для диагностики раковых опухолей. ДНК-наночастицы
прилипали маркерным концом к больной клетке, а по
флуоресцирующему концу эти клетки можно было увидеть.
Возможно создание нанокластеров, состоящих из трех цепочек
ДНК. Эти "базовые блоки", помещенные в раствор с дендримерами,
вызовут самосборку наночастиц, состоящих уже из четырех
дендримеров, которые будут выполнять различные функции. Один
комплекс наночастиц может нести диагностический агент, другой маркерный, а третий - лечащий.
Такие терапевтические дендримеры могли бы избирательно
поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Благодаря способности углерода образовывать
огромное количество разнообразных соединений, а
также рекордной прочности связи между двумя
атомами углерода, появилась идея создания самых
разнообразных
наноразмерных
деталей
шестерёнок, штоков, компонентов подшипников,
сочленений, роторов молеку-лярных турбин,
подвижных узлов манипуляторов и т. д. Пример
таких молекул-деталей, разработанных в центре
нанотехнологий НАСА, приведен на рисунке.
На рисунке продемонстрирована возможность молекулярной сборки с использованием
сканирующих зондовых микроскопов. На первом этапе с помощью СЗМ к создаваемой детали
подносится молекула винилиденкарбена, имеющая в своём составе выступающий и относительно
слабо связанный атом углерода. Между этим атомом и деталью возникает химическая связь. Затем
острие СЗМ поворачивается на 90°, что приводит к разрыву p-связи и поднимается, разрывая
оставшуюся s-связь. Атом углерода остаётся на заготовке детали.
МИКРОСУБМАРИНА – РЕАЛЬНОСТЬ
В ОБОЗРИМОМ БУДУЩЕМ
Устройства такого рода, оснащённые бортовыми
системами управления, связи и ориентации,
основанными на нанотехнологии, наносенсорах и
наноманипуляторах, могут стать реальностью уже в
обозримом будущем.
Устройство представляет собой
микросубмарину с двигателем,
использующим работу бактерий
таких, как Salmonella typhimurium.
Эти бактерии способны плавать в
жидкости; будучи прикреплёнными
к ротору двигателя так, как это
показано на рисунке, они смогут
приводить в движение вал с
закреплённым на нём гребным
винтом. Для изготовления ещё более
миниатюрного устройства могут
быть использованы не целые
бактерии, а только их гребные
жгутики - флагеллы. Источником
энергии для такого двигателя могли
бы служить кислород и глюкоза,
свободно диффундирующие внутрь
из окружающей среды.
ПРИНЦИП СОЗДАНИЕ СФЕРИЧЕСКИХ
ПОЛИМЕРНЫХ НАНОЧАСТИЦ
Схематическое представление молекулы
поверхностно активного вещества
Самоорганизующийся механизм формирования мицелл
при увеличении концентрации молекул поверхностно
активного вещества
Молекулы мономеров
проникают в мицеллу, и
затем происходит их
полимеризация с
образованием твердой
полимерной наносферы
ИЗОБРАЖЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ
Изображение наночастиц,
полученное сканирующим электронным
микроскопом.
СОРТИРОВКА НАНОЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ
Устройство для сортировки золотых наночастиц по
размерам.
Основные этапы
сортировки:
процедуры
1) Связывают все нано-частицы и
другие
сопутствующие
продукты
производства
с
молекулами белков.
2) Облучая лазерным излучением
с частотой, соответствующей
плазменному
резонансу
наночастиц
определенного
размера,
нагревают
их.
Последние в результате нагрева
освобождаются от протеинов и
собираются в группы.
КРАТКИЙ ОБЗОР НЕКОТОРЫХ ДОСТИЖЕНИЙ
w
w
w
w
В 2001 году создали пептиды, которые имеют вид плоского замкнутого кольца. Такие
пептиды, попадая внутрь бактерии, из колец образовывают трубки. Эти трубки протыкают
стенки бактерий и нарушают их нормальный электрический потенциал и градиент ионной
концентрации, который бактерия использовала для генерации энергии своей
жизнедеятельности. Благодаря быстрому самоорганизованному образованию трубок,
бактерии не успевают адаптироваться и погибают. При этом на здоровую ткань пептиды не
оказывают воздействия.
С помощью роботизированных установок ученым удалось собрать из 146 различных видов
простых молекул флуоресцентные магнитные наночастицы шириной 38 нанометров,
состоящие в среднем из 60 молекул. Наночастицы заряжались лекарством и были испытаны
на пяти различных видах человеческих клеток. В результате были разработаны частицы,
которые точно следуют к раковым клеткам. В зависимости от выбранного покрытия,
менялось число наночастиц, которые способна "принять" клетка. Оно составляет от 11 тысяч
до 5,5 млн. частиц на клетку. Это очень важно для определения правильной дозировки
"заряженных" лекарством частиц.
Ученые разработали новый метод обнаружения слабых концентраций опасных биологических
токсинов и бактерий при помощи наночастиц золота. Золотые частицы диаметром всего 16
нанометров покрывали сахарами, способными связываться с определёнными веществами.
Когда в раствор этих частиц добавляют исследуемую пробу, токсические вещества
прикрепляются к сахарам, за счёт чего резко меняется цвет всего раствора — из ярко
красного он становится синим. Степень изменения цвета указывает на концентрацию
опасных веществ. Разработан метод дешёвого и массового производства таких частиц.
Главное преимущество нового метода — определение заражения на месте и очень высокая
чувствительность. При помощи этого прибора можно будет быстро проверять, скажем,
питьевую воду.
Удалось создать даже коммерчески успешный продукт, который сегодня широко
используется в лечении рака простаты и печени. Его принцип действия заключается в
инкапсулировании радиоактивных элементов в наночастицы, окруженные белковыми
маркерами. После местного облучения опухоли, насыщенной этими наночастицами, она
погибала.