Nanotechnologie v medicíne: Obrovský potenciál, ale jaké jsou rizika?

Nanotechnologie, manipulace s materiálem v atomovém a molekulárním merítku s cílem vytvorit materiály s pozoruhodne ruznými a novými vlastnostmi je rychle rostoucí oblastí výzkumu s obrovským potenciálem v mnoha odvetvích, od zdravotnictví az po konstrukci a elektroniku. V medicíne slibuje revoluci v poskytování drog, genové terapii, diagnostice a mnoha oblastech výzkumu, vývoje a klinické aplikace.
Tento clánek se nepokousí pokrýt celé pole, ale prostrednictvím nekolika príkladu nabízí nekolik pohledu na to, jak má nanotechnologie potenciál zmenit lékarství, a to jak ve výzkumné laboratori, tak klinicky, zatímco se dotýká nekterých výzev a obav ze to vyvolává.

Co je to nanotechnologie?

Predpona "nano" pochází ze starovekého reckého pro "trpaslík". Ve vede to znamená jednu miliardu (10 az mínus 9) neceho, takze nanometr (nm) je jedna miliardtina metru nebo 0.000000001 metru. Nanometr je asi tri az pet atomu siroký, nebo asi 40 000 krát mensí nez tloustka lidských vlasu. Viry mají obvykle velikost 100 nm.
Schopnost manipulovat struktury a vlastnosti na nanoscitech v medicíne je jako mít submikroskopickou laboratorní lavicku, na níz muzete manipulovat s bunkami, viry nebo kusy DNA pomocí rady drobných nástroju, robotu a trubek.

Manipulace s DNA

Terapie, které zahrnují manipulaci s jednotlivými geny nebo molekulární cesty, které ovlivnují jejich expresi, jsou stále casteji zkoumány jako moznost lécby onemocnení. Jedním z nejvyhledávanejsích cílu v této oblasti je schopnost prizpusobit lécbu genetickému slození jednotlivých pacientu.
To vytvárí potrebu nástroju, které vedcum pomáhají experimentovat a rozvíjet takové osetrení.
Predstavte si napríklad, ze byste mohli rozlozit cást DNA jako pramen spaget, abyste mohli zkoumat nebo pracovat na ní, nebo budovat nanoroboty, které mohou "chodit" a provádet opravy uvnitr bunecných komponent. Nanotechnologie prinásí tento vedecký sen blizsí realite.
Napríklad vedci Australské národní univerzity se podarilo na koncích modifikované DNA spojit povlecené latexové korálky a poté pomocí "optické pasty", která obsahuje zaostrený paprsek svetla, aby drzely kulicky na svém míste, roztazily DNA pro studium interakcí specifických vazebných proteinu.

Nanoboty a nanostary

Mezitím chemiké z New Yorské univerzity (NYU) vytvorili nanotrískový robot z fragmentu DNA, který chodí na dve nohy s délkou jen 10 nm. V clánku z roku 2004 zverejneném v casopise Nano dopisy, popisují, jak jejich "nanowalker", s pomocí molekul psoralenu pripevnených ke koncum nohou, vezme své první detské kroky: dva dopredu a dva zády.
Jeden z vedcu, Ned Seeman, rekl, ze predpokládá, ze bude mozné vytvorit molekulovou výrobní linku, kde budete pohybovat molekulou, dokud nebude dosazeno správného místa, a nanobot udelá trochu chemie na to, spíse jako " bodové svarování "na montázní linii automobilu. Seemanova laborator v NYU se také snazí vyuzívat DNA nanotechnologii k vytvorení pocítace s bioprípadlem a zjistit, jak krystalizují biologické molekuly - oblast, která je v soucasné dobe plná úkolu.
Práce, kterou Seeman a kolegové delají, je dobrým príkladem "biomimetiky", kde s nanotechnologií mohou napodobit nekteré biologické procesy v prírode, jako je chování DNA, navrhnout nové metody a dokonce je dokonce zlepsit.
DNA nanoboty zalozené na DNA jsou také vytváreny pro zamerení rakovinných bunek. Napríklad výzkumníci z Harvardské lékarské skoly v USA nedávno informovali v roce 2006 Veda jak delali "origami nanorobot" z DNA pro transport molekulárního uzitecného zatízení. Nádobovitý nanobot muze nést molekuly obsahující instrukce, které ciní bunky chováním urcitým zpusobem. Ve své studii úspesne demonstruje tým, jak dodává molekuly, které zpusobují sebevrazdu bunek v bunkách leukémie a lymfomu.
Nanoboty vyrobené z jiných materiálu jsou také ve vývoji. Napríklad zlato je materiál vedci na Northwestern univerzite pouzívat, aby se "nanostars", jednoduché, specializované, hvezdicovité nanocástice, které mohou dodávat léky prímo do jádra rakovinných bunek. V nedávném casopise v casopise ACS Nano, popisují, jak se nanostarové látky nabité drogou chovají jako drobní stopari, ze po pritahování k nadmerne exprimovanému proteinu na povrchu bunek lidského cervikálního a ovariálního karcinomu ukládají své uzitecné zatízení prímo do jádra techto bunek.
Vedci zjistili, ze dávají své nanoboty tvar hvezdy, která pomohla prekonat jednu z problému, jak pomocí nanocástic prináset drogy: jak presne uvolnovat drogy. Ríká se, ze tvar pomáhá soustredit svetelné impulsy pouzívané k uvolnování léku presne v bodech hvezdy.

Nanofaktory, které vyrábejí léky In situ

Vedci zjistili, ze léky na bázi bílkovin jsou velmi uzitecné, protoze mohou být naprogramovány tak, aby dodávaly bunkám specifické signály. Problémem s konvencním dorucením takových léku je, ze telo vetsinu z nich rozbije dríve, nez dosáhnou svého cíle.
Ale co kdyby bylo mozné takové drogy vyrábet in situ, prímo na cílovém míste? No, v nedávném císle Nano dopisy, výzkumníci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) v USA ukazují, jak to muze být mozné. Ve své studii dukazu o zásadách demonstrují proveditelnost self-assembling "nanofactories", které vyrábejí proteinové slouceniny na vyzádání na cílových místech. Dosud testovali myslenku u mysí tím, ze vytvárely nanocástice programované tak, aby produkovaly bud zelený fluorescencní protein (GFP) nebo luciferázu vystavenou UV zárení.
Tým MIT prisel s nápadem a snazil se najít zpusob, jak napadnout metastatické nádory, ty, které rostou z rakovinných bunek, které migrovaly z puvodního místa do jiných cástí tela. Více nez 90% úmrtí na rakovinu je zpusobeno metastazující rakovinou. Nyní pracují na nanocásticích, které mohou syntetizovat potenciální léky proti rakovine, a také na dalsích zpusobech jejich zapnutí.

Nanovlákna

Nanovlákna jsou vlákna o prumeru mensím nez 1000 nm. Mezi lékarské aplikace patrí speciální materiály pro obvazy na rány a chirurgické textilie, materiály pouzívané v implantátech, tkánové inzenýrství a umelé komponenty orgánu.
Nanovlákna vyrobená z uhlíku jsou také príslibem pro lékarské zobrazování a presné vedecké merící nástroje. Existují vsak obrovské výzvy, které je treba prekonat, pricemz jedním z hlavních je, jak je ucinit dusledne správnou velikostí. Historicky to bylo nákladné a casove nárocné.

Ale v lonském roce výzkumníci ze Státní univerzity Severní Karolíny odhalili, jak vyvinuli novou metodu pro výrobu uhlíkových nanovláken urcitých velikostí. Psaní Aplikované materiály a rozhraní ACS v breznu 2011 popisují, jak se jim podarilo rust rovnomerných uhlíkových nanovláken v prumeru pomocí nanocástic niklu pokrytých plástem z ligandu, malých organických molekul s funkcními cástmi, které se prímo spojují s kovy.
Niklové nanocástice jsou obzvláste zajímavé, protoze pri vysokých teplotách pomáhají rust uhlíkových nanovláken. Vedci také zjistili, ze pri pouzití techto nanocástic existuje dalsí výhoda, mohli by definovat, kde rostly nanovlákna, a správným umístením nanocástic, které by mohly rust nanovláken v pozadovaném specifickém vzorku: dulezitý prvek pro uzitecné nanoskopické materiály.
Olovo je dalsí látka, která je pouzívána jako nanovlákna, takze neurochirurg Matthew MacEwan, který studuje na Washingtonské univerzitní lékarské fakulte v St. Louis, zalozil vlastní nanomedicínskou spolecnost zamerenou na revoluci chirurgického pletiva, se pouzívá v operacních sálech po celém svete.
Produkt olova je syntetický polymer obsahující jednotlivé prameny nanovláken a byl vyvinut pro opravu poranení mozku a míchy, avsak MacEwan si myslí, ze by mohl být také pouzit k úprave kýly, fistul a dalsích zranení.
V soucasné dobe jsou chirurgická oka pouzívaná k oprave ochranné membrány, která kryjí mozku a míchu, z tlustého a tuhého materiálu, s nímz je obtízné pracovat. Olovená nanovlákna jsou tencí, pruznejsí a s vetsí pravdepodobností se integrují do vlastních tkání, ríká MacEwan. Kazdé vlákno nanovláknitého pletiva je tisíckrát mensí nez prumer jedné bunky. Myslenkou je pouzití nanovlákenného materiálu nejen proto, aby operátori mohli lépe provést operaci, ale také proto, ze je pro pacienty méne komplikací po operaci, protoze se v prubehu casu prirozene rozkládá.
Výzkumníci z Polytechnického institutu New York University (NYU-Poly) nedávno prokázali nový zpusob, jak vyrobit nanovlákna z bílkovin. Psát nedávno v casopise Pokrocilé funkcní materiály, výzkumníci ríkají, ze narazili na své nálezy témer náhodou: studují nekteré proteiny ve tvaru válce odvozené od chrupavky, kdyz si vsimli, ze ve vysokých koncentracích se nekteré proteiny spontánne shromázdily a samo-sestavily se do nanovláken.
Provedli dalsí experimenty, jako je pridání kovu rozpoznávající aminokyseliny a ruzné kovy, a zjistili, ze mohou rídit tvorbu vláken, zmenit jejich tvar a jak se váze na malé molekuly. Napríklad pridání niklu premenil vlákna na zhlukované rohoze, které by mohly být pouzity ke spustení uvolnování pripojené molekuly léku.
Vedci doufali, ze tato nová metoda výrazne zlepsí dodávky léku pro lécbu rakoviny, srdecních chorob a Alzheimerovy choroby. Mohou také videt aplikace v regeneraci lidské tkáne, kostí a chrupavek, a dokonce i jako zpusob, jak vyvíjet mladsí a výkonnejsí mikroprocesory pro pouzití v pocítacích a spotrební elektronice.

Schéma znázornující, jak mohou být nanocástice nebo jiné léky proti rakovine pouzity k lécbe rakoviny. Toto ilustrace bylo provedeno pro Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

Jaká budoucnost a obavy kolem nanomateriálu?

V posledních letech doslo k výbuchu v poctu studií, které ukazují rozmanitost lékarských aplikací nanotechnologií a nanomateriálu. V tomto clánku jsme zahlédli jen malý prurez této rozsáhlé oblasti. V celém rozsahu vsak existují znacné výzvy, z nichz nejvetsí se jeví, jak zvýsit výrobu materiálu a nástroju a jak snízit náklady a casové plány.
Dalsí výzvou je, jak rychle zajistit duveru verejnosti, ze tato rychle se rozvíjející technologie je bezpecná. A zatím není jasné, zda se to delá.

Existují ti, kterí naznacují, ze obavy o nanotechnologii mohou být prehnané. Poukazují na skutecnost, ze práve proto, ze je materiál nanosírován, neznamená to, ze je to nebezpecné, nebo dokonce nanocástice byly od té doby, co se Zeme zrodila, prirozene vyskytující se napríklad ve vulkanickém popelu a ve spreji na mori. Jako vedlejsí produkty lidské cinnosti jsou prítomny od doby kamenné, v kouri a saze.
Pri pokusech o zkoumání bezpecnosti nanomateriálu uvádí Národní rakovinový institut v USA, ze v prostredí jsou prirozene prítomny nanocástice, které jsou "casto na úrovni vyssích rádu, nez jsou hodnocené inzenýrské cástice".V mnoha ohledech poukazují na to, ze "vetsina konstrukcních nanocástic je mnohem méne toxická nez cistící prostredky pro domácnost, insekticidy pouzívané na domácím mazlícku a léky proti lupum", a ze napríklad jejich pouzití jako nosicu chemoterapeutik v lécba rakoviny, jsou mnohem méne toxické nez léky, které nesou.
Je snad více v potravinárském odvetví, ze jsme zaznamenali nejvetsí rozsírení nanomateriálu na komercní úrovni. Prestoze pocet potravin, které obsahují nanomateriály, je stále malý, zdá se, ze v prístích nekolika letech se technologie mení. Nanomateriály se jiz pouzívají ke snízení obsahu tuku a cukru bez zmeny chuti nebo ke zlepsení obalu, aby potraviny byly cerstvejsí, nebo aby spotrebitelum informoval, zda jsou potraviny rozmazané. Pouzívají se také ke zvýsení biologické dostupnosti zivin (napríklad v doplncích stravy).
Existují vsak i zainteresované strany, které zduraznují, ze zatímco se tempo výzkumu zrychluje a trh s nanomateriály se rozsiruje, zdá se, ze není dostatecné, aby se objevily jejich toxikologické dusledky.
To byl názor výboru pro vedu a technologii Snemovny lordu britského parlamentu, který v nedávné zpráve o nanotechnologiích a potravinách vyvolává nekolik obav o nanomateriálech a lidském zdraví, zejména o riziku, které predstavuje pozití nanomateriálu.
Napríklad jedna oblast, která se týká výboru, je velikost a výjimecná mobilita nanocástic: jsou dostatecne malé, pokud jsou pohlceny, aby pronikly do bunecných membrán obliceje strev, s potenciálem prístupu do mozku a dalsích cástí tela , a dokonce i uvnitr jader bunek.
Dalsí je rozpustnost a perzistence nanomateriálu. Co se stane napríklad s nerozpustnými nanocásticemi? Pokud nemohou být rozlozeny a stráveny nebo degradovány, existuje nebezpecí, ze se hromadí a poskodí orgány? Nanomateriály, které obsahují anorganické oxidy kovu a kovy, se povazují za ty, které v této oblasti pravdepodobne predstavují nejvyssí riziko.
Také vzhledem k jejich vysokému pomeru povrchu k hmotnosti jsou nanocástice vysoce reaktivní a mohou napríklad vyvolat dosud neznámé chemické reakce nebo spojením s toxiny dovolit jim proniknout do bunek, které by jinak nemeli prístup.
Napríklad s jejich velkým povrchem, reaktivitou a elektrickým nábojem vytvárejí nanomateriály podmínky pro to, co je popsáno jako "agregace cástic" v dusledku fyzikálních sil a "aglomerace cástic" zpusobené chemickými silami, takze jednotlivé nanocástice se spojují a tvorí vetsí ty. To muze vést nejen k dramaticky vetsím cásticím, napr. V cele a uvnitr bunek, ale muze také vést k rozdelení shluku nanocástic, které by mohly radikálne zmenit jejich fyzikálne-chemické vlastnosti a chemickou reaktivitu.
"Takové reverzibilní jevy prispívají k obtíznosti porozumení chování a toxikologii nanomateriálu," ríká výbor, jehoz celkový záver je takový, ze ani vláda, ani Výzkumná rada nedávají dostatecnou prioritu zkoumání bezpecnosti nanotechnologií, zejména "s ohledem na casové rozmezí které produkty obsahující nanomateriály mohou být vyvinuty ".
Doporucují mnohem více výzkumu, aby se "zajistilo, ze regulacní agentury mohou úcinne posoudit bezpecnost výrobku predtím, nez budou povoleny na trhu".
Zdá se tedy, zda skutecné nebo vnímané, potenciální riziko, které nanotechnologie predstavuje pro lidské zdraví, musí být prozkoumány a musí být prozkoumány. Vetsina nanomateriálu, jak naznacuje NCI, se pravdepodobne ukáze jako neskodná.
Kdyz vsak technologie pokrocila rychle, znalosti a komunikace o její bezpecnosti musí udrzet tempo, aby bylo prospesné, zejména pokud jde o zajistení duvery verejnosti. Musíme se jen podívat na to, co se stalo a do jisté míry se stále deje, s geneticky modifikovanými potravinami, abychom zjistili, jak to muze být spatne.
Napsal Catharine Paddock PhD