Нанотехнологии в биомедицине

Нанотехнологии в биомедицине

 (лекция + практика + тестовые вопросы к зачету)

Обзор изучаемых тем:

Общие понятия о нанотехнологиях. Применение нанотехнологий в биомедицине

Общие понятия о нанотехнологиях. Определение понятия «нанотехнологии» Исторические сведения о развитии нанотехнологий. Применение нанотехнологий в биомедицине (адресная доставка лекарств, диагностика, тканевая инженерия). Обзор литературы, а также российских и зарубежных сайтов по нанотехнологиям в биологии и медицине.

 

Нанотехнологии в адресной доставке лекарств

Преимущества систем адресной доставки лекарственных препаратов посредством наноносителей. Коньюгаты наноносителей с лигандами. Наноносители в биомедицине. Липосомы и липидные наночастицы. Дендримеры. Углеродные нанотрубки (УНТ) и фуллерены в качестве носителей лекарственных препаратов. Применение вирусных векторов и вирусоподобных частиц в качестве носителей лекарственных препаратов. Применение нановолокон для адресной доставки лекарств. Способы получения нановолокон. Электроспиннинг.

Активация и доставка лекарств под действием физико-химических факторов. Наноструктуры в качестве молекулярных наномоторов. Нанороботы. Наноструктуры в лечении рака.

Нанотехнологии в биомедицинской диагностике

Использование наноструктур для ранней диагностики различных заболеваний. Квантовые точки. Наноконтейнеры, наночастицы золота, парамагнитные наночастицы в диагностике и лечении заболеваний. Применение наночастиц соединений железа в диагностике и лечении болезней. Микро- и нано-сенсоры в биомедицине. Наноструктуры в ранней диагностике рака.

 

Нанотехнологии в тканевой инженерии и регенеративной медицине

Нанотехнологии в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Основные этапы тканевой инженерии. Внеклеточный матрикс (ВКМ). Создание матриц как искусственного аналога ВКМ в тканевой инженерии. Функции наноструктуированных матриц в тканевой инженерии (регенерация костной и хрящевой ткани, регенерация сосудистой и нервной ткани, регенерация ткани сердечной мышцы). 3-D нанопринтеры в тканевой инженерии (биопринтинг).

 

 

Аппаратные методы нанотехнологий

Некоторые аппаратные методы, используемые в биомедицинских нанотехнологиях. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).

Применение оптических пинцетов для удержания и перемещения микро- и наноразмерных объектов в биомедицине. Применение различных видов литографии для создания наноструктур.

 

Краткое содержание тем:

Липосомы

Липосомы – сферические полые частицы, стенки которых построены из двойного фосфолипидного слоя (бислоя), одного или нескольких (рис. 1)

 

(фосфолипиды состоят их полярной "головки" и двух неполярных "хвостов", головка у них гидрофильна, а хвосты гидрофобны)

 

                

 

Рис. 1 Двойной фосфолипидный слой и однослойная липосома

 

Активное вещество (например, терапевтический материал) может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества), либо между стенками (у многослойных липосом). Размеры липосом могут быть очень вариабельными, от 20 нм до 10-50 мкм (у многослойных липосом, состоящих из десятков и сотен бислоев).

Обычно липосомы классифицируют на три группы: однослойные малые, однослойные большие и многослойные. Кроме того, в зависимости от состава и пути попадания в клетку липосомы могут быть разделены на пять классов: 1) стандартные липосомы, 2) липосомы, чувствительные к рН, 3) катионные липосомы, 4) липосомы с иммунными свойствами, 5) длительно циркулирующие липосомы.

Способ получения липосом – самосборка в смеси фосфолипидов с водой.

 

 

 

Дендримеры

Дендримеры (от греч. «dendron» - дерево) - трёхмерные сверхразветлённые глобулярные макромолекулы, обладающие регулярной структурой (рис. 2):

 

      

 

Рис. 2 Строение дендримера (верхний рисунок) и его структура (нижний рисунок)

 

В структуре дендримера можно выделить ядро, ветви и концевые группы. Последние во многом определяют растворимость и химические свойства дендримеров. Структуру дендритных молекул можно условно разделить на сферические слои, проходящие через равноудалённые от центра точки ветвления дендримера.

Центр или ядро дендримера имеет нулевую точку ветвления и обозначается G0 (нулевое поколение). Внешний слой заканчивается поверхностными, или терминальными, функциональными группами. Число терминальных групп возрастает в геометрической прогрессии при увеличении генерации, и ограничено, в свою очередь, площадью поверхности дендримера, которая имеет квадратичную зависимость от радиуса.

Большинство дендримеров являются аморфными веществами и обладают эластичностью, способностью набухать, изменять свои размеры в зависимости от значения pH раствора и природы растворителя. Химические и физические свойства дендримеров определяются их структурой и концевыми группами, они же

Дендримеры содержат в своем составе многочисленные полости, которые

могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов.

Определенная последовательность химических реакций в ходе синтеза дендримеров (из органических и неорганических полимеров) обеспечивает формирование макромолекулярного комплекса с заданными свойствами. Такие уникальные свойства дендримеров, как высокая степень ветвления, глобулярная форма и легкость функционализации поверхности, делают эти соединения перспективными носителями лекарственных препаратов.

Простейшим способом получения коньюгатов лекарств (и других лигандов) с дендримерами является их присоединение к поверхности дендримера.

Установлено, что дендримеры могут служить носителями как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных молекул, причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым.   

  Типичные размеры дендримеров: 1-100 нм.

 

Синтез дендримеров осуществляют двумя основными методами:

1. Дивергентный метод (дерево "произрастает" от центрального ядра);

2. Конвергентный метод синтеза представляет собой синтез отдельных фрагментов дендримера (дендронов) на основе дивергентного метода в обратном порядке с последующим присоединением их к центру или другому дендримеру.

 

Углеродные нанотрубки (УНТ)

 

Трубки, диаметр которых составляет от нескольких нанометров до сотен нанометров часто называют нанотрубками.

 

  Углеродные нанотрубки(УНТ)- протяжённые цилиндрические структуры диаметром от 1- 100 нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или

нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей

(рис.3,4):

Рис 3. Одностенная углеродная нанотрубка

Рис. 4 Многостенная углеродная нанотрубка

 

Для синтеза УНТ чаще всего используют три метода:

- химическое парофазное осаждение;

- электрическаю дугу;

- лазерную абляцию

Синтезированные УНТ имеют значительное количество примесей (частиц металлического катализатора и аморфного углерода), поэтому они нуждаются перед использованием в очистке.

Лазерная абляция (кусок графита вместе металлическим катализатором подвергают выпариванию под действием лазерного излучения в инертной атмосфере газообразного гелия или аргона) является способом получения наиболее чистых углеродных нанотрубок.

УНТ обладают уникальными электрическими, механическими, термическими и оптическими свойствами. Они нашли применение во множестве областей: материаловедении, электронике, энергетике, медицине и др..

  

В биомедицине, при использовании углеродных нанотрубок в качестве наноносителей при адресной доставке лекарств лиганды, обладающие терапевтическими свойствами (а также лиганды, отвечающие за адресную доставку или несущие диагностические метки) присоединяются к поверхности УНТ, к ее концам, помещаются внутрь УНТ или же между стенками (при использовании многостенных УНТ).

Важно: неочищенные УНТ токсичны!

УНТ гидрофобны (не растворимы в воде), поэтому, при применении их в биомедицине, предварительно модифицируют, присоединяя к ним гидрофильные лиганды.

 

Фуллерены

 

Фуллере́ны — молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые

многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов

углерода (рис. 5):

Рис. 5 Фуллерен С60 (наиболее распространненый)

 

По форме фуллерены напоминают футбольный мяч, диаметром в несколько нанометров.

Фуллерены, как и УНТ, обладают уникальными физико-химическими свойствами и так же, как и УНТ, нашли широкое применение во многих областях.

В биомедицине они писпользуются как для терапевтических целей (это сильные антиоксиданты), так и в качестве наноносителей для адресной доставки лекарств.

Фуллерены гидрофобны, поэтому требуется их модификация путем присоединения к ним гидрофильных лигандов.

Терапевтические агенты могут при адресной доставке могут присоединятся к поверхности фуллерена, а также помещаться внутрь его.

 

 

Продолжение курса:

Нановолокна

Нановолокна – волокна диаметром 1-100 нм, при этом их длина может достигать нескольких километров.

Нановолокна изготавливают из углерода, металлоорганических соединений, неорганических соединений и органических полимеров.

Такие свойства многих полимерных нановолокон, как возможность биоразложения, биосовместимость, большая удельная площадь поверхности и др. объясняют их широкое использование в системах адресной доставки лекарств.

Есть несколько способов получения нановолокон: вытягивание, матричный синтез, самопроизвольная сборка, разделение фаз, электроспиннинг.

 Среди перечисленных способов в настоящее время для получения нановолокон для адресной доставки оказался электроспининг.

Электроспиннинг - способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава.

Раствор полимера помещают в шприц с металлической иглой. Положительный выход источника напряжения соединяют с иглой шприца, а отрицательный подают на коллектор (землю). При превышении некоторого критического напряжения электрические силы превосходят силы поверхностного натяжения в растворе на кончике иглы и образуется тонкая струйка раствора полимера (рис. 6):

 

Рис. 6. Процесс электроспиннинга.

 

Эта струя направляется к земляному коллектору, причем в процессе движения она искривляется и ее диаметр постепенно уменьшается. Поскольку струя движется в воздухе, происходит испарение растворителя, и образующиеся нити полимера собираются в коллекторе подобно нетканым волокнам. Для получения длинных волокон вязкие растворы полимеров из длинноцепочных молекул.

При адресной доставке с помощью нановолокон лекарственные препараты и другие лиганды прикрепляются к их поверхности, а так же располагаются в полостях между волокнами.

 

 

Оптические пинцеты

     Оптический пинцет ( лазерный пинцет; оптическая ловушка) — оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в перетяжку (фокус) лазерного луча.

Впервые феномен удержания микроскопических частиц в луче лазера был впервые описан в 1970 г. Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin), сотрудником компании Bell Telephone Laboratories в США, который занимался изучением давления света на микрообъекты. В дальнейшем Эшкин и его коллеги продемонстрировали возможности оптической ловушки на основе инфракрасного лазера захватывать, удерживать и перемещать в пространстве различные биологические объекты, такие, как вирусные частицы, одиночные бактериальные и дрожжевые клетки и органеллы в живых клетках водорослей. Захваченные в оптическую ловушку клетки продолжали делиться, что свидетельствовало об отсутствии повреждающего воздействия инфракрасного лазерного излучения на биологические объекты.

В 2018 году А. Эшкину за работы по созданию оптического пинцета была присуждена Нобелевская премия по физике.

Принцип работы лазерного пинцета состоит в том, что оптически прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки) одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно.

Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в неоднородном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна.

Открытие А. Эшкина катализировало развитие целого направления оптической манипуляции микрообъектами и разработку новых видов оптических ловушек. В современных оптических ловушках и пинцетах используется один или несколько лазеров и акустооптические преобразователи (для управления лазерным лучом), позволяющие создавать стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объектами сразу. С помощью таких приборов стало возможным, например. измерить силу, развиваемую одиночными молекулами молекулярных моторов, таких, как миозин и кинезин, а также элементарные шаги, которые делают эти молекулы при двигательном акте (рис. 6)

 

Рис. 16. Измерение силы тяги «молекулярной машины» с помощью оптического пинцета

 

 Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как один из важнейших инструментов для нанотехнологий.

С помощью оптического пинцета можно передвигать частицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры (см. рис. 2):

Рисунок 2. Сложенные с помощью лазерного пинцета различные узоры из гелевых наночастиц.

Интенсивность лазерного пучка максимальна на его оси и плавно спадает к краям. Закон изменения интенсивности соответствует так называемому нормальному, или гауссовскому, распределению, которому подчиняются все природные процессы. Поэтому частица удерживается на оси пучка, а при фокусировке пучка линзой она "втягивается" в точку фокуса и оказывается "пойманной" в трех измерениях. Чтобы создать силы, способные осуществить такую "трехмерную ловушку", требуется излучение мощностью порядка нескольких милливатт.

Объединяя метод оптического пинцета с использованием других лазерных пучков, исследователи могут, например, захватить отдельную хромосому и разрезать на кусочки для дальнейшего анализа. Для захвата можно применить инфракрасное излучение с длиной волны λ=1,064 мкм, а вторую его гармонику - зеленый свет (λ=0,532 мкм) - для разрезания в качестве "оптических ножниц": биологические объекты почти прозрачны в инфракрасной области, но сильно поглощают зеленый свет.

 

 

Тестовые  вопросы к зачету:

 

1. Один нанометр равен

- 10^-6 м

- 10^-9 м

- 10^-12 м

2. Нанотехнологии оперируют с объектами, размеры которых

- 1-100 нм хотя бы в одном измерении

- 1-100 нм во всех трех измерениях

- 1-10 нм во всех трех измерениях

3. Одним из создателей понятия «нанотехнологии» является

- А. Эйнштейн

- Э. Дрекслер

- Н. Виннер

4. Какие из перечисленных объектов не используются в качестве наноносителей при адресной доставке лекарств?

- графты

- дендримеры

- улеродные нанотрубки

5. Конъюгат – это

- наночастица галия

- искусственно созданная наночастица (молекула) в которой соединены наночастицы (молекулы) с разными свойствами

- наноноситель из двух концентрических нанотрубок

6. Липосомы имеют форму

- нити

- полой сферы

- полой трубки

7. Углеродные нанотрубки (УНТ) станут водорастворимыми, если

- предварительно обработать их водяным паром

- присоединить к ним гидрофильный лиганд

- облучить их ультрафиолетовым излучением

8. Вирус может быть использован в качестве наноносителя для адресной доставки лекарств, если

- присоединить лекарственный лиганд к его хвосту.

- присоединить лекарственный лиганд к поверхности его капсида.

- нейтрализовать или удалить генетический материал в его капсиде, поместив в капсид терапевтический материал.

      9. Скаффолд в тканевой инженерии это

- искусственная матрица – аналог внеклеточного матрикса (ВКМ)

- специальный гель для склеивания тканевых сфероидов

- выращенный орган перед его переносом в организм

10. Нановолокна могут иметь длину

- до нескольких нанометров

- до нескольких миллиметров

- до нескольких километров

11. Липосомы

- гидрофильны

- гидрофобны

- в зависимости от способа их получения могут быть как гидрофильными, так и гидрофобными

12. Фуллерены состоят из атомов

- кремния

- фосфора

- углерода

13. Фотостабильность выше у органических люминофоров или у квантовых точек (КТ)?

- квантовых точек (КТ)

- органических люминофоров

- практически одинакова

14. Графт в тканевой инженерии это

- графитовая подложка для выращивания скаффолда

- искусственно выращенный орган или ткань

- тканевый сфероид

15. При биопринтинге, в отличие от классической тканевой инженерии, не используются

- стволовые клетки

- биореактор

- скаффолд

16. Кантилевер это

- упругая консоль с острым зондом на конце

- устройство для перемещения образца в зондовой микроскопии

- острая металлическая игла

17. Какое из перечисленных устройств не является сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ)

- туннельный микроскоп

- атомно-силовой микроскоп

- электронный микроскоп

- ближнепольный оптический микроскоп

18. Оптический пинцет представляет собой

- сделанный по технологии МЭМС пинцет из оптически прозрачного материала

- один или несколько сфокусированных лазерных пучков

- пинцет с установленными на его лапках миниатюрным полупроводниковым лазером и фотоприемником

19. Стенки липосом состоят из

- одинарного фосфолипидного слоя

- двойного фосфолипидного слоя

- тройного фосфолипидного слоя

20. Дендримеры имеют форму

- полой сферы

- трехмерной симметричной древообразной с регулярными ветвлениями структуры

- двумерного монослоя

21. Укажите не используемый при сборке дендримеров способ

- дивергентный

- конвергентный

- лазерной абляции

22. Способы получения нановолокон (указать не существующий)

- самосборка

- разделение фаз

- пролиферация

- электроспининг

23. Укажите способ получения наиболее чистых углеродных нанотрубок (УНТ)

- химическое парафазное осаждение

- лазерная абляция

- электрическая дуга

24. Две квантовые точки (КТ), одинаковые по составу, но имеющие разные размеры, были возбуждены от одного и того же источника. Длина волны их люминесцирующего излучения

- одинакова у обеих КТ

- у КТ с большими размерами будет больше

- у КТ с большими размерами будет меньше

25. В тканевой инженерии дифференцировка стволовых клеток происходит

- во время их отбора и культивирования

- во время их нанесения на скаффолд

- в биореакторе

26. Какой из сканирующих зондовых микроскопов не применим для исследования биологических объектов?

- туннельный

- атомно-силовой

27. Каким из устройств можно измерить силу взаимодействия между двумя молекулами

- оптическим пинцетом

- тензодатчиком

- граммометром

Уважаемые студенты заочники!

До субботы 25 апреля (дата зачета) необходимо прислать мне реферат и ответы на тестовые вопросы (номер вопроса и выбранный правильный ответ) – это необходимые условия для сдачи зачета!

С уважением,

Нелюбов Владимир Михайлович

Нанотехнологии в биомедицине

 (лекция + практика + тестовые вопросы к зачету)

Обзор изучаемых тем: