Jaki pożytek mamy z nanotechnologii? Nanomateriały w leczeniu chorób nowotworowych. prof. nadzw. dr hab. Jarosław Grobelny Katedra Technologii i Chemii Materiałów Uniwersytet Łódzki 90-236, Łódź Akademia Ciekawej Chemii 14.12.2011
Co to jest nano? nano przedrostek jednostki miary o symbolu n oznaczający mnożnik 0,000 000 001 = 10-9 (jedna miliardowa). Nazwa przedrostka pochodzi z języka greckiego: nanos (νάνος) oznacza karzeł 2
Co to jest nanotechnologia? Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nm i które posiadają nowe właściwości wynikające z nanorozmiaru. Nanotechnologia skupia w sobie wiedzę: fizyczną, chemiczną, biologiczną, medyczną oraz inżynierię materiałową. 2
Początki nanotechnologii? Wykład na konferencji organizowanej przez American Physical Society, 29 grudnia 1959 There's Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman Odpowiednie ułożenie atomów umożliwia stworzenie diamentu z węgla
Dlaczego nanotechnologia? Około 1956 roku Lata 90 XX wieku Przyszłość 2
Nanotechnologia pomaga tworzyć dzisiejsze produkty: Lżejsze Mocniejsze Szybsze Mniejsze Bardziej wytrzymałe
Superhydrofobizacja powierzchni do zastosowań antyoblodzeniowych w lotnictwie Odwzorowanie struktur lotosopodobnych superhydrofobowe rośliny: Lotos Kropla wody na powierzchni lotosu Kropla wody na powierzchni aluminium poddanej modyfikacji http://wthielicke.gmxhome.de/bionik/lotus.html
Kluczem do sukcesu w zastosowaniu nanocząstek jest wiedza o strukturze i właściwościach posiadanego nanomateriału?
Poszczególne Etapy Syntezy I II III I do wrzącego roztworu kwasu dodajemy podgrzany cytrynian trisodu, po 10 sekundach roztwór zabarwił się na szaroniebiesko, co świadczy o tworzeniu się zarodków złota II barwa zmienia się od szaroniebiaskiej do fioletowej III kolor roztworu jest brylantowo-czerwony, co wskazuje na wytworzenie się nanocząstek
Dostępne metody analizy nanocząstek Malvern Instruments Ltd Small-angle X-ray Scattering (SAXS) Differential Mobility Analyzer (DMA) 4
KRZEM mikroskopia STM Krzem: Najważniejszy materiał w elektronice i nanotechnologii
KRZEM mikroskopia STM Krzem(111) surface Atomowe stopnie Wysokość stopnia ~0.31 nm 100 nm
KRZEM mikroskopia STM Krzem (111) rozdzielczość atomowa 3.9nm
KRZEM mikroskopia STM Krzem (111) rozdzielczość atomowa defekty powierzchni 4.1nm
Force Mikroskop Sił Atomowych Fotodioda Laser Piezoelement x z y Dźwignia pomiarowa Ostrze pomiarowe 390nm Powierzchnia krzemu Displacement Spektroskopia siłowa Nanorurki węglowe Nanocząstki złota 6
AFM - Obrazowanie Nanocząstek AFM tryb rezonansowy- tapping mode z dużą amplitudą wibracji nanocząstki krzemionki na podłożu Au (111)
AFM- Manipulacja Nanocząstek AFM tryb rezonansowy- tapping mode z relatywnie małą amplitudą wibracji przed manipulacją po manipulacji 270nm 260nm 700nm 700nm nanocząstki krzemionki 700nm na podłożu Au (111) 700nm 8
Obrazy AFM nanocząstki złota RM 8012 (30nm) na powierzchni krzemu 1.0µm 14
Z[nm] Metrologia nanocząstek 62nm 35 30 25 20 15 10 35 nm 5 0 0 20 40 60 80 100 X[nm] 65 nm 15
AuNP Obraz obraz TEM AgNP TEM
Rak piersi Rak piersi to najczęstszy nowotwór złośliwy u kobiet w Polsce i na świecie (ok. 20% zachorowao na nowotwory złośliwe) w krajach wysoko rozwiniętych 1/8-10 kobiet zachoruje w ciągu życia na raka piersi Krajowy Rejestr Nowotworów: RAK PIERSI Rok 2007 14 482 nowych zachorowao 87 mężczyźni 5255 zgonów 45 mężczyźni 1080 dotyczyło mieszkanek województwa łódzkiego 373 dotyczyło mieszkanek województwa łódzkiego
LECZENIE TRADYCYJNE LECZENIE NOWOCZESNE Tradycyjne metody leczenie raka ukierunkowane są głównie na: usunięcie złych komórek (chirurgia onkologiczna), spalenie ich (radioterapia) zatrucie komórek rakowych szybciej niż komórek zdrowych (chemioterapia). Nie podejmuje się próby naprawy wadliwych komórek. Nowoczesne metody leczenia oparte na nanomedycynie ukierunkowane są na: dotarciu do komórek nowotworowych, nawet konkretnego typu ocenie szans na naprawę lub podjęciu decyzji o skierowaniu na drogę apoptozy selektywną naprawę uszkodzonych komórek jedna po drugiej
NANOCZĄSTKA WIELOFUNKCYJNA lek A lek B obrazowanie ligandy Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
PASYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄSTEK DO KOMÓREK NOWOTWOROWYCH Tkanka zdrowa Tkanka nowotworowa Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
Nanocząstki i Nowotwory Składnik do analizy (X-ray, MRI) Wskaźnik dostarczający lek Czujnik martwej komórki Miejsce przyłączenia do komórki rakowej Leczenie Lek dostarczany jest przez naczynia krwionośne do guza nowotworowego Źródło: Nicolas Beeson, University of Michigen, Centre for Biologic Nanotechnology 12
AKTYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄTKI DO KOMÓRKI NOWOTWOROWEJ NA DRODZE ENDOCYTOZY nośnik ligand lek receptor błona komórkowa egzocytoza i powrót receptora przenikanie do wnętrza komórki uwolnienie leku pod wpływem ph lub enzymów Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
NOWOCZESNE ROZWIĄZANIA W DIAGNOSTYCE Nanocząstki CdSe kropki kwantowe, obiekty o silnych właściwościach luminescencyjnych Rozmiar 1nm 10nm Wzbudzenie 365 nm Zmieniając rozmiar oraz rodzaj materiału możliwa jest kontrola emisji promieniowania elektromagnetycznego od podczerwieni poprzez całe spektrum światła widzialnego. Zastosowanie wykrywanie komórek rakowych różnego typu Źródło: Yu. P. Rakovich. et al. Physica E, 17, 99-100.2003
NOWOCZESNE ROZWIĄZANIA W DIAGNOSTYCE Obrazowanie nowotworów przy pomocy kropek kwantowych w zakresie światła widzialnego. Bioluminescencja Obraz optyczny Zastosowanie obiektów emitujących w bliskiej podczerwieni pozwala na: zmniejszenie sygnału tła - luminescencja krwi i tkanek zwiększenie zasięgu przenikania promieniowania Problem toksycznośd np. kadmu Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110, Xiaohu Gao, University of Washington, X. Gao, S. Nie, Emory University
LECZENIE NANOMEDYCZNE - HIPERTERMIA CEL doprowadzenie dużej ilości ciepła do komórek rakowych oraz jak najmniejsze do zdrowych. Zastosowanie nanocząstek (krzemionka/złoto) spowodowało zwiększenie efektywności miejscowego SH-PEG podgrzewania guza nowotworowego. 820nm RDZEŃ krzemionka 110nm Zastosowanie małej wielkości guzy i/lub przerzuty 4 W/cm 2 Rak piersi - MRTI POWŁOKA złoto 10 nm Głębokość od skóry (mm) Głębokość od skóry (mm) Źródło: Hirsch L R et al. PNAS 2003;100:13549-13554
LECZENIE NANOMEDYCZNE Liczba myszy (n=7) 5 4 3 5 - NP z DTX pokryte aptamerami (RNA) 4 DTX zamknięty w NP 3 docetaksel (DTX) 2- NP- biozgodny, bio-degradowany polimer 1- sól fizjologiczna zanik raka częściowy zanik raka rozwój raka śmierd 2 1 Źródło: Farokhzad O C et al. PNAS 2006;103:6315-6320 5 4 3 2 1 30
TABELA PREPARATÓW ZAWIERAJĄCYCH NANOCZĄSTKI Preparaty zawierające nanocząstki wykonane z polimerów. Faza I - na niewielkiej grupie zdrowych ochotników (20-80 osób) Faza II - na większej grupie (20-300 osób). Ma na celu zbadanie klinicznej skuteczności terapii. Faza III - randomizowane badania na dużej grupie pacjentów (300 3000 lub więcej osób). Market w sprzedaży Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110 31
Dziękuję za uwagę