Nanomateriaływ leczeniu chorób

(1)

Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz

Jaki pożytek mamy z nanotechnologii ? Nanomateriały w leczeniu chorób

nowotworowych.

prof. dr hab. Jarosław Grobelny

Katedra Technologii i Chemii Materiałów Uniwersytet Łódzki

90-236, Łódź

Akademia Ciekawej Chemii 28.10.2020

(2)

Co to jest nano?

2

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

(3)

Co to jest nanotechnologia?

2

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.

(4)

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

(5)

Dlaczego nanotechnologia ?

2

Około 1956 roku Lata 90 XX wieku Przyszłość

(6)

Nanotechnologia…

pomaga tworzyć dzisiejsze produkty:

Lżejsze

Mocniejsze Szybsze

Mniejsze

Bardziej wytrzymałe

(7)

Kosmetyki Sprzęt AGD

Tkaniny

Obszary aplikacji AgNP

Nanocząstki srebra

Artykuły skórzane

Wyposażenie kuchenne i łazienkowe

Artykuły

medyczno - sanitarne

(8)

Superhydrofobizacja powierzchni

do zastosowań antyoblodzeniowych w lotnictwie

http://wthielicke.gmxhome.de/bionik/lotus.html

Odwzorowanie struktur lotosopodobnych – superhydrofobowe rośliny:

Kropla wody na powierzchni aluminium poddanej modyfikacji Kropla wody

na powierzchni lotosu

Lotos

(9)

Kluczem do sukcesu w zastosowaniu nanocząstek jest wiedza o strukturze i właściwościach posiadanego nanomateriału

?

(10)

Poszczególne Etapy Syntezy

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

I II III

(11)

Dostępne metody analizy nanocząstek

Malvern Instruments Ltd

Small-angle X-ray Scattering (SAXS) Differential Mobility Analyzer (DMA)

4

(12)

Krzem:

Najważniejszy materiał w

elektronice i nanotechnologii

KRZEM – mikroskopia STM

(13)

Krzem(111) surface

Atomowe stopnie Wysokość stopnia

~0.31 nm

KRZEM – mikroskopia STM

100 nm

(14)

KRZEM – mikroskopia STM

Krzem (111) rozdzielczość atomowa

3.9nm

(15)

4.1nm

KRZEM – mikroskopia STM

Krzem (111) rozdzielczość atomowa

defekty

powierzchni

(16)

Mikroskop Sił Atomowych

390nm

Powierzchnia krzemu

Nanocząstki złota Nanorurki węglowe

Spektroskopia siłowa

Displacement

Force

Laser

Dźwignia pomiarowa Piezo-

element

y z x

Fotodioda

Ostrze pomiarowe

6

(17)

AFM tryb rezonansowy- “tapping mode”

– z dużą amplitudą wibracji

AFM - Obrazowanie Nanocząstek

nanocząstki krzemionki na podłożu Au (111)

(18)

nanocząstki krzemionki na podłożu Au (111) AFM tryb rezonansowy-

“tapping mode” – z relatywnie małą amplitudą wibracji

270nm

260nm

przed manipulacją po manipulacji

AFM- Manipulacja Nanocząstek

700nm

700nm 700nm

8

(19)

Obrazy AFM – nanocząstki złota RM 8012 (30nm) na powierzchni krzemu

1.0µm

14

(20)

62nm

Metrologia nanocząstek

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25 30 35

X[nm]

Z[nm]

65 nm

35 nm

15

(21)

Obraz TEM AgNP

AuNP obraz TEM

(22)

Nano-doktor

(23)

L ECZENIE TRADYCYJNE – L ^ECZENIE N ^OWOCZESNE

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”

(24)

N ANOCZĄSTKA WIELOFUNKCYJNA

lek A lek B

obrazowanie ligandy

Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110

(25)

P ASYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄSTEK DO KOMÓREK NOWOTWOROWYCH

Tkanka

zdrowa Tkanka

nowotworowa

(26)

Nanocząstki i Nowotwory

Lek dostarczany jest przez naczynia krwionośne do guza nowotworowego

Wskaźnik dostarczający lek

Miejsce przyłączenia do

komórki rakowej Leczenie

Czujnik martwej komórki Składnik do analizy

(X-ray, MRI)

Źródło: Nicolas Beeson, University of Michigen, Centre for Biologic Nanotechnology

12

(27)

A KTYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄTKI DO KOMÓRKI NOWOTWOROWEJ NA DRODZE ENDOCYTOZY

nośnik lek

ligand

receptor

uwolnienie leku pod wpływem pH lub enzymów egzocytoza i

powrót receptora

błona komórkowa

przenikanie do wnętrza

komórki

(28)

N OWOCZESNE ROZWIĄZANIA W DIAGNOSTYCE

Nanocząstki CdSe – kropki kwantowe, obiekty o silnych właściwościach luminescencyjnych

Rozmiar – 1nm – 10nm

Zmieniając rozmiar oraz rodzaj materiału możliwa jest kontrola emisji promieniowania elektromagnetycznego od podczerwieni poprzez całe spektrum światła widzialnego.

Zastosowanie – wykrywanie komórek rakowych różnego typu

Wzbudzenie – 365 nm

Źródło: Yu. P. Rakovich. et al. Physica E , 17, 99-100.2003

(29)

N OWOCZESNE ROZWIĄZANIA W DIAGNOSTYCE

Obrazowanie nowotworów przy pomocy kropek kwantowych – w zakresie światła widzialnego.

Zastosowanie obiektów emitujących w bliskiej podczerwieni pozwala na:

• zmniejszenie sygnału tła - luminescencja krwi i tkanek

• zwiększenie zasięgu przenikania promieniowania

Problem – toksyczność np. kadmu

Bioluminescencja Obraz optyczny

Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110 , Xiaohu Gao , University of Washington, X. Gao, S. Nie, Emory University

(30)

LECZENIE NANOMEDYCZNE - HIPERTERMIA

Zastosowanie –małej wielkości guzy i/lub przerzuty

CEL – doprowadzenie dużej ilości ciepła do komórek rakowych oraz jak najmniejsze do zdrowych. Zastosowanie nanocząstek (krzemionka/złoto) spowodowało zwiększenie efektywności miejscowego

podgrzewania guza

nowotworowego. ^820nm RDZEŃ – krzemionka 110nm

POWŁOKA – złoto 10 nm

Głębokość od skóry (mm) Głębokość od skóry (mm) SH-PEG

4 W/cm

²

Rak piersi - MRTI

Źródło: Hirsch L R et al. PNAS 2003;100:13549-13554

(31)

LECZENIE NANOMEDYCZNE

5 - NP z DTX pokryte aptamerami (RNA) 4 – DTX zamknięty w NP

3 – docetaksel (DTX)

2- NP- biozgodny, bio-degradowany polimer

1- sól fizjologiczna

1 2 3 4 5

5 4 3 2 1

Li czba my szy (n=7)

zanik raka

częściowy zanik raka rozwój raka

śmierć

31 Źródło: Farokhzad O C et al. PNAS 2006;103:6315-6320

(32)

TABELA PREPARATÓW ZAWIERAJĄCYCH NANOCZĄSTKI

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

Preparaty zawierające nanocząstki wykonane z polimerów.

32

(33)

(34)

Dziękuję za uwagę

AuNPs