jaki pożytek mamy z nanotechnologii ? nanomateriaływ ... · wykład na konferencji organizowanej...
TRANSCRIPT
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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.
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Dlaczego nanotechnologia ?
2
Około 1956 roku Lata 90 XX wieku Przyszłość
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Nanotechnologia…
pomaga tworzyć dzisiejsze produkty:
Lżejsze
Mocniejsze
Szybsze
Mniejsze
Bardziej wytrzymałe
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Superhydrofobizacja powierzchnido zastosowań antyoblodzeniowych w lotnictwie
http://wthielicke.gmxhome.de/bionik/lotus.html
Odwzorowanie struktur lotosopodobnych – superhydrofobowe rośliny:
Kropla wody na powierzchni aluminium poddanej modyfikacji
Kropla wodyna powierzchni lotosu
Lotos
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Kluczem do sukcesu w zastosowaniu nanocząstek jest wiedza
o strukturze i właściwościach posiadanego nanomateriału
?
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Dostępne metody analizy nanocząstek
Malvern Instruments Ltd
Small-angle X-ray Scattering (SAXS)
Differential Mobility Analyzer (DMA)
4
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Krzem:
Najważniejszy
materiał w
elektronice i
nanotechnologii
KRZEM – mikroskopia STM
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Krzem(111)
surface
Atomowe
stopnie
Wysokość
stopnia
~0.31 nm
KRZEM – mikroskopia STM
100 nm
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
KRZEM – mikroskopia STM
Krzem (111)
rozdzielczość
atomowa
3.9nm
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
4.1nm
KRZEM – mikroskopia STM
Krzem (111)
rozdzielczość
atomowa
defekty
powierzchni
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Mikroskop Sił Atomowych
390nm
Powierzchnia krzemu
Nanocząstki złotaNanorurki węglowe
Spektroskopia siłowa
Displacement
Fo
rce
Laser
Dźwignia
pomiarowa
Piezo-
elementy
z
x
Fotodioda
Ostrze
pomiarowe
6
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
AFM tryb rezonansowy- “tapping mode”
– z dużą amplitudą wibracji
AFM - Obrazowanie Nanocząstek
nanocząstki krzemionki na podłożu Au (111)
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
nanocząstki krzemionki na podłożu Au (111)
AFM tryb rezonansowy-
“tapping mode” – z
relatywnie małą amplitudą
wibracji
270nm260nm
przed manipulacją po manipulacji
AFM- Manipulacja Nanocząstek
700nm700nm
700nm700nm
8
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Obrazy AFM – nanocząstki złota RM 8012 (30nm) na
powierzchni krzemu
1.0µm
14
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Obraz TEM AgNPAuNP obraz TEM
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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
1080 dotyczyło mieszkanek
województwa łódzkiego
5255 zgonów
45 mężczyźni
373 dotyczyło mieszkanek
województwa łódzkiego
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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”
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
NANOCZĄSTKA WIELOFUNKCYJNA
lek A
lek B
obrazowanie
ligandy
Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
PASYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄSTEK
DO KOMÓREK NOWOTWOROWYCH
Tkanka
zdrowaTkanka
nowotworowa
Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Nanocząstki i Nowotwory
Lek dostarczany jest przez naczynia krwionośne
do guza nowotworowego
Wskaźnik
dostarczający lek
Miejsce
przyłączenia do
komórki rakowejLeczenie
Czujnik martwej
komórki
Składnik do analizy
(X-ray, MRI)
Źródło: Nicolas Beeson, University of Michigen, Centre for Biologic Nanotechnology
12
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
AKTYWNA METODA DOCIERANIA NANOCZĄTKI DO KOMÓRKI
NOWOTWOROWEJ NA DRODZE ENDOCYTOZY
nośnik lek
ligand
receptor
uwolnienie leku pod wpływem pHlub enzymów
egzocytoza i powrót receptora
błona komórkowa
przenikanie do wnętrza komórki
Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
NOWOCZESNE ROZWIĄZANIA W DIAGNOSTYCE
Nanocząstki CdSe – kropki kwantowe, obiekty o silnych właściwościach luminescencyjnychRozmiar – 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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
NOWOCZESNE 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 – toksycznośd 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
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
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/cm2
Rak piersi
- MRTI
Źródło: Hirsch L R et al. PNAS 2003;100:13549-13554
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
LECZENIE NANOMEDYCZNE
5 - NP z DTX pokryte aptamerami (RNA)4 – DTX zamknięty w NP3 – docetaksel (DTX)2- NP- biozgodny, bio-degradowanypolimer1- sól fizjologiczna
1
2
3
4
5
5 4 3 2 1
Lic
zba m
yszy (
n=
7)
zanik rakaczęściowy zanik rakarozwój rakaśmierd
30
Źródło: Farokhzad O C et al. PNAS 2006;103:6315-6320
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
TABELA PREPARATÓW ZAWIERAJĄCYCH NANOCZĄSTKI
Źródło: Wang, X. et al. CA Cancer J Clin 2008;58:97-110
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.
31
Jaroslaw Grobelny, Nanomaterials and Tribology Group, University of Lodz
Dziękuję za uwagę