Презентация по нанотехнологиям. Нано1. Возможности биомедицинского применения углеродных нанотрубок введение
 Скачать 3.5 Mb.
|
|
ВОЗМОЖНОСТИ БИОМЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Введение В течение последнего десятилетия пристальный интерес исследователей всех отраслей прикован к созданию и изучению свойств наноматериалов. На сегодняшний день углеродные нанотрубки (УНТ) являются наиболее популярным типом наноматериалов, который вызывает повышенный интерес среди представителей разных медицинских направлений. Развитие фундаментальных и прикладных представлений об углеродных нанотрубках уже в ближайшие годы может привести к кардинальным изменениям в материаловедении, электронике, биологии, медицине и экологии Строение и классификация УНТ Нанотрубки – это класс наноматериалов, имеющий уникальные геометрические, оптические и механические свойства в сочетании с химической стабильностью. УНТ имеют ультралегкий вес и развитую удельную поверхность, что определяет высокое отношение их площади к массе. УНТ обладают высокой теплопроводностью и необычными электрическими свойствами, которые варьируют от металлических до полупроводниковых. УНТ имеют большую площадь поверхности, что делает их способными поглощать и включать в свой состав большое количество веществ (например, лекарственных препаратов). Строение и классификация УНТ Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость, т.е. поверхность, образованную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Одной из особенностей нанотрубок является то, что их свойства в большой мере зависят от их геометрии. Строение и классификация УНТ Одностенные углеродные нанотрубоки (ОУНТ) представляют собой листы графена, построенные из sp2-гибридизированных атомов углерода, и имеют диаметр около 0,4 нм. Вершина идеальной нанотрубки представлена полусферой. Многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Они представляют собой 2–30 концентрически расположенных трубок с наружным диаметром от 5 до 100 нм. Строение и классификация УНТ В настоящее время вопрос о механизмах токсичности немодифицированных нанотрубок остается открытым, имеются сведения как об их безвредности для организма животных, так и о разрушительном влиянии на клеточном уровне. Воздействие ОУНТ может вызвать повышенную гибель нормальных клеток, повреждение ДНК, фосфорилирование Н2АX и активирование PARP, AP-1, NF- кB, p38 в зависимости от дозы. На основе клеточных и молекулярных данных действительно можно предположить, что УНТ способны вызывать неблагоприятные клеточные реакции, связанные с окислительным стрессом Немодифицированные углеродные нанотрубки Применение ОУНТ на животных показывает, что они плохо распознаются макрофагами, и легочный воспалительный ответ на ОУНТ является непостоянным. R.R. Mercer и соавт. сообщили об осаждении меченых ОУНТ в альвеолярном интерстиции, в том числе субплевральных областях и мезотелии, после ингаляционного введения ОУНТ. D.B. Wahrheit и соавт. сообщили, что ингаляционное воздействие ОУНТ на крыс приводит к недозозависимым мультифокальным гранулемам в легких. C.W. Lam и соавт. определили, что все ОУНТ вызывают дозозависимую гранулему и воспаление в легких. Токсикологические исследования, проведенные на мышах J. Folkmann, дали неоднозначные результаты: от отсутствия токсичности до воспаления с формированием гранулем в легких и смерти экспериментальных животных из-за введения ОУНТ интратрахеально. Исследования in vivo и in vitro M. Pacurari и соавт. на токсичноcть и патогенность ОУНТ продемонстрировали клеточные реакции, включающие воспалительный ответ, окислительный стресс и разрастание фиброзной ткани. H. Tsuda и соавт. выявили, что наночастицы формируют агрегаты агломераты и вызывают воспалительные реакции в тканях Для того чтобы нивелировать негативные эффекты немодифицированных нанотрубок, а также придать им ряд дополнительных свойств, существует возможность их модификации. Показано, что углеродные нанотрубки могут связывать различные соединения: пептиды, белки (стрептавидин), углеводы, нуклеиновые кислоты, а также проникать через мембраны клеток в цитоплазму за счет функционализированных поверхностей Прежде чем использовать ОУНТ, необходимо превратить их в стабильные в водных растворах структуры. Это может быть достигнуто путем нековалентного покрытия ОУНТ поверхностно-активными веществами или полимерами, либо ковалентной функционализацией их боковых стенок с подходящими гидрофильными группами. Нуклеиновые кислоты, в том числе одноцепочечные ДНК и РНК, способны стабилизировать ОУНТ в воде через нековалентные связи. За счет сорбционных взаимодействий нанотрубки способны изменять структуру ДНК, ингибируя основные клеточные процессы (транскрипция, трансляция и репликация), что приводит к гибели клеток Функционализированные гидрофильные ОУНТ могут транспортировать пептиды, белки, гены и ДНК через клеточные мембраны и обладают низкой токсичностью. Функционализация делает УНТ гидрофильными и снижает их цитотоксичность и иммуногенность УНТ могут обеспечивать безопасную невирусную доставку молекул ДНК в клетки млекопитающих. R. Singh и соавт. обнаружили, что структура УНТ –ген приводит к более высокому уровню экспрессии генов по сравнению с нативной ДНК. Токсичность УНТ не зависит от присутствия примесей и, вероятно, определяется геометрией, степенью функционализации, агломерацией и другими параметрами Функционализация полиэтиленгликолем (ПЭГ) является признанной платформой для разработки систем адресной доставки. Покрытие наночастиц гидрофильными молекулами, такими как ПЭГ, обычно используется для инициации быстрого поглощения системой мононуклеарных фагоцитов . Полимеросновные наночастицы имеют много преимуществ, таких как высокая биодоступность и растворимость. Пэгилированные ОУНТ могут переносить широкий спектр гидрофобных лекарств. Функционализированные УНТ проникают через клеточные мембраны и доставляют ассоциированные с ними материалы в клетку, что может быть использовано в системах генной доставки и молекулярной визуализации Однако большинство разработанных модифицированных нанотрубок не могут гарантировать опухолевую абляцию, доставку генов и лекарств к клеткам. Заключение Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Такие свойства УНТ, как небольшие размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность и способность присоединять к себе различные химические соединения, позволяют надеяться на эффективное применение нанотрубок в различных областях – электронике, химической технологии, нанобиотехнологии и др. Ключевым моментом прикладного использования УНТ в разнообразных биомедицинских приложениях является их способность проникать в ткани организма и переносить большие дозы агентов, оказывая терапевтический и диагностический эффекты. Заключение Функционализированные УНТ проникают через клеточные мембраны и доставляют ассоциированные с ними вещества в клетку. Благодаря этим преимуществам, нанотрубки являются перспективной основой для систем целевой доставки различных веществ. Другим актуальным направлением использования УНТ в медицине является визуализация объектов на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Связанные с УНТ контрастирующие вещества улучшают визуализацию клеток и тканей, что позволяет выявлять новые закономерности развития патологического процесса. В то же время практическое применение нанотрубок в медицине и биотехнологии тормозится из-за неясности вопроса об их токсичности на клеточном и организменном уровнях. Ссылочная статья УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБО Митрофанова И.В., Мильто И.В., Суходоло И.В., Васюков Г.Ю. Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск НИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний СО РАМН, г. Кемерово Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск УДК 57.08:546.26-022.532 |