Nanotechnologie in de geneeskunde: enorm potentieel, maar wat zijn de risico's?

nanotechnologie, de manipulatie van materie op atomaire en moleculaire schaal om materialen te creëren met opmerkelijk gevarieerde en nieuwe eigenschappen, is een snel groeiend onderzoeksgebied met een enorm potentieel in vele sectoren, gaande van gezondheidszorg tot bouw en elektronica. In de geneeskunde belooft het een revolutie teweeg te brengen in de aflevering van medicijnen, gentherapie, diagnostiek en vele gebieden van onderzoek, ontwikkeling en klinische toepassing.
Dit artikel probeert niet het hele veld te bestrijken, maar biedt, aan de hand van enkele voorbeelden, een paar inzichten in hoe nanotechnologie het potentieel heeft om de geneeskunde te veranderen, zowel in het onderzoekslaboratorium als klinisch, en tegelijkertijd een aantal uitdagingen en zorgen aan te pakken. dat het verhoogt.

Wat is nanotechnologie?

Het voorvoegsel "nano" komt van het oude Grieks voor "dwerg". In de wetenschap betekent het één miljardste (10 tot de minus 9) van iets, dus een nanometer (nm) is één miljardste van een meter, of 0,000000001 meter. Een nanometer is ongeveer drie tot vijf atomen breed of ongeveer 40.000 keer kleiner dan de dikte van menselijk haar. Een virus is typisch 100 nm groot.
Het vermogen om structuren en eigenschappen op nanoschaal in de geneeskunde te manipuleren, is als het hebben van een submicroscopische laboratoriumtafel waarop je celcomponenten, virussen of stukjes DNA kunt hanteren, met behulp van een reeks kleine gereedschappen, robots en buizen.

DNA manipuleren

Therapieën die betrekking hebben op de manipulatie van individuele genen of de moleculaire routes die hun expressie beïnvloeden, worden in toenemende mate onderzocht als een optie voor de behandeling van ziekten. Een zeer gewild doel op dit gebied is het vermogen om behandelingen aan te passen aan de genetische samenstelling van individuele patiënten.
Dit creëert een behoefte aan tools die wetenschappers helpen bij het experimenteren en ontwikkelen van dergelijke behandelingen.
Stel je voor dat je bijvoorbeeld een deel van het DNA als een stuk spaghetti kunt strekken, zodat je het kunt onderzoeken of bedienen, of nanorobots kunt bouwen die kunnen 'lopen' en reparaties kunnen uitvoeren in celcomponenten. Nanotechnologie brengt die wetenschappelijke droom dichter bij de realiteit.
Wetenschappers van de Australian National University zijn er bijvoorbeeld in geslaagd om gecoate latexparels aan de uiteinden van gemodificeerd DNA te hechten, en gebruikten vervolgens een "optische val" met een gefocusseerde lichtbundel om de parels op hun plaats te houden, ze hebben het DNA uitgerekt streng om de interacties van specifieke bindende eiwitten te bestuderen.

Nanobots en nanostars

Ondertussen hebben chemici van de New York University (NYU) een robot op nanoschaal gemaakt van DNA-fragmenten die op twee benen lopen van slechts 10 nm lang. In een 2004-paper gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters, ze beschrijven hoe hun "nanowalker", met behulp van psoraleenmoleculen die aan de uiteinden van zijn voeten zijn bevestigd, de eerste babystappen maakt: twee voorwaarts en twee achterwaarts.
Een van de onderzoekers, Ned Seeman, zei dat hij denkt dat het mogelijk zal zijn om een ??productielijn op molecuulschaal te maken, waarbij je een molecuul verplaatst totdat de juiste locatie is bereikt, en een nanobot doet er een beetje chemie aan, in plaats van " puntlassen "op een assemblagelijn van een auto. Seeman's lab op NYU is ook op zoek naar DNA-nanotechnologie om een ??biochip-computer te maken en om erachter te komen hoe biologische moleculen kristalliseren, een gebied dat momenteel vol uitdagingen staat.
Het werk dat Seeman en zijn collega's doen, is een goed voorbeeld van 'biomimetica', waarbij ze met nanotechnologie sommige van de biologische processen in de natuur, zoals het gedrag van DNA, kunnen imiteren om nieuwe methoden te ontwikkelen en misschien zelfs te verbeteren.
DNA-gebaseerde nanobots worden ook gemaakt om kankercellen te richten. Bijvoorbeeld, onderzoekers van de Harvard Medical School in de VS meldden onlangs in Wetenschap hoe ze een "origami nanorobot" uit het DNA haalden om een ??moleculaire lading te transporteren. De tonvormige nanobot kan moleculen bevatten die instructies bevatten die ervoor zorgen dat cellen zich op een bepaalde manier gedragen. In hun onderzoek laat het team met succes zien hoe het moleculen afleverde die zelfmoordprikkels veroorzaken in leukemie en lymfoomcellen.
Nanobots gemaakt van andere materialen zijn ook in ontwikkeling. Goud is bijvoorbeeld het materiaal dat wetenschappers van de Northwestern University gebruiken om "nanostars" te maken, eenvoudige, gespecialiseerde, stervormige nanodeeltjes die medicijnen rechtstreeks aan de kernen van kankercellen kunnen afleveren. In een recent artikel in het tijdschrift ACS Nano, ze beschrijven hoe drugs-geladen nanostars zich gedragen als kleine lifters, die zich na aantrekking tot een tot overexpressie gebracht eiwit op het oppervlak van menselijke cervicale en ovariumkankercellen hun lading direct in de kernen van die cellen deponeren.
De onderzoekers vonden het geven van hun nanobot de vorm van een ster, geholpen om een ??van de uitdagingen van het gebruik van nanodeeltjes om medicijnen te brengen te overwinnen: hoe de medicijnen precies te maken. Ze zeggen dat de vorm helpt de lichtpulsen te concentreren die worden gebruikt om de medicijnen precies op de punten van de ster vrij te geven.

Nanofactories die drugs maken In Situ

Wetenschappers ontdekken dat op eiwit gebaseerde medicijnen zeer nuttig zijn omdat ze kunnen worden geprogrammeerd om specifieke signalen aan cellen af ??te leveren. Maar het probleem met de conventionele toediening van dergelijke medicijnen is dat het lichaam de meeste van hen verbreekt voordat ze hun bestemming bereiken.
Maar wat als het mogelijk zou zijn om dergelijke medicijnen te produceren in situ, precies op de doelsite? Nou ja, in een recent nummer van Nano Letters, onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS laten zien hoe het mogelijk is om precies dat te doen. In hun proof of principle-onderzoek demonstreren ze de haalbaarheid van zelfassemblerende 'nanofactories' die op aanvraag eiwitverbindingen maken op doelwitplaatsen. Tot dusverre hebben ze het idee bij muizen getest door het creëren van nanodeeltjes die zijn geprogrammeerd voor het produceren van ofwel groen fluorescerend eiwit (GFP) of luciferase dat is blootgesteld aan UV-licht.
Het MIT-team kwam op het idee om een ??manier te vinden om metastatische tumoren aan te vallen, die groeien van kankercellen die zijn gemigreerd van de oorspronkelijke site naar andere delen van het lichaam. Meer dan 90% van de sterfgevallen door kanker zijn het gevolg van uitgezaaide kanker. Ze werken nu aan nanodeeltjes die potentiële kankergeneesmiddelen kunnen synthetiseren, en ook aan andere manieren om ze aan te zetten.

nanovezels

Nanovezels zijn vezels met diameters van minder dan 1000 nm. Medische toepassingen omvatten speciale materialen voor wondverband en chirurgisch textiel, materialen die worden gebruikt in implantaten, weefselmanipulatie en kunstmatige orgaancomponenten.
Nanovezels van koolstof zijn ook een belofte voor medische beeldvorming en nauwkeurige wetenschappelijke meetinstrumenten. Maar er zijn enorme uitdagingen om te overwinnen, een van de belangrijkste zijn hoe ze consequent van de juiste maat te maken. Historisch gezien was dit kostbaar en tijdrovend.

Maar vorig jaar onthulden onderzoekers van de North Carolina State University hoe ze een nieuwe methode hadden ontwikkeld voor het maken van koolstof nanovezels van specifieke grootte. Inschrijven ACS toegepaste materialen en interfaces in maart 2011 beschrijven ze hoe ze in staat waren om koolstof nanovezels uniform in diameter te laten groeien, door nikkel nanodeeltjes te gebruiken die gecoat zijn met een omhulsel gemaakt van liganden, kleine organische moleculen met functionele delen die direct binden aan metalen.
Nikkel nanodeeltjes zijn met name interessant omdat ze bij hoge temperaturen koolstof nanovezels helpen groeien. De onderzoekers vonden ook dat er een ander voordeel was bij het gebruik van deze nanodeeltjes, ze konden definiëren waar de nanovezels groeiden en door de juiste plaatsing van de nanodeeltjes konden ze de nanovezels in een gewenst specifiek patroon laten groeien: een belangrijk kenmerk voor bruikbare nanoschaalmaterialen.
Lood is een andere stof die wordt gebruikt als een nanovezel, zo erg dat de aankomende neurochirurg Matthew MacEwan, die aan de Washington University School of Medicine in St. Louis studeert, zijn eigen nanomedicijnenbedrijf oprichtte dat gericht was op een revolutie in de chirurgische mesh die wordt wereldwijd gebruikt in operatiekamers.
Het hoofdproduct is een synthetisch polymeer dat bestaat uit afzonderlijke strengen nanovezels en is ontwikkeld om hersen- en ruggenmergletsel te herstellen, maar MacEwan denkt dat het ook kan worden gebruikt om hernia's, fistels en andere verwondingen te herstellen.
Momenteel zijn de chirurgische mazen die worden gebruikt voor het repareren van het beschermende membraan dat de hersenen en het ruggenmerg bedekt, gemaakt van dik en stijf materiaal, wat moeilijk is om mee te werken. Het lood-nanovezel-gaas is dunner, flexibeler en meer geneigd om te integreren met de eigen weefsels van het lichaam, zegt MacEwan. Elke draad van het netwerk van nanovezels is duizenden malen kleiner dan de diameter van een enkele cel. Het idee is om het nanovezelmateriaal niet alleen te gebruiken om operaties voor chirurgen gemakkelijker uit te voeren, maar ook om postoperatieve complicaties voor patiënten te voorkomen, omdat het op natuurlijke wijze in de loop van de tijd breekt.
Onderzoekers van het Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) hebben onlangs een nieuwe manier aangetoond om nanovezels uit eiwitten te maken. Recent schrijven in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen, de onderzoekers zeggen dat ze hun bevindingen vrijwel toevallig tegenkwamen: ze bestudeerden bepaalde cilindervormige eiwitten die waren afgeleid van kraakbeen, toen ze merkten dat in hoge concentraties sommige van de eiwitten spontaan bij elkaar kwamen en zelf samengevoegd werden tot nanovezels.
Ze voerden nog meer experimenten uit, zoals het toevoegen van metaalherkennende aminozuren en verschillende metalen, en ontdekten dat ze de vezelvorming konden reguleren, de vorm ervan konden veranderen en hoe het zich bond aan kleine moleculen. Het toevoegen van nikkel transformeerde de vezels bijvoorbeeld in samengeklonterde matten, die kunnen worden gebruikt om de afgifte van een aangehecht geneesmiddelmolecuul te activeren.
De onderzoekers hopen dat deze nieuwe methode de levering van geneesmiddelen voor de behandeling van kanker, hartaandoeningen en de ziekte van Alzheimer aanzienlijk zal verbeteren. Ze kunnen ook toepassingen zien in de regeneratie van menselijk weefsel, botten en kraakbeen, en zelfs als een manier om kleinere en krachtigere microprocessors te ontwikkelen voor gebruik in computers en consumentenelektronica.

Een schematische illustratie die laat zien hoe nanodeeltjes of andere kankermedicijnen kunnen worden gebruikt om kanker te behandelen. Deze illustratie is gemaakt voor het Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

Hoe zit het met de toekomst en bezorgdheid rondom nanomaterialen?

In de afgelopen jaren is het aantal studies dat de verscheidenheid aan medische toepassingen van nanotechnologie en nanomaterialen vertoont, explosief. In dit artikel hebben we slechts een kleine doorsnede van dit enorme veld gezien. Over de hele linie bestaan ??echter aanzienlijke uitdagingen, waarvan de grootste lijken te zijn hoe de productie van materialen en gereedschappen kan worden opgeschaald en hoe de kosten en tijdsschema's kunnen worden verlaagd.
Maar een andere uitdaging is hoe het vertrouwen van het publiek snel kan worden veiliggesteld dat deze snelgroeiende technologie veilig is. En tot nu toe is het niet duidelijk of dat wordt gedaan.

Er zijn mensen die suggereren dat bezorgdheid over nanotechnologie overdreven overdreven kan zijn. Ze wijzen op het feit dat, omdat een materiaal nanogestuurd is, dit niet betekent dat het gevaarlijk is, inderdaad bestaan ??nanodeeltjes al sinds de geboorte van de aarde, die van nature voorkomt in vulkaanas en zeespray. Als bijproducten van menselijke activiteit zijn ze sinds het stenen tijdperk aanwezig in rook en roet.
Van de pogingen om de veiligheid van nanomaterialen te onderzoeken, zegt het National Cancer Institute in de VS dat er zoveel van nature in de omgeving aanwezige nanodeeltjes zijn dat ze "vaak op een hoger niveau liggen dan de gemodificeerde deeltjes die worden geëvalueerd".In veel opzichten wijzen ze erop dat "de meeste geconstrueerde nanodeeltjes veel minder toxisch zijn dan huishoudelijke schoonmaakmiddelen, insecticiden die worden gebruikt op huisdieren en vrij verkrijgbare roosremedies," en dat bijvoorbeeld in hun gebruik als dragers van chemotherapeutica in kankerbehandeling, ze zijn veel minder toxisch dan de medicijnen die ze dragen.
Het is misschien meer in de voedingssector dat we een aantal van de grootste uitbreiding van nanomaterialen op commercieel niveau hebben gezien. Hoewel het aantal voedingsmiddelen dat nanomaterialen bevat nog steeds klein is, lijkt het erop dat dit de komende jaren zal veranderen naarmate de technologie zich ontwikkelt. Nanomaterialen worden al gebruikt om de niveaus van vet en suiker te verlagen zonder de smaak te veranderen, of om de verpakking te verbeteren om voedsel langer vers te houden, of om de consument te vertellen of het eten is verwend. Ze worden ook gebruikt om de biobeschikbaarheid van voedingsstoffen te verhogen (bijvoorbeeld in voedingssupplementen).
Maar er zijn ook betrokken partijen, die benadrukken dat terwijl het tempo van het onderzoek versnelt en de markt voor nanomaterialen groeit, het lijkt niet voldoende om de toxicologische gevolgen ervan te ontdekken.
Dit was de opvatting van een commissie voor wetenschap en technologie van het House of Lords van het Britse parlement, die in een recent rapport over nanotechnologie en voeding verschillende zorgen oproept over nanomaterialen en de gezondheid van de mens, met name het risico van ingenomen nanomaterialen.
Bijvoorbeeld, een gebied dat de commissie betreft, is de grootte en uitzonderlijke mobiliteit van nanodeeltjes: ze zijn klein genoeg om, indien ingeslikt, de celmembranen van de binnenkant van de darm te penetreren, met de potentie om toegang te krijgen tot de hersenen en andere delen van het lichaam en zelfs in de kernen van cellen.
Een andere is de oplosbaarheid en persistentie van nanomaterialen. Wat gebeurt er bijvoorbeeld met onoplosbare nanodeeltjes? Als ze niet kunnen worden afgebroken en verteerd of gedegradeerd, bestaat het gevaar dat ze zich ophopen en organen beschadigen? Van nanomaterialen die anorganische metaaloxiden en metalen bevatten, wordt aangenomen dat die het meest waarschijnlijk een risico vormen op dit gebied.
Vanwege hun hoge oppervlakte-tot-massaverhouding zijn nanodeeltjes bovendien zeer reactief en kunnen ze bijvoorbeeld nog onbekende chemische reacties veroorzaken, of door binding aan toxines, cellen in te laten die anders niet toegankelijk zouden zijn.
Met hun grote oppervlak, reactiviteit en elektrische lading creëren nanomaterialen bijvoorbeeld de voorwaarden voor wat wordt beschreven als "deeltjesaggregatie" als gevolg van fysieke krachten en "deeltjesagglomeratie" als gevolg van chemische krachten, zodat afzonderlijke nanodeeltjes samenkomen om groter te worden degenen. Dit kan niet alleen tot dramatisch grotere deeltjes leiden, bijvoorbeeld in de darm en in de cellen, maar kan ook leiden tot desaggregatie van klonten nanodeeltjes, die hun fysisch-chemische eigenschappen en chemische reactiviteit radicaal kunnen veranderen.
"Dergelijke omkeerbare verschijnselen dragen bij aan de moeilijkheid om het gedrag en de toxicologie van nanomaterialen te begrijpen", zegt de commissie, die als algemene conclusie heeft dat noch de regering noch de onderzoeksraden genoeg prioriteit geven aan het onderzoeken van de veiligheid van nanotechnologie, vooral "gezien de tijdschaal binnen welke producten die nanomaterialen bevatten, kunnen worden ontwikkeld ".
Ze bevelen aan dat er veel meer onderzoek nodig is om "ervoor te zorgen dat regelgevende instanties de veiligheid van producten effectief kunnen beoordelen voordat ze op de markt worden toegelaten".
Het lijkt er daarom op dat het potentiële risico dat nanotechnologie voor de gezondheid van de mens oplevert, reëel of waargenomen is, en onderzocht moet worden. De meeste nanomaterialen, zoals de NCI suggereert, zullen waarschijnlijk onschadelijk blijken te zijn.
Maar wanneer een technologie snel vooruitgang boekt, moeten kennis en communicatie over zijn veiligheid gelijke tred houden om te kunnen profiteren, vooral als het ook het vertrouwen van het publiek moet waarborgen. We hoeven alleen maar te kijken naar wat er is gebeurd, en tot op zekere hoogte gebeurt er nog steeds, met genetisch gemodificeerd voedsel om te zien hoe dat verkeerd kan gaan.
Geschreven door Catharine Paddock PhD