Біотехнології і наномедицина Ярослава Кос

Різниця між поняттями «машина» і живий організм криється у «штучному» і «природному», відповідно, походженні. Нанотехнології показали можливість створення штучних аналогів живих систем, керування природними процесами і створення на основі живих обєктів синтетичних механізмів. Тому різниця між цими двома поняттями не така вже й очевидна». Лідія Соколовська

Біотехнологія – це сукупність методів для надання біологічним обєктам певних властивостей з метою їх використання в різних галузях промисловості. Біотехнологія працює з біомолекулами (ДНК, білки ), мікроорганізмами (бактерія- ми, мікроскопічними грибами, дріжджами, спорами, віру- сами ), клітинами і тканинами рослин і тварин. Все це можна розглядати як наноструктури, тому часто біотехнологію розглядають як підрозділ нанотехнології. Основне завданння біотехнології - отримання біообєктів із цінними властивостями.

Наномедицина Лабораторії на чипі; Доставка ліків за адресою до ушкоджених клітин; Нові бактерицидні та противірусні засоби; Діагностика захворювань за допомогою квантових точок Нанороботи для ремонту ушкоджених клітин Нейроелектронні інтерфейси…

Лабораторія на чипі (lab-on chip) Розмір чипа - 4х4 см Одночасний аналіз до 12 зразків Час аналізу хв Аналіз ДНК/РНК Встановлення батьківства Визначення ГМО Рання діагностика онкологічних захворювань Вивчення ефективності трансфекції клітин Кількісне визначення білків Визначення рівня експресії генів Крихітка-лабораторія: Та багато іншого! Affymetrix (GeneChip) Agilent (LabChip) HANAA (CombiMatrix) ПЛР-аналіз Імуноферментний аналіз МЕМ S/NEMS технології

Нанотехнології проти вірусів і бактерій Препарати на основі наночастинок для ефективного загоювання ран; Антисептичні вуглецеві фільтри з наночастинками; Бактерицидні барвники для профілактики захворювань, що передаються повітряно- крапельним шляхом; Одяг і білизна, що самодезинфікуються; Знезаражуючі аерозолі.

З нанотрубкою - на бактерію Фото "ковра" із нанотрубок Нанотрубка проколює бактерійну мембрану Нанокаталізатор створює вуглецеві трубки і змушує їх збиратися в структуру ковра як біологічний детектор як бактерицидна поверхня

Фармакологічна пошта. Доставка ліків за адресою пошкоджена клітина Біологічна засвоюваність – здатність молекул речовин потрапляти в тіло пацієнта туди, де вони необхідні Зростання дози - зростання токсичності

Мембрани з нанопорами Створення мікрокапсул при доставці ліків клітині Діаметр нанопористих мікрочастинок- 1.5 мкм – захист інкапсульованих речовин від імунної атаки

Ліпосоми Ліпосома (гр. lipos – жир и soma – тіло) – сферичний міхурець із фосфоліпідів, куди можна помістити різноманітні БАР – вітаміни, антибіотики, білкові екстракти тощо. універсальність антиалергенність цілеспрямованість Інтактність Інструмент мембранної інженерії

Рак Операція Променева терапія хіміотерапія Проблема біозасвоюваності препаратів - перемога не вмінням, а числом Лікарські препарати діють не вибірково - як на хворі, так і на здорові клітини Від подібних «бомбардувань» виникає багато побічних ефектів

Транспортний засіб для точної доставки ліків у клітину Конструкція транспортера: 1.Ліганд – модуль, що знаходить хвору клітину ; її «молекулярне впізнавання» та поглинання всієї конструкції клітиною 2. Ендосомолітичний модуль – розриває ендосому, що утворилася при потраплянні транспортера в клітину (дифтерійний токсин) 3. Модуль, що забезпечує проникнення транспортера через пори ядерної мембрани (вірус приматів) 4. Модуль-носій діючої речовини (гемоглобіноподібний білок) Знищення ядра Соболев, 80-і рр Змінюючи програму модулів можна отримати макромолекули-транспортери для лікування будь- якого типу раку.

Акустичні бомби Введення наночастинок в тканину Збірка агрегатів у клітинних структурах чутливість до ультразвуку селективне нагрівання і кіллінг ракових клітин Терофтал (FeO)– дія 10 хв - 80% пухлини гине протягом тижня Створення антиракових наносистем безпосередньо в пухлинній тканині

Нанобіотики Можливість дистанційного керування введеними в організм магнітними наночастинками (наномагнетиками), що здатні "включати" і "виключати" різноманітні біохімічні процеси всередині клітин. Діаметр частинок - 30 нм Кожна частинка містить 5-нм металічне ядро, покрите молекулами білка, специфічного до рецепторів клітини- мішені. Керовані зовнішнім магнітним полем (парамагнетики). Можуть індукувати відкривання Ca² + каналів – генерація нервового імпульсу Гарвард,2008 Керування нервовими сигналами ззовні

Квантові точки як люмінесцентні маркери Як переміщуються в організмі різноманітні речовини? Органічні барвники: - токсичні - ідентифікуються лише при певній довжині хвилі Квантові точки («штучні атоми») – це напівпровідникові флуоресцентні кристали нанометрового розміру з унікальними хімічними і фізичними властивостями, що не характерні для тих самих речовин в макромасштабі. Біоінертне покриття для діагностики захворювання : - захищає квантові точки від «нападу» ферментів - не дає токсичним речовинам потрапити в організм - різні групи наноміток можна освітлювати одним джерелом

Розчини квантових точок Квантові точки можна приєднати до біомолекул- білків, пептидів, антитіл, ДНК. Можна сконструювати сотні різновидів квантових точок, що сполучаються в організмі з різноманітними біомолекулами чи антигенами, і таким чином знаходити ділянки зі специфічним поєднанням ознак захворювання.

Наносистеми та біотехнології: імітуючи природу Біоміметика - біо-життя, подібне до життя Живі організми здійснюють нанотехнологічні операції протягом 4.5 мільярдів років. Клітина використовує ДНК, РНК і величезну кількість білків для побудови клітинних структур нанометрових розмірів

Конструкції з білків Деякі білки можуть формувати регулярні структури – кристалічні ґратки для наномашин і наноектронних пристроїв; Створення біосенсорів на основі мономолекулярних S- шарів бактерій при їх реорганізації на синтетичних носіях. Реконструкція рельєфу кристалізованого білка Bacillus sphaericus CCM2177 скануючим електронним мікроскопом. Відстань між центрами ґратки – 13.1 нм

Фрагменти ДНК, що кодують різноманітні білки, вбудовують в ДНК бактеріофага, який синтезує ці білки на своїй поверхні. Вірус розмножується, утворюючи довгі нитки, покриті металом. Їх можна використовувати в наноелектроніці і наносистемах. Проблема фолдингу долається шляхом створення бібліотеки вірусів, що синтезують білки - «липучки» для Золота, Срібла, оксиду Цинку, арсеніду Галію та ін. Збірка квантових точок з використанням гібридних білків

ДНК- конструкти Недріан Сімен, Ньюйоркський університет Приєднання «причепа» до робота дозволить переносити різноманітні речовини (наприклад атоми заліза) ДНК-роботи з наноманіпуляторами зможуть маніпулювати окремими молекулами і атомами

РНК-наномашини Робота вірального мотору бактеріофага phi29 – аналог двигуна внутрішнього згорання Висока біосумісність молекул РНК із організмом Можливість інтеграції РНК-моторів із біосенсорами, нанотрубками та ін. наноструктурами Побудова із молекул РНК матриць, що самоорганізуються

Приручення бактеріофага Використання таланту вірусів доставки власної ДНК в клітину як інструмент генотерапії Можливість лікувати окремі клітини

Нанотехнологии и бессмертие Нанотехнології і безсмертя «Природа зіграла з людиною злий жарт, наділяючи її розумом, та обділяючи безсмертям».

Нанороботи А чому б не замінити кров людини 500 трильйонами роботів ? Roboblood (2002, Кріс Фенікс, Роберт Фрайтас) 500 трильйонів мікроскопічних нанороботів вагою близько 2 кг споживають Ватт енергії

Нанороботи утворюють кровоносну систему і функціонують в ній Зроблені із алмазоїду чи іншого біосумісного матеріалу Біологічне живлення отримують із глюкози і кисню Боротьба із хвороботворними мікроорганізмами ; регулярне «прибирання» і укріплення судин – попередження атеросклерозу, варикозного розширення вен та ін. хворіб; автоматичне лікування пошкоджених клітин; заміна «хворих» генів «здоровими».

респіроцити – штучні аналоги еритроцитів, здатні накопичувати більше кисню при менших розмірах та енергозатратах клотоцити – зупиняють кровотечу за 1 секунду, коли для звичайного тромбогенезу необхідно 5-17 хв мікрофагоцити – штучні імунні клітини комуноцити - здійснюють звязок нанороботів між собою, навігатори Васкулоїд - комплекс медичних нанороботів, що здатні жити і функціонувати в людському організмі, виконуючи функції крові – циркуляцію дихальних газів, глюкози, гормонів, відходів, клітинних компонентів

Нейроелектронні інтерфейси Рей Курцвейл- «Щоб досягнуи безсмертя, треба перенести свідомість із мозку людини в програмно-апаратний комплекс» Чим більше знань – тим більше звязків Всі наші знання і вміння – шаблони міжнейронних звязків і концентрації нейротрансміттерів Нейрони – громіздкі прилади, працюють в 10 млн. разів повільніше електроніки. Діють з частотою 200 Герц, Сигнали поширюють зі швидкістю до 150 м/с. 10 млрд нейронів байт інформації

Сканування мозку зсередини нанороботами крові – отримання інформації про стан кожного нейрону Скануючі електроди на основі нанотрубок Нейроелектронні інтерфейси – прилади, здатні сполучати компютери з нервовою системою Max Planck Institute, 1999 – помістили нейрон щура діаметром 20 мкм на матрицю транзисторів, покритих діоксидом кремнію. Нейрон жив в розчині електроліту на поверхні чіпа 3 дні і обмінювався інформацією з транзистором.

Прикладки сучасного застосування нанотехнологій в медицині : Наноструктуровані матеріали – поверхні з нанорельєфом, мембрани з нанопорами; Наночастинки (в т. ч., фулерени і дендримери); Мікро- і нанокапсули; Нанотехнологічні сенсори і аналізатори; Медичне застосування скануючих зондових мікроскопів; Наноінструменти і наноманіпулятори; Мікро- і нанопристрої різного ступеня автономності. Дендример

Дякую!