A nanomedicina – az emberi egészség megőrzésének és javításának módszere molekuláris eszközök és az emberi test molekuláris szintű ismerete segítségével. Mivel a molekuláris nanotechnológia definíció szerint olyan módszerkészletet jelent, amellyel a molekuláris szerkezet térbeli elrendezésének befolyásolásával, szabályozásával molekuláris pontosságú anyagokat és eszközöket lehet előállítani, segítségével drámai fejlődés várható az egészségügyi szolgáltatásokban.
Ez nemcsak a molekuláris medicina továbbfejlesztését jelenti, hanem olyan molekuláris méretű eszközök készítésének a lehetőségét, amelyek bizonyos egészségügyi problémák megoldására szolgálhatnak. Segítségükkel molekuláris szinten lehet majd karbantartani és javítani az emberi egészséget. A nanomedicina elterjedésével teljesen átalakulhat az orvosi szakma, újra kell fogalmazni az egészség és betegség fogalmait. Új felfogást jelent majd a nanomedicina az öregedés kezelésében is, kiterjesztheti és javíthatja az emberi szervezet természetes biológiai szerkezetét és működését.
A nanotechnológia méretei
A nanotechnológia -amint azt az elnevezés is sugallja- a nanométer nagyságrendű atomi, molekuláris és makromolekuláris jelenségek megérését és felhasználását jelenti.
A szemléletesség kedvéért az alábbi táblázat összefoglalj egyes nanotechnológiai alkalmazások, a táblázat alsó részében pedig a biológia struktúrák méreteit. Látható, hogy a nagyságrendek közel azonosak.
Név | Méret |
|
|---|---|---|
Nanoszemcsék | 10 – 100 nm |
|
Fullerene (c 60) | 1 nm | Speciális szén allotrópok (szén nanotubulusok) |
Quantum pont vagy | 8 nm | Olyan atomi egységek, ahol egy elektron hozzáadása illetve elvétele megváltoztatja a struktúrát(információt hordoz) |
Dendrim | 10 nm | Monomerekből felépülő szintetikus molekulák, nanogépek építőkövei |
Atom | 0.1 nm |
|
DNS (szélesség) | 2 nm |
|
Fehérje | 5-50 nm |
|
Vírus | 75-100 nm |
|
Anyagok, amik | <100 nm |
|
Baktériumok | 1000-10000 nm |
|
Fehér vérsejt | 10000 |
|
Táblázat 1: Nanotechnológia és a biológiai struktúrák méretei
Orvosi nanoanyagok és nanoméretű eszközök
A jelen, és feltehetően a közeljövő orvosi gyakorlatában számtalan nanoanyagot és nanoméretű eszközt alkalmaznak, illetve fognak alkalmazni. Az itt következő példák a nanotechnológia legegyszerűbb gyógyászati alkalmazásai, többnyire speciális kialakítású biopolimer komplexek.
Nanohártyák, nanopórusok, nanotubulusok
Valószínűleg a legegyszerűbb, és egyben a legelső nanoméretű orvosi alkalmazási terület: Egy felület nanoméretű lyukakkal.
A pórusok mérete 20 nm, a felület anyaga leggyakrabban szilikon, de mindenképp biokompatibilis anyag kell hogy legyen. Ily módon egységes hártyák alakíthatók ki, melyeknek tulajdonsága hogy a kis molekulákat, mint oxigént, glükózt, inzulint, és természetesen a vizet átengedik. A nagyméretű molekulák, úgymint az immunrenszer immunglobulinjai és vírus testek átjutását viszont gátolják. Így parányi, sejteket tartalmazó kamrák hozhatók létre, és juttathatók a szervezetbe. Az ily módon körülvett (immunoizolált) beültetett hasnyálmirigy sejtekhez a pórusokon keresztül jut elegendő táplálék, de az immunrendszer nem fedezi fel az idegen sejteket, míg határoló nélkül azonnal megtámadná és kilökné őket. Tehát a mesterséges határolóval körülvett sejtek hetekig is egészségesek maradhatnak, végezhetik a munkájukat, az inzulin termelést, ami ezután a koncentráció gradiensnek megfelelően a szervezetbe ürül. Tengerimalacból izolált A Langerhansz sziget sejteket tartalmazó mikrokapszula bőr alá való beültetése anélkül biztosítaná a betegek inzulin szükségletét, hogy a szervezet immunrendszerét le kellene gyengíteni, nehogy kilökje a beültetett komponenseket, meghagyva így a külső támadások ellen való védekezést. Hasonló módon egyéb enzimek és hormonok hiánya is pótolhatóvá válhat.
Hasonló féligáteresztő membránokat lehet készíteni oly módon, hogy nem lyukakat hanem nanotubulosokat, nanoméretű csövecskéket ékelnek a hártya anyagába. A nanotubulosok anyaga arany vagy szén, ezek megfelelő elektromos előfeszítésével lehet szabályozni, hogy milyen töltésű ionokat melyik irányba engedjen át. Folynak kísérletek a természetben előforduló membránokhoz hasonló struktúrák mesterséges előállítására is. Ezek egyik legnagyobb vívmánya egy olyan két rétegű membránszerkezet, melybe a természetes membránokban lévőkkel analóg transzport fehérjéket ültettek, ezzel biztosítva egyes molekulák aktív és passzív transzportját.
Nanokagylók, mágneses nanoszondák
A rákos daganatok elleni harc egyik legújabb eszközei a nanokagylók (nanoshells)
Ezek a szigetelő – fém nanogömbök szilíciumdioxid maggal és olyan arany bevonattal készülnek, melynek optikai rezonanciája az alsóbb rétegektől függ. A gömböcskék egy gyógyszert tartalmazó tumor - célzott polimer vizes burokba vannak ágyazva, így kerülnek befecskendezésre. Ezután keringenek a véráramba, míg fel nem halmozódnak a rákos sejtek közelében. A nanokagylók méretüknél fogva szelektíven elnyelik az infravörös sugarakat. Infravörös lézerbesugárzás hatására a nanokagyló polimer rétege megolvad, és a megfelelő helyeken engedi szabadon a gyógyszert.
A nanokagylók alkalmazása számos előnnyel jár a hagyományos tumorterápiákkal szemben:
Korai detektálás
Részletesebb, gyors nem invazív képfeldolgozás
Integrált detektálás és kezelés
Hasonló módszerekkel a cukorbetegeken is lehetne segíteni. A páciens nem szúrná magát, hanem egy kézi infravörös lézerrel besugározná azt a pontot, ahol a bőre alá injektált inzulint tartalmazó nanokagyló polimerek vannak. A nanokagylók hőjére a polimer egy adag inzulint pumpálna ki. Ezáltal elkerülhető lenne a cukorbetegek egyik rémálma: a napi többszöri injekciózás. A nanoshell-polimerek pedig hónapokig is benn maradhatnak a szervezetben.
Mikroszkópikus biorobotok
Az emberi test önmagában is nagy számban termel természetes „biorobotok”-at. Gondoljunk csak a vastagbélben található 40 trillió egysejtű mikrobára, melyek számbeli aránya a szöveti sejtekhez képest tíz az egyhez. Számos baktérium parányi ostorát (flagellumát) saját belső ~30 nanométeres biológiai nanomotorjával hajtja meg. A baktérium a forgó mozgással hajtja magát előre. A forgáshoz szükséges energiát a belső és külső pH különbség szolgáltatja. Testünk további természetes mozgékony nanorobotjai a fibroblasztok és a fehérvérsejtek, például a neutrofilek vagy a limfociták. Ezek mérete hozzávetőlegesen 10 mikron. Ezek a jótékony természetes nanoszerkezetek állandóan utaznak a szervezetben, javítják a károsodott sejteket, valamint megtámadják a betolakodó mikróbákat, begyűjtik, és elősegítik a kilökődésüket.
Meglepő lenne -e ezek után, ha az emberi testbe mesterséges autonóm önműködő nanorobotokat próbálnánk ültetni?
Ilyen robotok gyártása nagyon összetett technológiát igényel, mely ötvözi a mérnöki tervezést és tömeggyártást a molekuláris biológia és a biofizika vívmányaival. A nanomedicinában az áttörést a 2020-as évekre becsülik. Addigra valószínűleg képesek leszünk a teljesen mesterséges nanorobotok tervezésére és előállítására olyan merev struktúrájú nano méretű alkatrészek felhasználásával, mint motor, csapágy vagy molekuláris fogaskerék meghajtás. Ezek a nanorobotok teljesen elkülönült alrendszerek teljes skálájával: beépített érzékelőkkel, motor meghajtásokkal, beavatkozókkal, tápegységekkel, és molekuláris számítógépekkel fognak rendelkezni.
Alkatrészek és komponensek
A molekuláris gyártás megkezdése előtt ki kell dolgozni, és gondosan analizálni kell az elvileg lehetséges gyártható nano méretű mechanikus konstrukciókat. Ezután következik a részletes tervezés és a prototípus gyártása. Mivel ilyen komponensek fizikai gyártása még gyerekcipőben jár (2005 december), nem beszélhetünk valóságos mérésekről, teszteredményekről és validációról. A tervezőknek ezért be kell érniük a strukturális analízis és a molekuláris dinamika szimulációiból adódó eredményekkel. A prototípus gyártása és a tömeggyártás tehát még várat magára, az itt ismertetett struktúrák tehát még csak digitális modell formájában léteznek.
Molekuláris csapágyak és sebességváltók
Talán a kedvező felépítésük miatt a molekuláris csapágyak tervezése a legkézenfekvőbb, hisz mind struktúrájuk, mind pedig az elvégzendő műveletek jobbára egyenesek. Az egyik legegyszerűbb, és legszemléletesebb példa a Drexler féle álló átfedő taszításon alapuló csapágy konstrukciója (2. ábra). A csapágyhoz 206 szén, szilikon oxigén, illetve hidrogén atomot használtak. Egy kis tengelyből áll, mely egy 2,2 nm átmérőjű gyűrű belsejében tud elfordulni. A belső tengely atomjai 6-szoros (forgás)szimmetriában vannak elrendezve, míg a külső gyűrű 14-szeres (forgás)szimmetriát mutat, ez olyan kombináció, ami könnyű elfordulást tesz lehetővé.
1. ábra: 3557 atomos tányér sebváltó áttétel
2. ábra: 206 atomos átfedő taszításon alapuló csapágy, atomszerkezeti és kitöltött nézet
Egy másik, gyártásra könnyen tervezhető komponens a molekuláris sebességváltó. Például a Drexler és Merkle -féle 3557 atomos tányér konstrukció (1. ábra). A 4,3 nm átmérőjű és 4,4 nm hosszú sebváltó, melynek tömege 51009,844 dalton, molekuláris térfogata 33.458 köb, összesen 12 mozgó alkatrészt tartalmaz. Egy számítógépes szimulációval készített animáción tisztán megfigyelhető, hogy a belső tengely lényegesen gyorsabban forog a külsőnél. A kis fogaskerék tárcsákat, melyek a központi tengely körül forognak egy külső gyűrű fogaskerék veszi körül, ez biztosítja, hogy a tárcsák a helyükön maradjanak, és a belső komponensek megfelelően forduljanak el.
Nanomotorok és energiaforrások
3. ábra: 6165 atomból álló gáz motor/pumpa
Az elméleti nanokomponensek egy másik osztálya a gázhajtású nano méretű motorok vagy pumpák. Egy lehetséges 6165 atomból álló, 88190,813 dalton súlyú, 63,984 molekuláris térfogatú pumpa és tokozási falszelvény terve látható a 3. ábrán. Az eszköz vagy neongáz pumpaként működik, vagy (fordítva alkalmazva) a neongáz nyomását forgási energiává alakító motorként funkcionál. A spirális rotor mindkét oldalát süllyesztett henger alakú felület határolja, ez biztosítja a központi spirális egység szabad elfordíthatóságát. Működés közben a tengely menti elfordulás következtében a spirál barázda hosszanti irányba mozdul el. Mivel a spirális barázda mélyedéseiben csak kis gázmolekuláknak jut hely, ezek a tengely körüli elfordulás következtében létrejött barázdamozgás miatt egyik végtől a másikig vándorolnak. Kísérletek kimutatták ugyan, hogy a szerkezet pumpaként is működtethető, habár ez a felhasználás nem lenne túl energiatakarékos, ezért ilyen felhasználáshoz az eredeti tervek további finomítása lenne szükséges.
Nanoszámítógépek
A valóban hatékony orvosi nanorobotoknak szükségük lehet beépített számítógépekre, hogy egy orvos kívülről monitorozhassa vagy irányíthassa a munkájukat. A nano méretű számítógépek terén elért első jelentős eredmény 2000-ben jelent meg, mikor laboratóriumi körülmények között, szobahőmérsékleten sikerült teljesen visszafordíthatóan átkapcsolni egy molekuláris kapcsolót. Ezt ezután lehetett alkalmazni nano méretű memória megvalósítására. A memória blokkok illesztésére régebben mechanikus elemeket, manapság inkább nanotubulusokat használnak. A kutatási verseny ezen a területen az ipari cégek között is számottevő.
Alkalmazási példák
Ma a nanorobotoknak a jövő orvostudományában számtalan alkalmazását jósolják. Az eredmények a gyártás nehézségei miatt itt is megmaradnak elméleti síkon.
Mesterséges vörösvérsejtek (respirociták)
A mesterséges mechanikus vörösvérsejtek vagy respirociták (4. ábra) a vérben úszó 1 mikron átmérőjű gyémántrács szerkezetű, gömb alakú tartályok, melyek akár 1000 atmoszféra nyomást is elviselnek . A respirociták falára aktív (oxigén és széndioxid) pumpák vannak szerelve, ezeket belülről jövő glükóz hajtja meg. Ez a struktúra egységnyi térfogatra nézve 236-szor több oxigént képes a szöveti sejtekhez szállítani, és a savasságot kontrollálni, mint a természetes vörösvérsejtek. A nanorobot 18 billió pontosan elrendezett atomból áll, pumpáival 3 billió oxigén- vagy széndioxid molekulát képes feltankolni. A benne lévő gázmennyiséget ugyanezen pumpák segítségével később ellenőrzötten tudja üríteni. A respirociták a természetes hemoglobin viselkedését utánozzák. A nanorobotot a külső gázkoncentráció érzékelői informálják, mikor kell a tüdőnél: felvenni az oxigént és üríteni a széndioxidot; vagy a szöveti sejteknél pont fordítva: az oxigént üríteni és felvenni a szédioxidot. Komplex nanoszámítógép, továbbá számos kémiai- és nyomásérzékelő teszi lehetővé a komplex működés távolróé való hang szignálokkal történő újraprogramozását.
A respirociták jó gázkapacitása miatt ahhoz, hogy a páciens 5,4 l vérének teljes gázszállítási képességét pótoljuk, elegendő 5 cc 50% respirocta tartalmú sóoldatot a vérbe fecskendezni. Ez hozzávetőlegesen 5 trillió önálló nanorobotot jelent. Egy liter respirocita oldat vérbe juttatása azt jelentené, hogy a beteg szövetei egy szívinfarktus utáni esetleges szívleállást követően még négy órán át biztonságosan el lennének látva oxigénnel (mindezt légzés nélkül). A respirociták orvosi gyakorlatban való alkalmazása számos újítást hozna: új vérátömlesztési módszerek; az anemia részlegesen kezelhetővé válna; részleges tüdőfunkció csökkenés, és egyéb cardiovasculáris/neurovasculáris problémák kezelése; tumor terápia és diagnosztika, asphyxia elleni védelem; mesterséges lélegeztetés; sport és katonai alkalmazások.
4. ábra: Respirociták (Mesterséges vörösvérsejtek)
Mesterséges fehérvérsejtek (mikroőrök)
A vörösvérsejthez hasonóan a mesterséges mechanikus fehérvérsejt (5. ábra) tervei is elkészültek.
Feladatuk, hogy az emberi véráramban fellelhető patogén anyagokat, gombákat megsemmisítsék egy bekebelezéses - ürítéses folyamattal. A mesterséges fehérvérsejtek lapított gömb alakú, hossztengely mentén 3,4, a rövidebb tengely mentén 2 mikron átmérőjű, 610 billió precízen elrendezett atomból álló, 12,2 pikogram tömegű, 12,1 mikron3 összbefogadó térfogatú struktúrák. Akár 200 pW folytonos teljesítményt is felhasználhatnak ahhoz, hogy teljesen bekebelezzenek egy-egy csapdába esett mikrobát. A maximális feldolgozási sebessége 2 mikron3 egy 30 másodperces ciklus alatt. Ez elégséges ahhoz, hogy bármely lehetséges mikroba egy ciklus alatt teljes egészében bekerülhessen a belső térbe. A nanorobotok az egységnyi idő alatt bejuttatott anyagmennyiség tekintetében 80 -szor hatékonyabbak a természetes fagocita ágenseknél, és élettartamuk messze meghaladná a fehérvérsejtekét. A mesterséges mikroőrök percek/órák alatt teljes mértékben kiszűrnék a vérből a kémiailag azonosítható fertőző anyagokat, míg a természetes immunválasz reakciónak – még antibiotikum alkalmazása esetén is – gyakran heteket/hónapokat is igénybe vehet míg teljesen leküzdi a vérben lévő baktériumtörzseket. Így a nanoőrök akár 1000-szer is gyorsabbnak tűnnek, mint segítség nélküli vagy antibiotikummal támogatott természetes vetélytársaik. Mindemellett támaszkodhatnak a kezelő orvos szakértelmére, aki kívülről segítheti a betolakodók felismerését, támpontot nyújthat a lokális fertőzések felismeréséhez.
ábra 5: mikroőr (mesterséges fehérvérsejt)
A megcélzott baktérium minden egyes operációs ciklusban úgy tapad a nanorobot felszínéhez, mint légy a légypapírhoz. Ez a hatás úgy valósul meg, hogy fajspecifikus reverzíbilis kötőhelyek átmenetileg megkötik a baktériumot, majd a mikroőr felületéből kiemelkedő teleszkópos fogók megragadják a baktérium plazmamembránját, ezáltal biztonságos tapadást biztosítanak. Ezután megindulhat a fogva tartott patogén transzportja az elülső felületen lévő szájnyílás felé, hogy a testidegen anyag bejuthasson a nanoőr belső terében elhelyezkedő őrlőkamrába. Itt megtörténik a fizikai darabolás. Ezután az őrlemény átpréselődik egy másik kamrába, ahol 40 előre programozott különböző enzim dolgozza át a masszát. Az enzimes kezelés hatszor ismétlődik, miközben az anyag aminosavakká, mononukleotidokká, cukorrá, és egyéb, a szervezet által felhasználható anyagokká finomodik, amik ezután egyszerűen visszajutnak a véráramba nanoeszköz hátulján.
A nanoőrök 2 mikron3 organikus anyag egy 30 másodperc maximális működési sebességét az magyarázza, hogy mindkét kamra mérete 2 mikron3, és egy emésztési ciklus ~30 másodpercet vesz igénybe. Ez a folyamat alapjában véve hasonlít a fagociták működésére, csakhogy annál lényegesen gyorsabb és "tisztább" is. Ismeretes például, hogy a fagociták biológiailag aktív komponenseket is hagynak maguk után, ugyanez jól megtervezett mikroőrök esetén nem történhet meg.
Látszik tehát, hogy a nanotechnológia, és ezen belül az orvosi alkalmazások is – habár gyakorlati eredmények még csak egyszerűbb struktúrák esetében vannak – napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő tudománya. A kutatások jelenleg is gőzerővel folynak, a következő lépcső az összeszerelés, és a tömeggyártás gazdaságos megvalósítása lesz. Addig is, amíg ez megvalósulhat, az elméleti modellek a számítógépes szimulációnak köszönhetően tovább fejlődhetnek, és finomodhatnak.
További linkek, olvsnivaló:
http://www.enc.hu/1enciklopedia/fogalmi/orvtud_elm/nanomed.htm
Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics Robert A. Freitas, Jr., Computational and Theoretical Nanoscience Vol. 2, 125, 2005
