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Nanotechnologie in der Medizin: Riesiges Potenzial, aber was sind die Risiken?

NanotechnologieDie Manipulation von Materie auf atomarer und molekularer Ebene zur Herstellung von Materialien mit bemerkenswert vielfältigen und neuen Eigenschaften ist ein rasch wachsender Forschungsbereich mit enormem Potenzial in vielen Bereichen, von der Gesundheitsversorgung bis zum Bauwesen und der Elektronik. In der Medizin verspricht es die Arzneimittelabgabe, Gentherapie, Diagnostik und viele Bereiche der Forschung, Entwicklung und klinischen Anwendung zu revolutionieren.
Dieser Artikel versucht nicht, das gesamte Gebiet abzudecken, sondern bietet anhand einiger Beispiele einige Einblicke, wie Nanotechnologie das Potenzial hat, die Medizin sowohl im Forschungslabor als auch klinisch zu verändern, während einige der Herausforderungen und Bedenken berührt werden dass es erhöht.

Was ist Nanotechnologie?

Das Präfix "Nano" stammt aus dem Altgriechischen für "Zwerg". In der Wissenschaft bedeutet es ein Milliardstel (10 bis minus 9) von etwas, also ist ein Nanometer (nm) ein Milliardstel Meter oder 0,000000001 Meter. Ein Nanometer ist etwa drei bis fünf Atome breit oder etwa 40.000 mal kleiner als die Dicke von menschlichem Haar. Ein Virus ist typischerweise 100 nm groß.
Die Fähigkeit, Strukturen und Eigenschaften auf der Nanoskala in der Medizin zu manipulieren, ist wie eine submikroskopische Laborbank, auf der Sie mit einer Reihe von winzigen Werkzeugen, Robotern und Röhrchen mit Zellbestandteilen, Viren oder DNA-Stücken umgehen können.

Manipulation von DNA

Therapien, die die Manipulation einzelner Gene oder die molekularen Wege, die ihre Expression beeinflussen, beinhalten, werden zunehmend als eine Option zur Behandlung von Krankheiten untersucht. Ein sehr gesuchtes Ziel in diesem Bereich ist die Fähigkeit, Behandlungen entsprechend der genetischen Zusammensetzung einzelner Patienten anzupassen.
Dies erfordert Werkzeuge, mit denen Wissenschaftler experimentieren und solche Behandlungen entwickeln können.
Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie können einen Abschnitt der DNA wie einen Spaghettistrang ausstrecken, damit Sie ihn untersuchen oder bearbeiten oder Nanoroboter bauen können, die in Zellkomponenten "laufen" und Reparaturen durchführen können. Die Nanotechnologie bringt diesen wissenschaftlichen Traum der Realität näher.
Zum Beispiel gelang es Wissenschaftlern der Australian National University, beschichtete Latexkügelchen an den Enden von modifizierter DNA zu befestigen, und dann eine "optische Falle" mit einem fokussierten Lichtstrahl zu verwenden, um die Kügelchen an ihrem Platz zu halten, sie haben die DNA ausgestreckt um die Wechselwirkungen spezifischer Bindungsproteine ??zu untersuchen.

Nanobots und Nanostars

Inzwischen haben Chemiker der New York University (NYU) aus DNA-Fragmenten einen nanoskaligen Roboter geschaffen, der auf nur 10 nm langen Beinen läuft. In einem 2004 veröffentlichten Artikel in der Zeitschrift Nano Buchstabenbeschreiben sie, wie ihr "Nanowalker" mit Hilfe von Psoralenmolekülen, die an den Enden seiner Füße befestigt sind, seine ersten Schritte macht: zwei vorwärts und zwei zurück.
Einer der Forscher, Ned Seeman, sagte, er sehe vor, dass es möglich sein wird, eine Molekül-Produktionslinie zu schaffen, in der man ein Molekül mitnimmt, bis der richtige Ort erreicht ist, und ein Nanobot macht ein bisschen Chemie darauf. Punktschweißen "auf einer Montagelinie. Seemans Labor an der NYU will mit Hilfe der DNA-Nanotechnologie auch einen Biochip-Computer herstellen und herausfinden, wie sich biologische Moleküle kristallisieren, ein Bereich, der derzeit mit Herausforderungen behaftet ist.
Die Arbeit von Seeman und seinen Kollegen ist ein gutes Beispiel für "Biomimetik", bei der sie mit Hilfe der Nanotechnologie einige biologische Prozesse in der Natur nachahmen können, etwa das Verhalten von DNA, um neue Methoden zu entwickeln und vielleicht sogar zu verbessern.
DNA-basierte Nanobots werden auch für die Krebszellen entwickelt. Zum Beispiel, Forscher der Harvard Medical School in den USA berichteten kürzlich in Wissenschaft wie sie aus der DNA einen "Origami-Nanoroboter" gemacht haben, um eine molekulare Nutzlast zu transportieren. Der tonnenförmige Nanobot kann Moleküle tragen, die Anweisungen enthalten, die Zellen dazu bringen, sich in einer bestimmten Weise zu verhalten. In ihrer Studie demonstrierte das Team erfolgreich, wie es Moleküle, die in Leukämie- und Lymphomzellen Zellselbstmord auslösen, hervorgebracht hat.
Nanobots aus anderen Materialien sind ebenfalls in Entwicklung. Zum Beispiel sind Gold die Materialwissenschaftler der Northwestern University, die "Nanosterne" herstellen, einfache, spezialisierte, sternförmige Nanopartikel, die Medikamente direkt in die Zellkerne von Krebszellen abgeben können. In einer aktuellen Veröffentlichung in der Zeitschrift ACS Nanobeschreiben sie, wie sich drogenbeladene Nanostars wie winzige Anhalter verhalten, die, nachdem sie von einem überexprimierten Protein auf der Oberfläche menschlicher Zervix- und Eierstockkrebszellen angezogen wurden, ihre Nutzlast direkt in die Kerne dieser Zellen ablegen.
Die Forscher fanden heraus, dass die Nanobot-Form eines Sterns dazu beiträgt, eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Nanopartikeln zur Abgabe von Medikamenten zu überwinden: Wie können die Medikamente präzise freigesetzt werden? Sie sagen, die Form hilft, die Lichtimpulse zu konzentrieren, die verwendet werden, um die Medikamente genau an den Punkten des Sterns freizusetzen.

Nanofabriken, die Drogen machen Vor Ort

Wissenschaftler entdecken, dass proteinbasierte Medikamente sehr nützlich sind, weil sie so programmiert werden können, dass sie spezifische Signale an Zellen abgeben. Aber das Problem mit der konventionellen Lieferung solcher Drogen ist, dass der Körper die meisten von ihnen bricht, bevor sie ihr Ziel erreichen.
Aber was wäre, wenn es möglich wäre, solche Drogen herzustellen? vor Ort, direkt am Zielort? Nun, in einer aktuellen Ausgabe von Nano BuchstabenForscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA zeigen, wie es möglich ist, genau das zu tun. In ihrer Proof-of-Principle-Studie demonstrieren sie die Machbarkeit von selbstorganisierenden "Nanofactories", die Proteinverbindungen bei Bedarf an Zielorten herstellen. Bisher haben sie die Idee bei Mäusen getestet, indem sie Nanopartikel entwickelten, die so programmiert waren, dass sie entweder grün fluoreszierendes Protein (GFP) oder Luciferase, die UV-Licht ausgesetzt waren, produzierten.
Das MIT-Team kam auf die Idee, einen Weg zu finden, metastatische Tumore anzugreifen, die aus Krebszellen stammen, die von der ursprünglichen Stelle in andere Teile des Körpers gewandert sind. Über 90% der Todesfälle durch Krebs sind auf metastasierten Krebs zurückzuführen. Sie arbeiten jetzt an Nanopartikeln, die potenzielle Krebsmedikamente synthetisieren können, und auch an anderen Möglichkeiten, sie einzuschalten.

Nanofasern

Nanofasern sind Fasern mit Durchmessern von weniger als 1000 nm. Medizinische Anwendungen umfassen spezielle Materialien für Wundverbände und chirurgische Textilien, Materialien für Implantate, Tissue Engineering und künstliche Organkomponenten.
Nanofasern aus Kohlenstoff sind auch für die medizinische Bildgebung und präzise wissenschaftliche Messinstrumente vielversprechend. Aber es gibt große Herausforderungen zu überwinden, eine der wichtigsten ist, wie man sie von der richtigen Größe machen kann. In der Vergangenheit war dies kostspielig und zeitaufwendig.

Aber im vergangenen Jahr enthüllten Forscher der North Carolina State University, wie sie eine neue Methode zur Herstellung von Kohlenstoffnanofasern bestimmter Größe entwickelt hatten. Schreiben in ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen im März 2011 beschreiben sie, wie es ihnen gelungen ist, Kohlenstoffnanofasern gleichmäßig im Durchmesser zu züchten, indem sie Nickel-Nanopartikel mit einer Hülle aus Liganden, kleine organische Moleküle mit funktionellen Teilen, die direkt an Metalle binden, verwenden.
Nickel-Nanopartikel sind besonders interessant, weil sie bei hohen Temperaturen dazu beitragen, Kohlenstoff-Nanofasern zu züchten. Die Forscher fanden auch einen weiteren Vorteil bei der Verwendung dieser Nanopartikel, sie könnten definieren, wo die Nanofasern wuchsen, und durch korrekte Platzierung der Nanopartikel könnten sie die Nanofasern in einem gewünschten spezifischen Muster wachsen lassen: ein wichtiges Merkmal für nützliche nanoskalige Materialien.
Blei ist eine weitere Substanz, die als Nanofaser Verwendung findet, so dass der Neurochirurg Matthew MacEwan, der an der Washington University School of Medicine in St. Louis studiert, seine eigene Nanomedizin-Firma gründete, um das chirurgische Netz zu revolutionieren wird weltweit in Operationssälen eingesetzt.
Das Leitprodukt ist ein synthetisches Polymer aus einzelnen Nanofasern und wurde entwickelt, um Gehirn- und Rückenmarksverletzungen zu reparieren, aber MacEwan glaubt, dass es auch verwendet werden könnte, um Hernien, Fisteln und andere Verletzungen zu heilen.
Gegenwärtig sind die chirurgischen Netze, die verwendet werden, um die schützende Membran, die das Gehirn und das Rückenmark bedeckt, zu reparieren, aus dickem und steifem Material hergestellt, mit dem schwer zu arbeiten ist. Das führende Nanofasergewebe ist dünner, flexibler und lässt sich leichter in körpereigenes Gewebe integrieren, sagt MacEwan. Jeder Faden des Nanofasergewebes ist tausendmal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Zelle. Die Idee besteht darin, das Nanofasermaterial nicht nur dazu zu verwenden, Operationen für Chirurgen einfacher durchzuführen, sondern auch so, dass es weniger postoperative Komplikationen für Patienten gibt, da es im Laufe der Zeit natürlich zusammenbricht.
Forscher des Polytechnic Institute der New York University (NYU-Poly) haben kürzlich einen neuen Weg zur Herstellung von Nanofasern aus Proteinen aufgezeigt. Kürzlich im Journal schreiben Erweiterte funktionale MaterialienDie Forscher sagen, dass sie fast zufällig auf ihre Entdeckung gestoßen sind: Sie untersuchten bestimmte zylinderförmige Proteine ??aus Knorpel, als sie feststellten, dass einige der Proteine ??in hohen Konzentrationen spontan zusammenkamen und sich zu Nanofasern zusammenfügten.
Sie führten weitere Experimente durch, z. B. die Zugabe von Metall-erkennenden Aminosäuren und verschiedenen Metallen, und stellten fest, dass sie die Faserbildung kontrollieren, ihre Form verändern und an kleine Moleküle binden konnten. Zum Beispiel verwandelte die Zugabe von Nickel die Fasern in klumpige Matten, die verwendet werden könnten, um die Freisetzung eines angehängten Arzneimittelmoleküls auszulösen.
Die Forscher hoffen, dass diese neue Methode die Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Krebs, Herzerkrankungen und Alzheimer erheblich verbessern wird. Sie können auch Anwendungen bei der Regeneration von menschlichem Gewebe, Knochen und Knorpel sehen und sogar als eine Möglichkeit, kleinere und leistungsfähigere Mikroprozessoren zur Verwendung in Computern und in der Unterhaltungselektronik zu entwickeln.

Eine schematische Darstellung, die zeigt, wie Nanopartikel oder andere Krebsmedikamente zur Behandlung von Krebs verwendet werden können. Diese Abbildung wurde für das Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology gemacht

Was ist mit der Zukunft und den Sorgen um Nanomaterialien?

In den letzten Jahren ist die Zahl der Studien, die die Vielfalt der medizinischen Anwendungen von Nanotechnologie und Nanomaterialien aufzeigen, explosionsartig angestiegen. In diesem Artikel haben wir nur einen kleinen Querschnitt dieses riesigen Feldes gesehen. Auf der ganzen Linie gibt es jedoch erhebliche Herausforderungen, von denen die größte darin zu sehen ist, wie die Produktion von Materialien und Werkzeugen gesteigert werden kann und wie Kosten und Zeitpläne gesenkt werden können.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, das Vertrauen der Öffentlichkeit in die schnell wachsende Technologie schnell zu sichern. Und es ist noch nicht klar, ob das gemacht wird.

Es gibt Stimmen, die vermuten, dass die Bedenken hinsichtlich der Nanotechnologie übertrieben sind. Sie weisen darauf hin, dass Nanomaterialien nicht nur gefährlich sind, sondern Nanopartikel existieren, seit die Erde geboren wurde, wie sie zum Beispiel in Vulkanasche und Meeresspray vorkommen. Als Nebenprodukte menschlicher Aktivität sind sie seit der Steinzeit in Rauch und Ruß präsent.
Von den Versuchen, die Sicherheit von Nanomaterialien zu untersuchen, sagt das National Cancer Institute in den USA, dass es so viele natürliche Nanopartikel in der Umwelt gibt, dass sie "häufig um Größenordnungen höher sind als die konstruierten Teilchen, die bewertet werden".In vielen Hinsichten weisen sie darauf hin, dass "die meisten manipulierten Nanopartikel weit weniger toxisch sind als Haushaltsreinigungsmittel, Insektizide, die bei Haustieren verwendet werden, und frei verkäufliche Schuppenmittel" und das zum Beispiel bei ihrer Verwendung als Träger von Chemotherapeutika in Krebsbehandlung, sie sind viel weniger toxisch als die Medikamente, die sie tragen.
Es ist vielleicht eher im Lebensmittelsektor, dass wir eine der größten Expansion von Nanomaterialien auf kommerzieller Ebene gesehen haben. Obwohl die Zahl der Lebensmittel, die Nanomaterialien enthalten, noch gering ist, dürfte sich die Entwicklung der Technologie in den nächsten Jahren ändern. Nanomaterialien werden bereits verwendet, um den Fett- und Zuckergehalt zu senken, ohne den Geschmack zu verändern, oder um die Verpackung zu verbessern, damit die Lebensmittel länger frisch bleiben, oder um den Verbrauchern mitzuteilen, ob das Lebensmittel verdorben ist. Sie werden auch verwendet, um die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen zu erhöhen (zum Beispiel in Nahrungsergänzungsmitteln).
Aber es gibt auch besorgte Parteien, die betonen, dass, während das Tempo der Forschung zunimmt und der Markt für Nanomaterialien sich ausdehnt, es anscheinend nicht genug getan wird, um ihre toxikologischen Konsequenzen zu entdecken.
Dies war die Ansicht eines Wissenschafts- und Technologiekomitees des Oberhauses des britischen Parlaments, das in einem kürzlich veröffentlichten Bericht über Nanotechnologie und Lebensmittel mehrere Bedenken in Bezug auf Nanomaterialien und die menschliche Gesundheit, insbesondere das Risiko durch aufgenommene Nanomaterialien, aufwarf.
Ein Bereich, der das Komitee betrifft, ist zum Beispiel die Größe und außergewöhnliche Mobilität von Nanopartikeln: Sie sind klein genug, um verschleimt Zellmembranen der Darmschleimhaut zu durchdringen, mit dem Potenzial, auf das Gehirn und andere Teile des Körpers zuzugreifen und sogar innerhalb der Zellkerne.
Ein anderes ist die Löslichkeit und Beständigkeit von Nanomaterialien. Was passiert zum Beispiel mit unlöslichen Nanopartikeln? Wenn sie nicht abgebaut und verdaut oder abgebaut werden können, besteht dann die Gefahr, dass sie sich ansammeln und Organe schädigen? Man geht davon aus, dass Nanomaterialien, die anorganische Metalloxide und Metalle enthalten, in diesem Bereich ein Risiko darstellen.
Aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Masse sind Nanopartikel auch sehr reaktiv und können zum Beispiel noch unbekannte chemische Reaktionen auslösen oder durch Bindung mit Toxinen in Zellen eindringen, zu denen sie ansonsten keinen Zugang hätten.
So schaffen Nanomaterialien mit ihrer großen Oberfläche, Reaktivität und elektrischen Ladung die Voraussetzung für die sogenannte "Partikelaggregation" aufgrund physikalischer Kräfte und "Partikelagglomoration" aufgrund chemischer Kräfte, so dass einzelne Nanopartikel zu größeren Teilchen zusammenkommen Einsen. Dies kann nicht nur zu dramatisch größeren Partikeln führen, zum Beispiel im Darm und in Zellen, sondern auch zu einer Desaggregation von Nanopartikeln, die ihre physikochemischen Eigenschaften und ihre chemische Reaktivität radikal verändern könnten.
"Solche reversiblen Phänomene verstärken das Verständnis des Verhaltens und der Toxikologie von Nanomaterialien", so das Komitee, dessen allgemeine Schlussfolgerung darin besteht, dass weder die Regierung noch die Forschungsräte der Forschung zur Sicherheit der Nanotechnologie genügend Priorität einräumen welche Produkte mit Nanomaterialien entwickelt werden können ".
Sie empfehlen, dass noch viel mehr Forschung betrieben werden muss, um "sicherzustellen, dass die Regulierungsbehörden die Sicherheit von Produkten wirksam bewerten können, bevor sie auf den Markt gelangen".
Es scheint daher, ob tatsächliches oder wahrgenommenes, potentielles Risiko, das die Nanotechnologie für die menschliche Gesundheit darstellt, untersucht und als untersucht betrachtet werden muss. Die meisten Nanomaterialien werden sich, wie das NCI nahelegt, als harmlos erweisen.
Aber wenn eine Technologie schnell voranschreitet, müssen Wissen und Kommunikation über ihre Sicherheit Schritt halten, damit sie davon profitiert, insbesondere wenn sie auch das Vertrauen der Öffentlichkeit sichern soll. Wir müssen nur schauen, was passiert ist und in gewissem Maße noch geschieht, mit genetisch veränderten Lebensmitteln, um zu sehen, wie das schief gehen kann.
Geschrieben von Catharine Paddock

Wiederholen Sie Prostata-Biopsien - PROGENSA® PCA3 Assay hilft bei der Bestimmung, FDA-Zulassung

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Am Mittwoch genehmigte die US-amerikanische Gesundheitsbehörde FDA den Progensa® PCA3-Test (Prostate Cancer Gen 3) von Gen-Probe, den ersten molekularen Test, um festzustellen, ob Männer mit einer früheren negativen Biopsie eine erneute Biopsie benötigen. Carl Hull, Chairman und Chief Executive Officer von Gen-Probe, sagte: "In Verbindung mit anderen diagnostischen Informationen liefert unser PROGENSA PCA3-Assay klinisch wichtige Informationen, die Ärzten und ihren Patienten helfen, bessere, fundiertere Entscheidungen über eines der ärgsten Probleme zu treffen bei der Diagnose von Prostatakrebs.

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