Nanotehnologija u medicini i farmaciji

Nanotehnologija je novo naučno polje u okviru naučne oblasti Inženjerstvo i tehnologija. Njeni počeci padaju na prelazu iz 20. u 21. vijek i predviđanja su da će to biti jedna od najvažnijih nauka ovog vijeka.

Teoretski temelj nanotehnologiji i nanonauci postavio je nobelovac R. Feynman prije tačno 50 godina svojim poznatim radom „There is Plenty of Room in the Bottom“ (Dolje, u mikro i nano svijetu je ogroman prostor).
Samo ime nanotehnologija potiče od grčke riječi „nano“ (patuljak, kepec). Jedan nanometar (nm) je milijarditi dio metra (1 nm = 10-9 m). Odnos nanometra i metra je kao odnos prečnika klikera prema prečniku zemaljske kugle. Deset atoma vodonika (H) poredanih jedan do drugog čine 1 nm, dvostruka spirala DNK ima prečnik oko 2 nm dok dlaka kose ima debljinu oko 60.000 nm (Slika 1.).
Razlog ovako kasne pojave nanotehnologije, kojoj su prethodili letovi u kosmos i Internet, je to što nisu postojali alati i uređaji pomoću kojih bi se mogle posmatrati, snimati i pomjerati čestice nanodimenzija. Razvoj ovih uređaja omogućilo je otkriće rasterskog tunelskog mikroskopa (STM) 1985. god. a nešto kasnije i mikroskopa na atomsku silu (AFM).
Nanomaterijali su napredni materijali sastavljeni od čestica koji imaju bar jednu dimenziju na skali od 1 nm do 100 nm.
Nanonauka i nanotehnologija predstavljaju konvergenciju klasičnih nauka kao što su hemija, fizika i biologija. One ulaze u mikro i nanosvijet objašnjavajući strukturu i dinamiku materijala na atomskom i molekulskom nivou na kojem počivaju njihova makroskopska svojstva.
Tokom razvoja čovječanstva težilo se i uspijevalo doći do dobrih materijala potrebnih čovjeku sa sve manjom potrošnjom mase materijala, energije i vremena. Pri korištenju materijala čovjek je išao od grubljeg do finijeg i sitnijeg („top-down“ postupak). Ovaj pristup koristi kompjuterska industrija kod pravljenja mikro procesora. Danas već postoje komercijalni nanočipovi od 45 nm.
Priroda ide drugim putem, ona od sitnih molekula gradi čestice nanodimenzija i makromolekule („bottom-up“ proces). Dobar primjer za ovaj proces je sinteza polimera celuloze, najrasprostranjenijeg i najvažnijeg biopolimera koji nastaje fotosintezom molekula CO2, H2O i nekih elemenata iz zemlje pomoću sunčeve energije, koja se pri sintezi „skladišti“ u taj polimer uz izdvajanje kiseonika neophodnog za život na zemlji.
Prema Mendeljejevom periodnom sistemu znamo koliko je elemenata na Zemlji. Kombinacijom tog ograničenog broja elemenata priroda i čovjek su stvorili preko 10 miliona jedinjenja organske i neorganske prirode. Pitanje je samo kako su ti atomi raspoređeni i međusobno povezani. Najbolji primjer za to je ugljenik (C), taj nezaobilazni element, koji je do pojave nanotehnologije postojao u tri oblika: amorfni, grafitni i dijamantni. Uz pomoć pomenutih mikroskopa naučnici su od ugljenika uspjeli dobiti prve nanočestice tzv. fulerene (Slika 2.) i ugljenikove nanocjevčice (Slika 3.). Znamo koje su ogromne razlike između grafitnog i dijamantnog oblika ugljenika. Ovi “prototipovi” nanomaterijala, fulereni i nanocjevčice, odnosno novi alotropski oblik ugljenika s posebnim rasporedom tih atoma, pokazuju sasvim nova svojstva. Oni, pored ostalog, imaju superprovodljiva svojstva, njihova čvrstoća daleko premašuje čvrstoću čelika i dr.
Zanimljivo je vidjeti odakle nanomaterijalima ta napredna, izvanredna i specifična svojstva i ponašanje. Nanočestice imaju vrlo veliku površinu, koja u interakciji s neposrednim okruženjem mijenja njihovo ponašanje i svojstva (električna, magnetna, mehanička itd.). Danas je moguće to ponašanje vidjeti, analizirati i manipulisati. Pored toga za vrlo sitne čestice važe zakoni kvantne mehanike, gdje se javlja istovremeno i korpuskularna i talasna priroda tih čestica. (Ostaje još otvoreno pitanje do koje veličine čestica ovo važi.)
Čovjek nastoji da imitira prirodu i u tom nastojanju mu pomaže nanonauka i nanotehnologija. Teško je predvidjeti kada će se ostvariti predviđanja futurista da se pomoću samoorganizovanja (self-assembly) stvaraju tkiva i novi organi kao zamjena oboljelim organima tijela.
Danas u mnogim zemljama postoje državne agencije za nanotehnologije, na mnogim univerzitetima su formirani centri za nanotehnologije, ulažu se ogromna sredstva u ova istraživanja, dok se u praktičnoj primjeni nalazi stotine proizvoda nanotehnologije. Godišnje se u svijetu objavi preko 30.000 naučnih radova iz ove oblasti.
Područje primjene dostignuća nanotehnologije su elektronika, računarstvo, kompozitni materijali, zaštita životne sredine, energija (gorive ćelije), hrana, naoružanje, nanovlakna i pametni tekstil, zaštita od korozije i dr.
Jedan od najznačajnijih domena primjene nanotehnologije je medicina, farmacija i kozmetika. Primijenjena nanotehnologija u ovom polju zove se i nanomedicina. To je grana medicine koja omogućuje posmatranje i dijagnosticiranje, liječenje, oporavak, konstrukciju i kontrolu bioloških sistema čovjeka na ćelijskom nivou pri čemu koristi materijale i čestice stvorene na molekulskoj i nanoskali.

Dijagnostika
Laboratorija na čipu
Laboratorije danas zahtijevaju puno prostora, rada i vremena. Pošto kosmičke letilice ne mogu da zadovolje ove zahtjeve, razvijene su tzv. laboratorije na čipu (lab-on-a-chip). Te laboratorije će sutra biti dostupne i doktorima porodične medicine. Fluidi organizma (tečnosti i gasovi) će se kretati i miješati u kanalima mikro i nano dimenzija na nano nivou. Mikrofluidika je analiza fluida čiji volumeni su više hiljada puta manji od uobičajenih kapi.
Izrada ovih mikrokanala za fluide bazira se na tehnici litografije, koja se primjenjuje kod izrade kompjuterskih procesora, primjenom tzv. meke litografije koja za izradu ovih nanokanalčića koristi polimer polidimetilsiloksan.
Kretanje fluida kroz nanokanalčiće vrši se pomoću elektroforeze ili elektroosmoze.
U laboratoriji na čipu se ugrađuju uzori koji se sastoje od tzv. nanožica (nanowire).
One su presvučene sa antitijelima i reaguju sa biološkim molekulama (proteinima) – zovemo ih biosenzori. Kada se proteini vežu na antitijela, dolazi do njihove interakcije sa elektronima koji se kreću u površinskom sloju nanožica i mijenjaju njihovu provodljivost. Ako je nanožica vrlo mala može da detektuje čak i pojedinačne molekule. Ovakvi nanosenzori mogu detektovati i pojedinačne viruse i čestice. Na ovaj način ovi biosenzori moći će da detektuju vrlo širok opseg bolesti u početnoj fazi i tako ranijim otkrivanjem bolesti i njenim tretmanom omogućavati veću šansu za ozdravljenje.
Ugljenične nanocjevčice već se uspješno koriste kao hemijski senzori, ali one se mogu koristiti i kao biosenzori. Umjesto nanožice mogu se između dva metalna kontakta postaviti ugljenične nanocjevčice.
Ovo će omogućiti ispitivanje pojedinačnih molekula DNK i proteina kao i električna, elektrohemijska i elektrofiziološka mjerenja pojedinačnih ćelija.

Fulereni
Fulereni loptaste nanočestice ugljenika (C60) (Slika 4.) mogu se koristiti kao kontrastni agensi za medicinska posmatranja. Kontrastni agensi poboljšavaju rezoluciju slike povećanjem osvjetljenja. Loptasti oblik fulerena djeluje kao kavez za kontrastni agens, smanjujući tako posljedice zaostalog toksičnog nusefekta.
Metalofuleren (fulereni u kojem se nalaze metalni atomi za kontrast) omogućuje bolji kontrast, manju toksičnost i brže skeniranje.
Tanki fulerenovi kavezi koriste se i u nuklearnoj medicini. Oni su alternativa za radioaktivne metale koji se talože u tkivima i ostaju u tijelu cijeli život pacijenta. Fulerenovi kavezi u svojim molekulama drže radioaktivne metale, koji se mogu normalno filtrirati i izbaciti iz organizma.

Kvantne tačke
Kvantne tačke u nanotehnologiji su poluprovodnički nanokristali veličine oko 5-8 nm. Pored ostalih, one imaju primjenu i u biosvijetu kao fluoroscenti. Sastoje se od nekoliko stotina ili hiljada poluprovodnih atoma od bioinertnih materijala koji nisu agresivni i toksični prema tijelu. Za razliku od fluorescentnih boja, koje nisu stabilne i koje gube sposobnost fluorescencije, kvantne tačke ostaju stabilne za više ciklusa emisije svjetla prije gašenja. Promjenom njihove veličine i sastava mijenjaju se njihova optička svojstva, što omogućuje fluoresciranje u više boja. Ovaj efekat se zove “kvantno ograničenje” i odatle ime kvantne tačke. One imaju kvantne diskretne energetske nivoe, koji su direktno u vezi sa njihovom veličinom i one mogu čak davati različite fluorescentne boje sa svjetlošću iste talasne dužine.
Kvantne tačke mogu da vežu specifične ćelijske stijenke ili čak da prodiru u ćeliju i osvijetle je iznutra.
Primjer primjene kvantnih tačaka je ciljanje i posmatranje ćelija raka. Izrađene su kvantne tačke od kadmijum-selen-cink oksida prečnika 5 nm i naslojene s polimerom. Na površinu su vezana (spojena) antitijela a onda je to spojeno na površinu ćelija tumora prostate. Kvantne tačke su zatim ubrizgane u cirkulaciju i tačke su se akumulirale na tumoru koji je potom detektovan fluorescentnom slikom. Kvantne tačke imaju veliku površinu (što je manji prečnik čestica to je veća površina iste mase materijala), koja dozvoljava vezanje dijagnostičkih i terapeutskih antitijela na površinu.
Neki naučnici su koristili i poluprovodne ugljenikove nanocjevčice kao markere za posmatranje.

Pregledi pacijenta
Čovječije oko može na udaljenosti od 25 cm vidjeti razliku između 2 objekta udaljena 0,1 mm.
Optički mikroskopi su limitirani na povećanje 1000 x, a najmanji objekat koji može da se vidi sa ovim mikroskopom je dužine oko 200 nm. Sa ovim mikroskopom naučnici su mogli da vide bakterije ali ne i viruse, nanomolekule i njihove karakteristike. Studije nanočestica omogućili su novi elektronski mikroskopi, koji koristeći energiju elektrona mogu da povećavaju sliku uzorka do 1.000.000 puta. Tu spadaju pretražni elektronski mikroskop (SEM) (Slika 5.), transmisioni elektronski mikroskop (TEM) (Slika 6.) i mikroskop na atomsku silu (AFM) (Slika 7.).
Da bi odredili pravu dijagnozu bolesti doktori moraju biti u mogućnosti da „vide“ unutrašnjost tijela. Prije pojave uređaja koji mogu da vide čestice nanodimenzija korištene su i koriste se metode biopsije tkiva, X-zraci, magnetna rezonansa, ultrazvuk i analiza krvi da bi se došlo do saznanja šta se dešava u tijelu.
Danas se radi na tome da se pomoću nanotehnoloških dostignuća snimanjem molekula vizuelno prate njihove aktivnosti. Koriste se kontrastni agensi, kao što je npr. radioaktivni barijum (37Ba) za abdomenalne bolove, za gastro refluks, kancer i duodenalne čireve. Talium (201Th) je radioaktivni marker koji se injektuje i prati se njegov put s kamerom za ispitivanje bolesti srca. Ovaj izotop se veže na tkivo srca koje je dobro oksidirano. Kada se pregleda pacijent sa srčanim problemima scintilacijsko brojilo detektujući radijaciju mjeri nivo radioaktivnog talijuma vezanog na kiseonik. Nizak nivo kiseonika u srcu, gdje je vezano vrlo malo talijuma, vidi se kao tamna površina na monitoru.
Molekularna ispitivanja omogućuju otkrivanje bolesti mnogo ranije nego što je to moguće otkriti analizom krvi ili snimanjem. A rano otkrivanje početka bolesti daje puno veću šansu za izlječenje i produženje života.

Distribucija i doziranje lijekova
Čovječije tijelo je veliki kompleksni sistem sastavljen od različitih podsistema. Zato je vrlo važno da lijekovi dolaze na mjesta gdje su najpotrebniji. Naš organizam to radi prirodno, ali naučnici sada počinju da razumiju kako ta priroda radi i da identifikuju mehanizme koji omogućuju besprijekorno funkcionisanje tog biološkog sistema za samooporavak.
Nanotehnološke metode isporuke lijekova koriste sposobnost DNK da prenese lijek, koji je vezan na specifični protein, do tumora i veže ga na njega. Klasično liječenje raka djeluje na čitav organizam, gdje dolazi do oštećenja i zdravih tkiva. Novi lijek se dovodi tačno na određeno mjesto i tako se eliminiše negativna interakcija lijekova.
Jedan od načina primjene nanotehnologije je mogućnost da lijek prolazeći kroz ćelijske membrane djeluje u ćelijama. Pošto se reprodukcija virusa i razvoj bolesti najviše dešavaju unutar ćelija tretman se mora obavljati u njima.
Pravilna raspodjela i ciljano usmjeravanje lijekova je jedna od najvažnijih stvari u medicini. Prioritet farmaceutske industrije je djelotvorna dostava molekula lijeka do njihovih ciljanih ćelija. Napredni nanomaterijali su u mogućnosti da preuzmu biološki aktivnu supstncu, prenesu je na odgovarajuće mjesto i tamo je kontrolisano otpuštaju. Ovo je posebno važno za vrlo jake neselektivne lijekove, koji oštećuju i zdravo tkivo i ćelije, kao što su lijekovi koji se koriste u liječenju raka. Molekule lijeka i nanočestice se konjuguju sa sistemom nosača lipidnog ili polimernog tipa. Koloidne čestice, kao što su lipozomi i emulzije omogućavaju ulaz hidrofobnih materija u vodenu fazu krvi. Pored toga koloidni sistemi nosača zaštićuju osjetljive lijekove, kao što su sintetičke peptidne vakcine, od raspadanja u biološkim fluidima.
Nova tehnologija sinteze dostavljača lijekova primjenjuje kombinaciju dendrimera i fulerena s peptidima. Dendrimeri su polimerne monodisperzne makromolekule, koje se mogu sintetizovati nanometar po nanometar do željene veličine. Oni imaju sferični oblik sa šupljinama u kojima mogu da se prenose male molekule, koje su ili fizički „zatvorene“ ili kovalentno vezane za površinu dendrimera. Tako se istražuju npr. mogućnosti „zarobljavanja“ i kontrolisanog oslobađanja citostatika adriamicina i meto-treksata.
Značajno istraživanje u primjeni novih molekula za dostavu lijekova je korištenje prvih proizvedenih ugljenikovih nanomaterijala: ugljenikovih nanocjevčica i fulerena (C60 „buckyball“). Derivati fulerena su u mogućnosti da prolaze kroz spoljašnju membranu ćelija. Očekuje se primjena fulerena u zaštiti neurona (kroz neutralizaciju radikala), inhibiciji HIV-proteaze i kao antibakterijskog sredstva.
Danas su vrlo zanimljivi nanoporozni materijali čije su pore veličine 2 nm do 50 nm. Tu su najpoznatiji zeoliti (kristalni aluminijski silikati, prirodni ili sintetski). Ovi nanoporozni materijali mogu djelovati kao „molekulska sita“ u unošenju i otpuštanju lijekova.

Regenerativna medicina i bioinženjering

Nanomaterijali za gradnju dijelova tijela
Rastom svjetske populacije i produženjem životnog vijeka ljudi povećavaju se zahtjevi za biomedicinske implantate za oporavak i obnovu bolesnih ili izgubljenih tkiva.
Od istraživanja koja sjedinjuju nanomaterijale i ćelije u cilju regeneracije, očekuje se da će hirurzi jednog dana umjesto ugradnje implantata ili transplantacije organa injektirati “stimulativne regenerativne ćelije” u oštećeno tkivo organizma i stimulisati novi rast i oporavak (self - assembly).
Ovaj inženjering tkiva bi imao velike prednosti za doktore i pacijente, jer vještački materijali nekada nisu kompatabilni sa organizmom, dok problem sa doniranim organima je u njihovom nedostatku i odbacivanju od strane organizma.
Kod nekih tipova ćelija kao što su ćelije kože, krvnih sudova, kosti i jetre već su urađeni određeni pomaci u regeneraciji tkiva.
Prirodna tkiva i organi su sastavljeni od djelića nanodimenzija, zato i zamjena za njih mora biti na skali nanodimenzija.
Nanomaterijali mogu da budu kao i konvencionalni od metala, keramike, polimera, organskih materija i kompozita, ali njihove dimenzije, ogromne površine i superiorna fizičko-hemijska svojstva omogućavaju njihovu primjenu u regenerativnoj medicini.

Bioinženjering je područje inženjeringa koji zahtijeva materijale najviših performansa.
Nanomaterijali su važni u medicinskom tretmanu zbog svojih vrlo malih dimenzija, koje omogućuju prolazak u mnoge biološke sredine dajući im važna nanosvojstva. Pored toga njihova velika površina reaguje sa kompleksnim sistemima, prepoznaje bolesti i oštećenja tkiva i djeluje na njih.
Biološki sistemi, a tu je i ljudski organizam, su sastavljeni od mnogo proteina. Koža, kosa, mišići, krv, organi, oči i drugi dijelovi tijela sadrže na hiljade proteina, koji grade njihovu strukturu i funkciju. Neke bolesti su uzrokovane oštećenjem molekula proteina. Zahvaljujući poznavanju ljudskog genoma, struktura mnogih proteina je postala poznata.
Danas se mogu kreirati vještački proteini povezivanjem proteinskih gradivnih blokova - amino kiselina u duge proteinske lance. Naučnici su u mogućnosti da odsijeku segment iz proteinskog lanca i da ga zamijene. Protein zatim funkcioniše kao prirodni. Ovo je poznato pod nazivom inženjering proteina.
Proteinski inženjering je nauka za izradu ili popravak proteina za primjenu u medicini ili agronomiji.
Nanotehnologija omogućuje da se ustanovi gdje i kako su molekulske proteinske strukture oštećene i prouzrokuju bolest. Novo naučno polje genomika i proteomika obrađuje puno specifičnih proteina s ciljem da saznaju šta oni rade i kako bi se mogla njihova funkcija promijeniti ili poboljšati da bi ljudi ostali zdravi.
U daljoj budućnosti predviđaju se mogućnosti primjene nanotehnologije u izradi trodimenzionalnih (3D) struktura, koje imitiraju nastanak tih organskih i bioloških sistema u prirodi. Tu će se pored ostalih koristiti postupci mikropozicioniranja i molekulskog samoorganizovanja (self-assembly). Kod molekulskog samoorganizovanja molekule spontano oblikuju određene predmete. Prije pojave (uvođenja) nanotehnologije i nanonauke pojam „samoorganizovanja“ bio je vezan samo za prirodu i biološke strukture. Međutim, čovjek je na mnogim poljima imitirao prirodu u dobijanju novih materijala, negdje ju je čak i prevazišao (primjer novih polimera i treće alotropske modifikacije ugljenika – fulereni i nanocjevčice koji su 100 puta čvršći od čelika), negdje to još nije uspio (još nije sintetizovan najrašireniji polimer na zemlji – celuloza). Nanotehnologija i nanonauka obećavaju nove napredne materijale na svim područjima pa i u medicini (to su u 20. vijeku bile legure, sintetički polimeri i poluprovodnici). Već su razvijeni neki samoorganizujući sistemi kao što su blok kopolimeri, podloge za trodimenzionalnu kulturu ćelija, razne strukture izrađene od DNK molekula i modeli za istraživanje slaganja proteina i poremećaja konformacije proteina, koji se javljaju kod Alchajmerove bolesti. Razvijen je antibiotik na bazi samoorganizujućih nanocjevčica cikličkih proteina, koji se spajaju s membranama bakterijskih ćelija i na njima stvarajući rupe ubijaju bakterije.

Nanotehnologija u službi zdravlja u budućnosti
Bogati Zapad je razvio napredne tehnologije za dijagnozu i liječenje bolesti, dok je Istok više koristio metode akupunkture, akupresure, masaže i meditacije.
Ovaj odnos u metodama se može drastično promijeniti sljedećih 10 do 15 godina sa tehnikama nanotehnologije, koje su danas u punom razvoju. Ove tehnologije će omogućiti ljudima da se uz pomoć nanočipova otkrivaju nukleoidni polimorfizni nosioci individualnih razlika i odredi genetski profil (mapu) pojedinca, kao i detaljno molekulsko testiranje analizom krvi. Procjenu pojave bolesti i stanje zdravlja biće moguće određeni pri samom rođenju.
U medicini do punog značaja doći će mjere preventive i predviđanja.
Progres u brizi o zdravlju baziran na nanotehnologiji promijeniće naučna istraživanja, farmaceutske firme, obrazovanje i društvo nabolje.
Ali zdravlje ljudi i sa najboljom genetikom zavisi od uslova života i okruženja. Način ishrane (da ne spominjemo pušenje i alkohol), uticaj vanjskih faktora kao što su temperatura, pritisak, vlaga, razne hemikalije, tečni i gasni zagađivači, fizički i psihički stresovi mogu znatno da poremete funkcionisanje tog besprijekornog bioorganizma.
I ovdje se od nanotehnologije očekuje da doprinese očuvanju zdravlja ljudi. Tako se već danas uveliko radi na uvođenju izvora obnovljive i zdrave energije, koja će zamijeniti energiju dobijenu iz fosilnih goriva, koja stvaraju efekat staklene bašte. Već se proizvode gorive ćelije na bazi nanotehnologije. Nanodizel (biodizel 2. generacije) dobija se iz komunalnog otpada i drugih organskih materija, uz pomoć nanokatalizatora. Na taj način se dobija čista energija koja je u stvari energija sunca uskladištena fotosintezom u biomaterijalu. Nanotehnologija omogućuje proizvodnju raznih sanitetskih materijala sa antibakterijskim dejstvom, obradom tih materijala sa nanočesticama srebra nanotehnološkim sol-gel postupkom.
Novi tzv. “pametni” tekstil (smart textiles) na bazi nanovlakana i senzorskih polimera omogućiće mjerenje pulsa, pritiska, temperature i vlage tijela 24 sata dnevno i te podatke će slati doktoru radi preduzimanja potrebnih mjera za pomoć ugroženom čovjeku. Ta pametna odjeća će biti u stanju da zvučnim ili vizuelnim signalima upozori čovjeka ili vojnika ako je ušao u zonu kontaminiranu otrovnim hemikalijama ili biološkim otrovima ili visokim radioaktivnim zračenjem.
Laboratorija na čipu, rasterski elektronski mikroskopi, NMR, pregledi pojedinih organa praćenjem markera i senzora izrađenih od nanočestica omogućiće brzu i sigurniju dijagnozu bolesti i stanje zdravlja organizma.
Unosom lijekova i njihovim dovođenjem na ciljana mjesta novim tehnikama izbjeći će se opterećenje digestivnog trakta i negativno djelovanje na druge organe i zdrava tkiva.
Na kraju, kao u filmovima naučne fantastike, očekuje se da se imitirajući prirodu uz pomoć nanobiotehnologije, molekulskih mašina, nanorobota i drugih otkrića koja slijede doći vrijeme kada će biološki inženjering stvarati pojedina tkiva i organe metodama samoorganizovanja (self-assembly) molekula. Nanotehnologija će omogućiti da se molekule između sebe “prepoznaju” i da se udružuju u željene strukture.
Ne zaboravimo da struktura, svojstva i upotrebne vrijednosti svake materije zavise od rasporeda atoma iz Mendeljejevljevog periodnog sistema i molekula. A njih već danas nanotehnološkim postupcima možemo da premještamo i slažemo u željene napredne materijale.