NANOTECHNOLOGIJOS MEDICINOJE IR KOSMETOLOGIJOJE

Kas yra „Nano-“?

Žodis „nano“ yra kilęs iš graikų kalbos, kuris reiškia „mažas“. Nanotechnologija yra technologija su mažomis medžiagų dalelėmis - nanodalelėmis, matuojamomis nanometrais . Jei lygintume dydžių santykius, tai nano dalelė lyginama su futbolo kamuoliu taip, kaip futbolo kamuolys su Žeme.

Nanotechnologijų esmė yra mažų dalelių - atomų ir molekulių bei jų junginių - praktinis panaudojimas. Nanodalelės skersmuo yra net 80000 kartų mažesnis už žmogaus plauko storį. Šių technologijų srityje dirbantys mokslininkai jau yra pasiekę daugybę unikalių ir sensacingų laimėjimų medicinoje, mechanikoje, chemijoje. Nanotechnologija – viena sparčiausiai besiplečiančių mokslo sričių. Pastaruoju metu didelio visuomenės, didžiųjų šalių vyriausybių ir verslininkų dėmesio sulaukianti technologija nagrinėja, kaip kuriami įvairūs įrenginiai, medžiagos, sistemos pasitelkus nanometrų eilės (10^-9 m; 0,000001 mm) dydžio komponentus.

Nanometras – itin smulkus matas. Pavyzdžiui, žmogaus plaukas yra 80 000 – 100 000 nanometrų storio, raudonųjų kraujo kūnelių, įžiūrimų tik per mikroskopą, skersmuo – 7000 nm, AIDS viruso – 100 nm, DNR grandinės elemento – 2 nm. Įprastų medžiagų molekulės dažniausiai būna 1 nanometro dydžio. Tokiems mažiems (smulkesniems nei 100 nm) nanopasaulio objektams galioja šiek tiek kitokie dėsniai nei įprastiems, sutinkamiems mūsų aplinkoje.Žinoma, elementarūs fizikos dėsniai lieka, tačiau, drastiškai mažėjant struktūrų matmenims, kinta ir jų tarpusavio sąveika.

Nanodalelės jau dabar naudojamos daugelyje kosmetikos priemonių. Pavyzdžiui, apsaugos nuo saulės kremuose yra daug titano dioksido nanodalelių. Titano dioksidas – baltos spalvos medžiaga, dedama į aliejinius dažus ir dantų pastą. Įdomu tai, kad mažesnės nei 100 nm titano dioksido dalelės tampa bespalvės ir geba atspindėti šviesą į visas puses. Šiuo principu paremtas saulės kremų veikimas – krintantys ultravioletiniai spinduliai atspindimi, tad oda sugeria mažiau potencialiai kenksmingo jų srauto. Dėl savo dydžio nanodalelės nesunkiai įsiskverbia net į gilius odos sluoksnius, tad yra naudojamos gaminant šampūnus, losjonus, kremus ir kitas kosmetikos priemones.

NANOTECHNOLOGIJOS MEDICINOJE IR KOSMETOLOGIJOJE

Augantys geresnės gyvenimo kokybės lūkesčiai bei kintantis  visuomenės gyvenimo būdas reikalauja patobulintos, efektyvesnės ir geriau prieinamos sveikos odos priežiūros.

Žmogaus genomo, pogenominių tyrimų (ypač proteomikos) ir nanotechnologijų pasiekimai iš esmės pakeitė medicinos ir kosmetologijos mokslo raidą. Molekuliniai fiziologinių ir patologinių procesų tyrimai suteikia naujos informacijos apie odos profilaktiką, diagnostiką ir gydymą.

Pastaraisiais metais matome ypatingai spartų nanomokslų vystymąsi. Būtent į naujų  metodikų kūrimą ir orientuojasi nauja, besiformuojanti mokslo sritis – NANO, trumpiausiai apibrėžiama, kaip nanotechnologijų taikymas medicinoje ir kosmetologijoje.

Nanotechnologija – (nano-graikų kalboje nannos reiškia “nykštukas”, o pats priešdėlis reiškia vieną milijardinę metro dalį) tai dirbtinai sukeliamas arba savaiminis atskirų atomų, molekulių ar molekulinių darinių formavimo į atskirus darinius procesas, siekiant sukurti medžiagas ir prietaisus, turinčius naujų arba iš esmės kitokių savybių.

Nano- svarbą supratę pasaulio valstybių valdžios vykdomieji organai vienu svarbiausiu prioritetu mokslo, technologijų ir net verslo srityse pristato nanotechnologijas ir medžiagų mokslą bei įvairias jų modifikacijas  atsižvelgiant į įvairiausias žmogaus gyvenimo ir veiklos sritis. Todėl spartus nanotechnologijų ir nanomokslo skverbimasis  visiškai suprantamas ir vertas rimto dėmesio reiškinys. Manoma, kad ateityje Nano atradimai apims platų spektrą naujovių, varijuojantį nuo specifines funkcijas atliekančių ir pasižyminčių specifinėmis savybėmis nanodalelių, skirtų molekulinei diagnostikai, vaizdinimui ar terapijai, iki sudėtingų medicininių nanosistemų, kurios ateityje galės atlikti įvairius veiksmus ir numatytas operacijas ląstelėje ar realizuoti ląstelės lygmeniu kompleksinius gyvybinių funkcijų atkūrimo veiksmus gyvame audinyje.

Nacionalinė technologinė platforma Nano formuojama pagal Europos technologinių platformų modelį ir priskiriama pirmajai grupei, apibrėžiamai kaip – Naujos technologijos, sąlygojančios radikalius pasikeitimus sektoriuje, jeigu vystymas ir plėtra vyksta tinkamai ir laiku. Šio tipo technologinės platformos skirtos mokslo proveržio kryptyse vystymui ir naujausių mokslo pasiekimų diegimui praktikoje, derinant juos su atitinkamų mokslo centrų, technologinių parkų  kūrimu.

ESF pateiktas nano-medicinos apibrėžimas: Nanomedicina – tai mokslas ir technologijos, skirtos   žmogaus sveikatos apsaugai ir gydymui gerinti, naudojant molekulinius instrumentus bei molekulinio lygmens žinias apie žmogaus organizmą.

Naujoji nano  terapija kosmetologijoje

Tai sudėtingų sistemų, kurios nuneštų produkta į tikslinę vietą, įveiktų biologinius barjerus, kūrimas. Idealiu atveju produkto nešiklis su savo turiniu ne tik pasiekia tikslą organizme ar ląstelėje, atpalaiduoja ten veiksmingas medziagas ir palaiko tolygią jo koncentraciją ilgu laikotarpiu, bet  ir  į aplinkos pakitimus reaguojanti ir atitinkamus veiksmus vykdanti sistema; ar katalizatorius, skatinantis audinių regeneracinius procesus. Vis daugiau nanosistemų, t.y. miceles, nanoemulsijas, nanodaleles, nanokapsules, nanogelius, liposomas, dendrimerus, nanovamzdelius, nanopluoštus ir kt. siūloma naudoti kaip produkto nešiklius.

Išskirtini trys pagrindiniai produkto išnešiojimo mokslinių tyrimų tikslai:

• užtikrinti tikslingą produkto įvestį;
• realizuoti saugumą ir biosuderinamumą;
• paskatinti greitesnę naujų, saugių produktų raidą.

Nanomedžiagos – tai nanoskalėje novatoriškomis fizikinėmis, cheminėmis ir biologinėmis savybėmis pasižyminčios medžiagos, kurios yra toliau vystomų sudėtingų sistemų (nanoprietaisų) ir struktūrų pagrindas (pvz., nanodalelės, nanoporos, nanolukštai, nanovamzdeliai; kvantiniai taškai, biosensoriai). Svarbus veiksnys yra ne tik naujųjų medžiagų  dydis (dažniausiai mažesnis už 100 nm, bet sudėtingose sistemose galintis siekti ir 1000 nm), bet ir jų suderinamumas su biologine aplinka: gebėjimas suirti ar mėgdžioti, sutapti su natūraliai gyvuojančiomis ląstelėmis.

Per daugiau kaip 20 metų mokslininkai  naudoja nanotechnologijas, biotechnologijas kaip produkto išnešiojimo ir nukreipimo į tobulinimo pagrindą,

Kuriamos medžiagas pernešančios dalelės, įskaitant mikro- ir nanodaleles, mikro- ir nanokapsules, lipoproteinus, liposomas ir miceles, kurios turi būti pagamintos taip, kad be pagrindinės funkcijos - produkto pristatymo į reikiamą vietą, galėtų lėtai suirti į nekenksmingus sandus arba pasišalintų iš organizmo atlikusios vprodukto nešiklio darbą, reaguoti į stimuliavimą ir būti specifiškos pažeistai vietai. Nukreipiantys į pažaidos vietą mechanizmai gali būti tiek pasyvūs, tiek aktyvūs.  Aktyvus nukreipimas tai – cheminis ar biocheminis produkto pernešančių dalelių paviršiaus apdorojimas ir aktyvių molekulių, priverčiančių nanodaleles selektyviai prisijungti prie pažeistų ląstelių.

Micelės: produktai gali būti įterpiami į micelės branduolį ir transportuojami netgi didesnėmis koncentracijomis negu joms būdingas tirpumas vandenyje. Hidrofilinis apvalkalas gali susiformuoti apie micelę ir taip efektyviai apsaugoti jos turinį. Be to, išorinė apvalkalo sudėtis gali apsaugoti nuo retikuloendotelinių sistemų atpažinimo, tuo pačiu ir nuo ankstyvo patekimo į kraujotaką. Kitas patrauklus micelių bruožas yra tas, kad jų dydis ir forma gali būti keičiami. Cheminiai metodai, naudojant molekulių sluoksnius, gali pagerinti micelių stabilumą ir garantuoti jų laikiną kontrolę. Micelių cheminė sudėtis taip pat gali būti keičiama atsižvelgiant į taikinio ląstelėse savybes ar jo lokalizacijos vietą .

Liposomos yra vezikulės, kurios susideda iš vieno ar kelių chemiškai aktyvių dvigubų lipidų sluoksnių. Produkto molekulės gali būti patalpintos į kapsules arba ištirpintos tarp vezikulės sienelės dvigubo sluoksnio. Tam tikri kanaliniai (channel) baltymai gali būti įterpti į liposomos membraną, ir veikti kaip filtras, atrenkantis pagal dydį ar kitas savybes molekules apykaitoje tarp organizmo ir nanodalelės, arba leidžiantis prasiskverbti tik smulkioms, vandenyje ištirpusioms dalelėms, pavyzdžiui, jonams, maistingosioms medžiagoms . Taip veiksmingosios medžiagos, patalpintos liposomos „nanonarvelyje“, su membranoje įkomponuotais kanalų baltymais, yra efektyviai apsaugotos nuo priešlaikinio atpalaidavimo.

Dendrimerai yra nanometro dydžio polimerų makromolekulės. Jos susideda iš centrinio branduolio, šakinių dalių ir laikinų funkcinių grupių. Branduolio sudėtis lemia branduolio vidaus tirpumo savybes (šios savybės apsprendžia medziagos įkapsuliavimą į dendrimerą), o išorinės cheminės grupės sąlygoja paties dendrimero tirpumą, jo chemines savybes ir užtikrina tikslingą dendrimero nuvedimą link ligos reikiamos vietos. Nukreipti į tikslą pavyksta prijungiant specialias aktyvias molekules (linkers) prie išorinio dendrimero paviršiaus – tai leidžia tiksliai nustatyti ir pasiekti pažeistą vietą. Stabilumas ir apsauga nuo fagocitų užtikrinama prie dendrimero paviršiaus prijungiant polietilenglikolio grandines.

Skystuosiuose kristaluose dera tiek skysta, tiek kieta būsenos. Skystieji kristalai gali susiformuoti į įvairias geometrines formas su pasikartojančiais poliniais ir nepoliniais sluoksniais (t.y. sluoksninės fazės), tarp kurių gali būti įterptos ištirpusios  dalelės.

Nanodalelės, taip pat ir nanosferos ir nanokapsulės, gali būti amorfinės ir kristalinės. Jos gali adsorbuoti ir/arba įkapsuliuoti   veiksmingas medžiagas ip apsaugoti jį nuo cheminio ar fermentinio suardymo. Nanokapsulėse veiksmingosioms medžiagoms yra izoliuojamos ertmėje, apsuptoje polimero membranos, tuo tarpu nanosferos yra matricų sistemos, kuriose produktas paplinta vienodai.

Hidrogeliai yra trimačiai polimerų tinklai, kurie išbrinksta (swell), bet netirpsta vandeninėje aplinkoje. Juose atitinkamose sąlygose gali būti kaupiamos veiksmingosioms medžiagoms , kaip kempinėje vanduo. Jie naudojami veiksmingu medžiagų išnešiojimui ir  atpalaiduojamos reguliuojant rezervuaro principu pagrįstose sistemose ar kaip pernešančiosios dalelės kontroliuojamo išbrinkimo atpalaidavimo prietaisuose. Prieš kontroliuojamą produkto atpalaidavimą hidrogeliai, kaip aplinką suprantančios ir stimuliavimui jautrios gelio sistemos, gali moduliuoti  atpalaidavimą atsižvelgiant į pH, temperatūrą, joninį stiprį, elektrinį lauką ar specifinius koncentracijos pokyčius. Hidrogeliai, kaip veiksmingųjų medžiagų transportavimo sistemos, yra ypač perspektyvūs derinant juos su “molekuliniu imprintingu”.

Galima daryti išvadą, kad nanotechnologijos gali padėti tobulinant bioimitacines, „protingas“ medžiagas, kurios gali “protingai” reaguoti į pokyčius jas supančioje aplinkoje ir stimuliuoti specifinius regeneracinius reiškinius molekuliniame lygmenyje tam, kad sukurtų sveikus audinius ar atstatytų pažeistus.

Ląstelėmis pagrįstas gydymas

Ląstelių diferenciacija formuojasi žinduoliuose kaip embrioninio vystymosi dalis ir tęsiasi suaugusiojo gyvenime, kaip normali ląstelių kaita ar atsikūrimas po sužeidimo. Augimas, ląstelių aspektu, reiškia besitęsiantį ląstelių kaitos procesą, kuris priklauso nuo atsinaujinančių audinių kamieninių ląstelių egzistavimo. Iš kamieninių ląstelių formuojasi pirminės ir subrendusios atitinkamų audinių ląstelės. Žinoma, kad ląstelių kaita vienuose audiniuose yra labai greita, pvz., kraujyje ir epidermyje, o kituose lėta. Tačiau pastarųjų metų mokslo rezultatai radikaliai pakeitė požiūrį netgi į šių, labai lėtai besikeičiančių audinių, gebėjimą atsikurti po pažeidimo.

Nanomedicinos dėka yra skatinami tarpdisciplininiai (aprėpiant fizikos, chemijos, molekulinės biologijos, biochemijos, genetikos, matematikos, inžinerijos ir kitas mokslo sritis), naujo pobūdžio moksliniai tyrimai, vedantys geresnio ir sveikesnio gyvenimo link. Atsiradusi galimybė pažinti naują, iki tol tik fantastų propaguotą, miniatiūrinį pasaulį, atveria perspektyvas mokslininkų kompetencijos kėlimui, savirealizacijai, visapusiam žmonių tobulėjimui ir žinių visuomenės kūrimui.

Pirmieji nano patentai užregistruoti dar praeito dešimtmečio pradžioje, o nuo 1993 metų jų skaičius sparčiai didėja. 2003 metais Europos patentų biuras patvirtino 2000 paraiškų ir neabejojama, kad jų skaičius tik auga.

Daugelis nanotechnologijos rinkos prognozių prasidėjo ankstyvais 2000-iais. Turbūt geriausiai žinoma nanotechnologijos prognozė buvo paskelbta Nacionalinio Mokslo Fondo (NMF) (National Science Foundation) 2001 metais. NMF apskaičiavo, jog nanotechnologijos produkcija 2015 m. sudarys 1 trilijoną JAV dolerių pasaulinės rinkos. Visos kitos prognozės svyruoja tarp 150 mlrd. 2010 m. (Mitsubishi Institute, 2002) ir 2,6 trilijonų 2014 m. (Lux Research). Labiausiai optimistinė prognozė teigia, jog nanotechnologija pagrįstų produktų rinka bus didesnė nei perspektyvoje informacijos ir komunikacijos technologijų rinkos ir pralenks ateities biotechnologijų rinka dešimčia kartų

Naudota medžiaga:

LIETUVOS NACIONALINĖ TECHNOLOGIJŲ PLATFORMA NANOMEDICINA

MOKSLO IR TECHNOLOGIJŲ PASAULIS -  Kas tai yra nanotechnologija