«Mια εισαγωγή στις ιατρικές νανοτεχνολογίες (νανοϊατρική)»
Άρθρο του Λάμπρου Σαμπράκου DVM, PhD, Yπεύθυνου Kτηνίατρου του Eργαστηρίου Πειραματικής Xειρουργικής του Πανεπιστημιακού Γενικού Nοσοκομείου «Aττικόν»H νανοϊατρική αποτελεί
την ιατρική εφαρμογή της τρέχουσας νανοτεχνολογίας τόσο στην Iατρική
όσο και στην Kτηνιατρική (1). H νανοϊατρική προσεγγίζει ζητήματα όπως η
χρήση των νανοϋλικών -των ιατρικών νανοαισθητήρων αλλά και τις
μελλοντικές εφαρμογές της μοριακής νανοτεχνολογίας-. Oι τρέχουσες
συζητήσεις στον τομέα της νανοϊατρικής αφορούν την τοξικότητα και την
επίδραση στο περιβάλλον στην εξορισμού πολύ μικρής νανοκλίμακας
χρησιμοποιούμενων υλικών.
Η έρευνα στον τομέα της νανοiατρικής στις Η.Π.Α. χρηματοδοτείται στο πλαίσιο ενός πενταετούς σχεδίου ανάπτυξης που έχει στόχο να οργανώσει τέσσερα Κέντρα νανοϊατρικής. Η χρηματοδότηση αυτή, έχει ξεκινήσει σχετικά πολύ πρόσφατα από το 2005. Το επιστημονικό περιοδικό «Yλικά της Φύσης» (Nature Materials), εκτιμά πως παγκοσμίως αναπτύσσονται 130 φάρμακα καθώς και συστήματα διανομής τους (drug delivery nanosystems) τα οποία είναι βασισμένα στην νανοτεχνολογία.
1. Eπισκόπηση
Η νανοϊατρική επιδιώκει στο εγγύς μέλλον να διαδώσει πολύτιμα ερευνητικά εργαλεία καθώς και συσκευές χρήσιμες στην τρέχουσα κλινική πράξη (3,4). Η Εθνική Πρωτοβουλία Νανοτεχνολογίας των Η.Π.Α αναμένει τις νέες εφαρμογές στην Φαρμακευτική Βιομηχανία. Οι εφαρμογές αυτές είναι τα προηγμένα συστήματα διανομής φαρμάκων, οι νέες θεραπείες και οι απεικονιστικές μέθοδοι στον οργανισμό in vivo (5). Άλλοι ενεργοί στόχοι της έρευνας είναι οι νευροηλεκτρονικές διεπαφές και η χρήση αισθητήρων βασισμένων στη νανοηλεκτρονική. Από τις χρήσεις αυτές, προκύπτει μια υπόθεση εργασίας ως προς την μελλοντική χρήση της μοριακής νανοτεχνολογίας: oι μηχανές επισκευής κυττάρων. Η επιτυχής μελλοντική χρήση τους θα μπορούσε να φέρει μια νέα επιστημονική επανάσταση στην Ιατρική.
Η νανοiατρική δεν είναι ακόμα τόσο ευρέως γνωστή, όμως ήδη αποτελεί έναν ισχυρό βιομηχανικό τομέα. Οι πωλήσεις από τα προϊόντα της νανοϊατρικής, φτάνουν τα 6,8 δισεκατομμύρια δολλάρια το 2004, και πάνω από 200 επιχειρήσεις του είδους με 38 προϊόντα με παγκόσμια κυκλοφορία. Τον χρόνο περίπου 3,8 δισεκατομμύρια δολλάρια επενδύονται στον τομέα αυτόν. Η βιομηχανία της Νανοϊατρικής βρίσκεται σε φάση ανοδικής πορείας και ανάπτυξης, καθώς στο μέλλον αναμένεται να ασκήσει σημαντική επίδραση στην Οικονομία γενικότερα.
2. Διανομή φαρμάκων (Drug Delivery)
Οι προσεγγίσεις της νανοϊατρικής για καλύτερη διανομή των φαρμάκων, επιτελείται με την ανάπτυξη μορίων σε νανοκλίμακα ή γενικότερα μορίων τα οποία βελτιώνουν την βιοδιαθεσιμότητα ενός φαρμάκου. Η έννοια της βιοδιαθεσιμότητας αναφέρεται στην παρουσία των φαρμακομορίων εκεί όπου απαιτείται στο σώμα και με σκοπό να επιτύχουν την καλύτερη δυνατή δράση. Η διανομή των φαρμάκων εστιάζει στην στοχευμένη μεγιστοποίηση της βιοδιαθεσιμότητας ενός φαρμάκου και για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Αυτό θα είναι πραγματικότητα με την κατασκευή μοριακών νανοσυσκευών (7,8). Το όλο θέμα είναι πως θα στοχεύουν τα μόρια και θα διανέμονται τα φάρμακα με ακρίβεια κυττάρου. Περισσότερα από 65 εκατομμύρια δολλάρια σπαταλιούνται κάθε χρόνο εξαιτίας της σχετικά φτωχής βιοδιαθεσιμότητας των φαρμάκων. Η ανάπτυξη νανοσυσκευών για νέες in vivo απεικονιστικές μεθόδους, είναι μια διαφορετική περιοχή της σύγχρονης νανοϊατρικής. Με την χρήση νανοσωματιδίων σαν παράγοντες contrast της εικόνας, οι υπέρηχοι και οι MRI, εμφανίζονται με μεγαλύτερη ευκρίνεια και προσφέρονται για επιτυχέστερη διαγνωστική ανάγνωση. Οι νέες μέθοδοι και τα κατασκευασμένα νανοϋλικά, δίνουν ελπίδες να είναι αποτελεσματικά και να δώσουν νέες θεραπείες σε ασθένειες όπως είναι ο καρκίνος. Ποιοι νανοεπιστήνονες θα το επιτύχουν στο μέλλον είναι, προς το παρόν, πέρα από κάθε φαντασία. Η ολοκλήρωση θα επέλθει όταν τα βιοσυμβατά νανοσωματίδια θα είναι σε θέση να ανιχνεύουν, να αξιολογούν, να θεραπεύουν και να αναφέρουν στον κλινικό γιατρό αυτόματα.
Tα συστήματα διανομής τα οποία αποτελούνται συνήθως από λιπίδια ή νανοσωματίδια στην βάση πολυμερών, είναι σχεδιασμένα προκειμένου να αποδείξουν τις φαρμακολογικές και τις θεραπευτικές ιδιότητες των φαρμάκων (9). Το δυνατό σημείο των συστημάτων διανομής φαρμάκων είναι η ικανότητά τους να διαφοροποιούν την φαρμακοκινητική και την βιοκατανομή του φαρμάκου στον οργανισμό. Τα νανοσωματίδια έχουν τις ασυνήθιστες εκείνες ιδιότητες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν προκειμένου να βελτιώσουν την διανομή των φαρμάκων. Εκεί όπου τα μεγαλύτερα μόρια θα είχαν αποβληθεί από το σώμα, τα κύτταρα προσλαμβάνουν τα νανοσωματίδια λόγω του μικρού τους μεγέθους. Συμπλέγματα συστημάτων διανομής φαρμάκων έχουν αναπτυχθεί, προκειμένου, λόγω της δυνατότητάς τους να προσληφθούν μέσα στο κυτταρόπλασμα μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Η απόδοση ενός φαρμάκου έχει μεγάλη σημασία δεδομένου πως πολλές ασθένειες εξαρτώνται από ενδοκυττάριους μηχανισμούς. Έτσι μπορεί να υπάρξει παρέμβαση από φάρμακα τα οποία ενεργούν μόνο ενδοκυττάρια. Η προκαλούμενη απάντηση αποτελεί μονόδρομο για τα μόρια των φαρμάκων τα οποία χρησιμοποιούνται με αποτελεσματικότητα. Τα φάρμακα έχουν κατανεμηθεί στο σώμα και ενεργοποιούνται μόνο μετά από ένα ιδιαίτερο σήμα. Για παράδειγμα, ένα φάρμακο με φτωχή διαλυτότητα θα μπορούσε να αντικατασταθεί από ένα σύστημα διανομής όπου οι υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες των λιπιδίων, θα αναπροσανατολίζονταν έτσι, ούτως ώστε να βελτιώσουν την διαλυτότητά του. Άλλωστε ένα φάρμακο μπορεί να προκαλέσει ιστική βλάβη αλλά με το σύστημα διανομής η ρυθμιζόμενη και εκλεκτική απελευθέρωση του φαρμάκου μπορεί να υπερκεράσει το πρόβλημα αυτό. Εάν το φάρμακο καθαρθεί γρήγορα από το σώμα, τότε ο ασθενής θα χρειαστεί υψηλότερες δόσεις, αλλά με το σύστημα διανομής φαρμάκων η κάθαρση μπορεί να μειωθεί με την αλλαγή των φαρμακοκινητικών του ιδιοτήτων. Η φτωχή βιοκατανομή είναι ένα πρόβλημα το οποίο μπορεί να έχει επιπτώσεις στους φυσιολογικούς ιστούς λόγω των αυξημένων ποσοτήτων των χρησιμοποιούμενων φαρμάκων. Τα νανομόρια των συστημάτων διανομής όμως μειώνουν γενικότερα τον όγκο της διανομής και έτσι κατά συνέπεια μειώνεται και η ανεπιθύμητη επίδραση στους ιστούς που είναι φυσιολογικοί και δεν αποτελούν επιθυμητό στόχο για το φάρμακο. Θεραπευτικά νανοφάρμακα θα λειτουργούν με πολύ ειδικούς και καλά κατανοητούς μηχανισμούς. Επομένως, μια από τις σημαντικότερες επιδράσεις της ιατρικής νανοτεχνολογίας και γενικότερα της νανοεπιστήμης θα αποτελεί η ανάπτυξη εντελώς νέων φαρμάκων με την καλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα και τις λιγότερες δυνατές παρενέργειες.
3. Kαρκίνος
Το ιδιαίτερα μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων τα προικίζει με ιδιότητες τέτοιες που μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στην ογκολογία και ιδιαίτερα στις απεικονιστικές μεθόδους. Κβαντικά σημεία (δηλαδή νανοσωματίδια με ιδιότητες εκπομπής ελεγχόμενων μικροποσοτήτων ενέργειας), όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μαγνητική απεικόνιση (MRI), μπορεί να παράγει εξαιρετικές εικόνες ωρισμένων όψεων των καρκινικών όγκων. Τα νανοσωματίδια αυτά είναι πολύ φωτεινότερα από τις οργανικές χρωστικές ουσίες που μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται, και χρειάζονται μόνο μια πηγή φωτός για να διεγερθούν. Αυτό σημαίνει πως τα φθορίζοντα αυτά κβαντικά σημεία, θα μπορούσαν να παράγουν μια καλύτερης ποιότητας αντίθεση στην εικόνα και με χαμηλότερο κόστος από τις γνωστές ως τώρα οργανικές χρωστικές ουσίες οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν μέσα αντίθεσης (contrast).
Mία άλλη νανο-ιδιότητα, είναι εκείνη της μεγάλης σχετικά επιφάνειας σε σχέση με την αναλογία όγκου. Αυτό, επιτρέπει σε πολλές λειτουργικές ομάδες να συνάψουν δεσμούς με ένα νανοσωματίδιο, το οποίο με την σειρά του, θα αναζητήσει και θα δεσμεύσει ορισμένα κύτταρα όγκων. Επιπλέον το μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων (10 έως 100 νανόμετρα), κάνει εφικτό την συσσώρευσή τους κατά προτίμηση σε ωρισμένες περιοχές των όγκων, εφόσον οι τελευταίοι αυτοί στερούνται αποτελεσματικού λυμφατικού αποχετευτικού συστήματος. Ένα πολύ συναρπαστικό ερευνητικό ερώτημα είναι πως τα απεικονιστικά αυτά νανοσωματίδια θα μπορέσουν να επιτύχουν κάτι περισσότερο για τον καρκίνο. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν πολυσύνθετα νανοσωματίδια τα οποία θα ανίχνευαν, θα έδιναν εικόνα, και θα προχωρούσαν στο να θεραπεύσουν στην συνέχεια τον ίδιο τον όγκο; Το ερευνητικό αυτό ερώτημα έχει προκαλέσει ήδη εντατική έρευνα και αν δοθεί απάντηση, τότε θα μπορούσε να διαμορφωθεί ένα διαφορετικό μέλλον για την θεραπεία του καρκίνου (10). Μία υποσχόμενη νέα θεραπεία του καρκίνου που θα αντικαταστήσει μια μέρα την ακτινοβολία και την χημειοθεραπεία, με εντατικές προσπάθειες πλησιάζει όλο και περισσότερο στο στάδιο των κλινικών δοκιμών. Η θεραπεία Kanzius RF συνδέει τα μικροσκοπικά νανοσωματίδια με τα καρκινικά κύτταρα. Στη συνέχεια «μαγειρεύει» τους όγκους μέσα στο σώμα με ραδιοκύματα τα οποία θερμαίνουν επιλεκτικά τα νανοσωματίδια και κατά συνέπεια τα παρακείμενα καρκινωματώδη κύτταρα.
Θα χρησιμοποιηθούν αισθητήρες δοκιμής με μικροτσίπ τα οποία περιέχουν χιλιάδες νανοπλέγματα ικανά να ανιχνεύσουν τις πρωτείνες και άλλους βιολογικούς δείκτες που εκκρίνουν τα καρκινικά κύτταρα. Τα τσιπ αυτά θα μπορούσαν να επιτρέψουν την ανίχνευση και την διάγνωση του καρκίνου από τα αρχικά στάδια από μερικές μόνο σταγόνες αίματος του αρρώστου (11).
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Rice, κάτω από τον καθηγητή Jennifer West, έχουν δείξει πως η χρήση νανοκελύφους χρυσού διαμέτρου 120 nm καταστρέφει καρκινικούς όγκους σε ποντίκια. Τα νανοκελύφη αυτά μπορούν να στοχεύσουν σε έναν εκλεκτικό δεσμό στα καρκινωματώδη κύτταρα με την πρόσδεση αντισωμάτων ή πεπτιδίων στην επιφάνεια του νανοκελύφους. Με την ακτινοβόληση της περιοχής του όγκου με ένα υπέρυθρο laser, το οποίο διαπερνά τους ιστούς χωρίς να τους θερμάνει, αλλά θα θερμαίνει διεγείροντας τον τόσο όσο χρειάζεται για να προκαλέσει τον θάνατο στα καρκινικά κύτταρα του όγκου (12).
Επιπλέον ο John Kanzius έχει εφεύρει μια ραδιο-μηχανή έναν συνδυασμό νανοσωματιδίων χρυσού και άνθρακα σε συνδυασμό με ραδιοκύματα με σκοπό να καταστραφούν τα καρκινικά κύτταρα.
Νανοσωματίδια σεληνιώδους καδμίου (κβαντικά σημεία) πυρακτώνονται όταν εκτεθούν σε υπεριώδες φως. Όταν εγχέονται, χύνονται μέσα στους καρκινικούς όγκους. Έτσι, ο χειρουργός μπορεί να δει τον καμμένο όγκο, και να τον χρησιμοποιήσει σαν οδηγό για την αποτελεσματικότερη αφαίρεση των όγκων.
Ο James Baker επισήμονας του Πανεπιστημίου του Michigan, θεωρεί πως έχει ανακαλύψει έναν ιδιαίτερα επιτυχή και αποδοτικό τρόπο διανομής των αντικαρκινικών φαρμάκων και λιγότερο επιβλαβή για το υπόλοιπο υγιές περιβάλλον του οργανισμού. Ο Baker έχει αναπτύξει μια νανοτεχνολογία η οποία μπορεί στην αρχή να εντοπίσει και στην συνέχεια να αποβάλλει τα καρκινωματώδη κύτταρα. Εστιάζει σε ένα μόριο καλούμενο δενδριμερές. Το ιδιαίτερο αυτό μόριο διαθέτει περισσότερα από εκατό άγκιστρα τα οποία του επιτρέπουν να συνδεθεί με τα κύτταρα του σώματος για ποικίλους λόγους. Ο Baker, συνδέει στην συνέχεια το φολλικό οξύ με μερικά από τα άγκιστρα του μορίου. Σκοπός είναι να προσλάβουν τα καρκινικά κύτταρα το φολλικό οξύ το οποίο ως γνωστό είναι βιταμίνη. Έτσι εκμεταλλεύεται την ιδιότητα των καρκινικών κυττάρων τα οποία διαθέτουν μεγαλύτερο αριθμό υποδοχέων για τις βιταμίνες από ότι τα άλλα φυσιολογικά κύτταρα. Το δενδριμερές-μεταφορέας της βιταμίνης προσλαμβάνεται από το καρκινικό κύτταρο. Σε ό,τι αφορά το υπόλοιπο των αγκίστρων τα οποία δεν έχουν χρησιμοποιηθεί, ο Baker προσδένει καρκινικά φάρμακα τα οποία θα απορροφηθούν μαζί με το δενδριμερές από τα καρκινικά κύτταρα. Με τον τρόπον αυτό τα αντικαρκινικό φάρμακο δρα εκλεκτικά στον στόχο του που είναι το καρκινικό κύτταρο μόνο και τίποτα άλλο (Bullis 2006).
Στην φωτοδυναμική θεραπεία ένα νανοσωματίδιο εισέρχεται μέσα στον οργανισμό και φωτίζεται στην συνέχεια από έξω. Το φως απορροφάται από το σωματίδιο και αν αυτό είναι μέταλλο, τότε διεγείρεται θερμαίνεται τόσο το ίδιο όσο και οι γύρω από αυτό ιστοί. Το φως επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παράγει υψηλής ενέργειας Οξυγόνο (ελεύθερες ρίζες). Οι ελεύθερες ρίζες Οξυγόνου καταστρέφουν ευχερώς τα περισσότερα οργανικά μόρια που βρίσκονται κοντά τους σαν αυτά που υπάρχουν στους καρκινικούς όγκους. Αυτού του είδους η θεραπεία είναι ελκυστική για πολλούς λόγους. Δεν έχει τοξικότητα σαν αυτή που αφήνουν τα χημειοθεραπευτικά φάρμακα σε ολόκληρο το σώμα. Αυτό γιατί έχει στόχευση μόνο κατά την διεύθυνση του φωτός των διεγερμένων νανομορίων εκεί όπου αυτά μόνο βρίσκονται. Η φωτοδυναμική μέθοδος έχει την δυνατότητα να δώσει λύσεις σε μια χωρίς παράλληλες ενέργειες ενάντια σε ασθένειες, αυξητικούς παράγοντες και όγκους θεραπεία.
4. Xειρουργική
Στο Πανεπιστήμιο Rice πετυχαίνεται συγκόλληση των τεμαχίων κρέατος κοτόπουλου σε ένα. Τα δύο τεμάχια ιστών από το κοτόπουλο ενώνονται εφαρμοστά. Ένα πρασινωπό υγρό από επιχρυσωμένα νανοκελύφη ρίχνεται στάγδην κατά μήκος της γραμμής της ραφής. Ένα υπέρυθρο laser σημαδεύει κατά μήκος της ραφής, και αναγκάζει τα δύο πλευρές να ενωθούν πλήρως μεταξύ τους. Αυτή είναι μια εφαρμογή κατά την οποία οι αγγειοχειρουργοί θα μπορούσαν να αποφύγουν τις ανεπιθύμητες διαρροές αίματος κατά την συρραφή αγγειακών μοσχευμάτων στις μεταμοσχεύσεις νεφρών και καρδιάς. Θα ήταν σαν ένα τέλειο βουλοκέρι που θα σφράγιζε και θα στεγανοποιούσε τα πάντα.
5. Aπεικονιστικές μέθοδοι
Η κίνηση ανιχνευτικών ουσιών μπορεί να δεί το πόσο καλά κατανέμονται τα φάρμακα και πως οι ουσίες μεταβολίζονται. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να ακολουθηθεί κατά πόδας μια μικρή ομάδα κυττάρων μέσα στο σώμα. Έτσι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν βαφή για να βάψουν τα κύτταρα. Αυτές οι χρωστικές θα έπρεπε να διεγερθούν από φως συγκεκριμένου μήκους κύματος ούτως ώστε να φωσφορίσουν. Επειδή διαφορετικές χρωστικές ουσίες απορροφούν διαφορετικές συχνότητες φωτός, υπήρξε η ανάγκη να για τόσες σε αριθμό πηγές φωτός όσες και τα είδη των κυττάρων. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι οι φωτοευαίσθητες ετικέττες. Οι ετικέττες αυτές είναι κβαντικά σημεία εγκιστωμένα πάνω σε πρωτείνες οι οποίες διαπερνούν τις κυτταρικές μεμβράνες. Τα σημεία αυτά μπορεί μπορεί να ποικίλλουν σε μέγεθος, να αποτελούνται από βιοαδρανές υλικό και να ορίζουν την περιοχή των νανοσωματιδίων με διαφορετικά χρώματα. Κατά συνέπεια τα μεγέθη επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ούτως ώστε η συχνότητα του φωτός που χρησιμοποιείται για να διεγείρει μια ομάδα κβαντικών σημείων να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο μιας άλλης. Στο τέλος και οι δύο διαφορετικές ομάδες θα μπορούν να φθορίσουν με διέγερση από μια ενιαία πηγή φωτός.
6. H στόχευση των νανοσωματιδίων
Έχει μέχρι τώρα διαπιστωθεί πως τα νανοσωματίδια είναι πολλά υποσχόμενα εργαλεία για την επιστημονική πρόοδο σε τομείς όπως η διανομή των φαρμάκων, των ιατρικών απεικονιστικών μεθόδων αλλά και ως διαγνωστικοί αισθητήρες. Εν τούτοις η βιοκατανομή των νανοσωματιδίων εξακολουθεί να είναι άγνωστη και να καθιστά ακόμα δύσκολη την στόχευση συγκεκριμένων οργάνων στο σώμα. Η τρέχουσα έρευνα στο απεκκριτικό σύστημα ποντικών, παρ’ όλα αυτά, παρουσιάζει μια δυνατότητα των συμπλόκων χρυσού να στοχεύουν επιλεκτικά σε ορισμένα όργανα ανάλογα με το μέγεθος και το φορτίο τους. Αυτά τα σύμπλοκα εισάγονται μέσα σε ένα δενδρομερές και έτσι αποκτούν ένα ορισμένο μέγεθος και φορτίο. Τα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια χρυσού εισάγονται στους νεφρούς ενώ τα αρνητικά παραμένουν στο ήπαρ και τον σπλήνα.
Tα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια έχουν μειωμένο το ποσοστό διασποράς στο ήπαρ, πράγμα που έχει συνέπειες στην απεκκριτική παροχέτευση. Ακόμα και σε ένα πολύ σχετικά μικρό μέγεθος της τάξης των 5 nm, εν τούτοις, τα μόρια αυτά μπορούν να παραμείνουν χωριστά σε ιστικά μικροδιαμερίσματα περιφερικά και επομένως να αρχίσουν να συσσωρεύονται στο σώμα με την πάροδο του χρόνου. Ενώ η πρόοδος της έρευνας των νανοσωματιδίων δείχνει πως η στόχευση και η διανομή των φαρμάκων μπορούν να βελτιωθούν, οι κίνδυνοι της νανοτοξικότητας είναι ένα επόμενο βήμα για την περαιτέρω κατανόηση των ιατρικών τους χρήσεων (14).
7. Nευρο-ηλεκτρονικές διεπαφές
Oι νευρο-ηλεκτρονικές διεπαφές είναι ορατός στόχος ο οποίος εξετάζει την κατασκευή νανοσυσκευών που θα ενωθούν και θα συνδεθούν με το νευρικό σύστημα. Η ουσία αυτής της ιδέας είναι η κατασκευή μιας μοριακής δομής η οποία θα επιτρέψει ανίχνευση και έλεγχο των νευρικών ώσεων από έναν εξωτερικό ηλεκτρονικό υπολογιστή. Οι υπολογιστές αυτοί θα είναι σε θέση να ερμηνεύσουν, να καταγράψουν και να ανταποκριθούν σε σήματα που εκπέμπει το σώμα όταν λαμβάνουν με τους αισθητήρες τους. Υπάρχει πολύ μεγάλη ανάγκη για τέτοιες δομές δεδομένου ότι πολλές ασθένειες όπως η νόσος Altzheimer και η σκλήρυνση κατά πλάκας χαρακτηρίζονται από εκφυλιστικά φαινόμενα. Επίσης, τραυματισμοί και ατυχήματα μπορούν να εξασθενίσουν την λειτουργικότητα του νευρικού συστήματος με συνέπεια την δυσλειτουργία του και τελικά την παραπληγία. Εάν οι υπολογιστές θα μπορούσαν να ελέγξουν το νευρικό σύστημα μέσω της νευρο-ηλεκτρονικής διεπαφής, τα προβλήματα τα οποία εξασθενίζουν το νευρικό σύστημα θα μπορούσαν να υπερνικηθούν. Δύο στρατηγικές υπάρχουν για την τροφοδότηση με ενέργεια των συστημάτων αυτών. Η μία είναι η ανεφοδιάσιμη μορφή ενέργειας. Με αυτήν, η ενέργεια ανατροφοδοτείται συνεχώς ή περιοδικά εξωτερικά από προσαρτημένες ηχητικές, χημικές ή ηλεκτρικές πηγές. Κατά την άλλη στρατηγική όλη η ενέργεια είναι εσωτερικά αποθηκευμένη στην συσκευή και διαρκεί μέχρι να εξαντληθεί.
Υπάρχει όμως στην καινοτομία αυτή ένας περιορισμός. Η ηλεκτρική παρέμβαση στους ιστούς αποτελεί μόνο μια πιθανότητα. Υπάρχουν γύρω και άλλα ηλεκτρικά πεδία, ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί (EPS) καθώς και άλλες ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούνται in vivo και που μπορού εξίσου να προκαλέσουν ηλεκτρικές επεμβάσεις και αυτές. Επίσης απαιτούνται μονωτικά υλικά αρκούντως παχιά προκειμένου να αποτρέψουν την διαρροή ηλεκτρονίων και εφόσον παρατηρείται υψηλή αγωγιμότητα in vivo στους ιστούς, υπάρχει κίνδυνος ξαφνικού βραχυκυκλώματος. Τέλος, απαιτούνται καλώδια ικανού πάχους προκειμένου να ρέει η ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να υπερθερμαίνονται. Η καλωδίωση των δομών αυτών είναι εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα επειδή πρέπει να τοποθετηθούν με ακρίβεια πάνω στο νευρικό σύστημα έτσι ώστε να μπορούν να ελέγχουν αλλά και να προσλαμβάνουν τα νευρικά ερεθίσματα στα οποία ανταποκρίνονται. Ένας άλλος περιορισμός είναι οι δομές αυτές να μη διεγείρουν το ανοσοποιητικό σύστημα του οργανισμού και να μένουν απρόσβλητες από αυτό για μακρό χρονικό διάστημα (15). Επιπλέον οι δομές αυτές, θα πρέπει να αναγνωρίζουν και να αποτρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται από τα φορτισμένα ιόντα του οργανισμού. Τελικά, ενώ είναι άπειρες οι δυνατότητες και το μέλλον των νανο-ηλεκτρονικών διεπαφών, δεν υπάρχει προς το παρόν σαφές χρονοδιάγραμμα διάθεσής τους.
8. Iατρικές εφαρμογές της μοριακής νανοτεχνολογίας
Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι θεωρητικός υποτομέας της νανοτεχνολογίας και αφορά την δυνατότητα μοριακών συναθροίσεων της εφαρμοσμένης μηχανικής. Οι νανο-μηχανές αυτές θα επαναπροσδιορίσουν τα ερωτήματα σε μοριακή και ατομική κλίμακα. Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι ιδιαίτερα θεωρητική και επιδιώκει να ενισχύσει τις προσδοκίες για νέες εφευρέσεις, καθώς και να προτείνει θέματα σε μια ημερήσια διάταξη για την μελλοντική έρευνα. Οι προτάσεις της μοριακής νανοτεχνολογίας, όπως οι μοριακές συναθροίσεις και τα νανο-ρομπότ, είναι προς το παρόν αρκετά μακριά από τις τρέχουσες δυνατότητες εφαρμογών.
8α. Nανο-ρομπότ
Οι ένθερμοι θιασώτες των θεωρητικών δυνατοτήτων των νανο-ρομπότς στην Ιατρική16, υποστηρίζουν πως αυτά θα άλλαζαν στο σύνολό του τον κόσμο της Ιατρικής μόλις θα ήταν δυνατόν να γίνουν πραγματικότητα. Η Νανοϊατρική (1,15) θα χρησιμοποιούσε τα νανο-ρομπότς αυτά π.χ σαν υπολογιστικά γονίδια. Θα τα εισήγαγε στον οργανισμό με σκοπό να μπορούν να ανιχνεύσουν καταστροφές ιστών και μολύνσεις. Σύμφωνα με τον Robert Freitas του Ιδρύματος για τις Νανοκατασκευές στις Η.Π.Α ένα συμβατό με το αίμα νανο-ρομπότ δεν θα έπρεπε να έχει διαστάσεις μεγαλύτερες των 0,3-3 μm. Αυτό για να μπορεί να ρέει μέσα στα τριχοειδή αγγεία. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το στοιχείο του άνθρακα λόγω των χημικών του ιδιοτήτων να μπορεί να συμμετέχει σε διάφορες μορφές (γνωστά άλλωστε είναι τα συνθετικά διαμάντια). Θα μπορούσαν τα νανο-ρομπότ να κατασκευαστούν με βάση υπολογιστικά προγράμματα υπολογιστού γραφείου ειδικά για τον σκοπό αυτό.
Οι νανοκατασκευές αυτές που θα κυκλοφορούσαν μέσα στον οργανισμό θα μπορούσαν ευχερώς να παρατηρηθούν με μαγνητική τομογραφία (MRI). Αυτό θα γινόταν ακόμα ευχερέστερα αν η κατασκευή τους περιείχε το ισότοπο του C13 αντί του φυσικού C12. O C13 έχει μαγνητικό πεδίο διάφορο του μηδενός. Οι νανοκατασκευές αυτές θα ενίονταν πρώτα μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και στην συνέχεια θα προσανατολίζονταν να εργαστούν σε ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό. Ο ιατρός θα μπορεί να παρακολουθεί ένα τμήμα του σώματος και να δει στην πραγματικότητα αν οι νανοκατασκευές έχουν συναθροιστεί γύρω από τον στόχο τους μπορεί να είναι ένας όγκος π.χ. και έτσι να είναι βέβαιος πως η διαδικασία είναι επιτυχής.
8β. Mηχανές επισκευής κυττάρων
Με την σημερινή ιατρική τόσο με τα φάρμακα όσο με τις χειρουργικές επεμβάσεις, οι ιατροί ουσιαστικά «ενθαρρύνουν» τους ιστούς να αυτοεπισκευαστούν. Με τις νανο-μηχανές θα είναι δυνατές επισκευές περισσότερο άμεσες (17). Οι επισκευαστές των κυττάρων θα χρησιμοποιήσουν τα ίδια μέσα τα οποία τα ζωντανά συστήματα θεωρούν σαν πιθανότερα για την επισκευή. Η πρόσβαση στο εσωτερικό των κυττάρων θα είναι δυνατή γιατί θα μπορούν να τοποθετήσουν μέσα στα κύτταρα βελόνες χωρίς να τα τραυματίσουν ή να τα σκοτώσουν. Κατά συνέπεια οι νανομηχανές είναι σε θέση να μπουν στο κύτταρο. Επίσης όλες οι βιοχημικές αλληλεπιδράσεις δείχνουν ότι τα μοριακά συστήματα μπορούν να αναγνωρίσουν άλλα μόρια με αισθητήρες αφής, να αναδομήσουν ένα οποιοδήποτε μόριο μέσα στο κύτταρο και να μπορούν επίσης να αποσυνθέσουν και να καταστρέψουν τα παθολογικά κύτταρα. Τέλος, τα κύτταρα που διπλασιάζονται αποδεικνύουν πως τα νανοσυστήματα μπορούν να τα συγκεντρώσουν σε κάθε κύτταρο. Επομένως, η φύση έχει καταδείξει τις βασικές διαδικασίες οι οποίες απαιτούνται για την επισκευή κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Στο μέλλον, νανο-μηχανές θα μπορούν να εισέλθουν στο κύτταρο, θα μπορούν να διαφοροποιήσουν τις διαφορές μεταξύ φυσιολογικού και παθολογικού και να κάνουν τροποποιήσεις που χρειάζονται στις δομές που πρέπει.
Οι δυνατότητες αυτών των επισκευαστικών των κυττάρων νανομηχανών, είναι εντυπωσιακές. Συγκρινόμενες με το μέγεθος των ιών και των βακτηριδίων, τα συμπαγή εξαρτήματά τους θα έχουν περισσότερο περίπλοκα. Οι πρώτες μηχανές θα έχουν εξειδίκευση. Καθώς ανοίγουν ή κλείνουν τις κυτταρικές μεμβράνες ή ταξιδεύουν διαμέσου των ιστών και εφόσον θα μπορούν να εισέρχονται ακόμα και μέσα στους ιούς και τα βακτήρια, θα μπορούν να διορθώνουν μια βλάβη του DNA σε επίπεδο μορίου ή ακόμα να διορθώνουν την ενζυμική ανεπάρκεια. Αργότερα, οι μηχανές επισκευής των κυττάρων θα προγραμματιστούν με περισσότερες δυνατότητες με την βοήθεια προηγμένων συστημάτων.
Tα νανοκομπιούτερς θα χρειαστεί να καθοδηγήσουν τις μηχανές αυτές. Με τον δικό τους έλεγχο θα εξετάσουν, θα κάνουν διαλογή των ελαττωματικών δομών και στην συνέχεια θα τις επιδιορθώσουν. Οι μηχανές θα είναι σε θέση να επισκευάσουν ολόκληρα κύτταρα δουλεύοντας από δομή σε δομή. Στη συνέχεια θα πηγαίνουν να επισκευάσουν από κύτταρο σε κύτταρο και από ιστό σε ιστό μέχρι και ολόκληρα όργανα. Στο τέλος η υγεία θα έχει αποκατασταθεί. Τα αδρανή κύτταρα θα μπορούν να επισκευαστούν και αυτά εφόσον οι δυνατότητες των μοριακών μηχανισμών είναι τέτοιες που μπορούν να δομήσουν κύτταρα από την αρχή. Επομένως οι νανο-μηχανές επισκευής κυττάρων θα επισκευάζουν με αξιοπιστία τις δομές αυτές.
Ένα νέο κύμα ιατρικών νανοτεχνολογιών δημιουργείται και ο αντίκτυπός του στην ιατρική θα είναι μνημειώδης. Οι πρόοδοι στη νανοϊατρική είναι καθημερινές σε όλες τις δυνατές εφαρμογές όπως είναι η διανομή των φαρμάκων, η απεικονιστικές μέθοδοι in vivo και οι επισκευαστικές δυνατότητες των νανο-μηχανών. Δεν είναι μακριά η βιομηχανία των δισεκατομμυρίων δολλαρίων να εκραγεί στα 100 δισεκατομμύρια ή και τρισεκατομμύρια και οι προαναφερθείσες εφαρμογές να είναι απλώς η αρχή.
9. Nανονεφρολογία
Η Νανονεφρολογία είναι ένας κλάδος της ιατρικής νανοτεχνολογίας η οποία εξετάζει:
1) την μελέτη των πρωτεϊνικών δομών των νεφρών σε ατομικό επίπεδο,
2) τις απεικονιστικές μεθόδους που εφαρμόζονται στα νεφρικά κύτταρα,
3) τις θεραπείες οι οποίες χρησιμοποιούν νανοσωματίδια για την θεραπεία των νεφρών.
Η κατασκευή και η χρήση υλικών και συσκευών κατάλληλων να διαδραματίσουν ρόλο στην θεραπεία των νεφρικών παθήσεων. Οι πρόοδοι στην Νανονεφρολογία θα εξαρτηθούν από ανακαλύψεις στις ανωτέρω περιοχές για μηχανές οι οποίες θα μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σε μοριακό επίπεδο για τα νεφρικά κύτταρα. Με την κατανόηση των παθοφυσιολογικών μηχανισμών των πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων θα μάθουμε περισσότερα για τις παθήσεις των νεφρών. Ένας νανο-τεχνητός νεφρός αποτελεί όνειρο για πολλούς παθολόγους. Οι πρόοδοι της εφαρμοσμένης μηχανικής σε επίπεδο νανο-κλίμακας μεγέθους από κατευθυνόμενα νανο-ρομπότ θα επιτελέσουν θεραπευτικές ενέργειες μέσα στον οργανισμό σε ατομικό και μοριακό επίπεδο. Επομένως ένας μελλοντικός στόχος είναι σχεδιασμός και η κατασκευή συμβατών με τα νεφρικά κύτταρα νανοδομών οι οποίες θα μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς παρενέργειες. Η δυνατότητα αυτή να κατευθυνθούν ελεγχόμενα νανο-συσκευές σε μοριακό επίπεδο στους νεφρούς θα βελτιώσει τις ζωές των ασθενών με νεφρικές παθήσεις.
10. Kτηνιατρική νανοτεχνολογία
Ο καθηγητής James Leary είναι καθηγητής της Νανοϊατρικής στην Κτηνιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Purdue στο Τμήμα των Βασικών Επιστημών. Ο καθηγητής Leary συνεργάζεται με πολλά οικεία του κλάδου ερευνητικά κέντρα.
Τα ερευνητικά του ενδιαφέρονται βρίσκονται στην διαλογή ελαττωματικών νανο-δομών σε κύτταρα, μικρογενωμική και μηχανολογία σε επίπεδο κυττάρου και ιστών των ανθρώπινων βλαστοκυττάρων (stem cells) και τον σχεδιασμό «έξυπνων» βιονανοδομών για εφαρμογές στην Νανοϊατρική. Η έρευνά του είναι αναγνωρισμένη από το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των Η.Π.Α. και είναι ο επικεφαλής ερευνητής της διεπιστημονικής ερευνητικής ομάδας για την ανάπτυξη των εφαρμογών της Νανοϊατρικής στους αστροναύτες για να επιτευχθούν μεγαλύτερης διάρκειας διαστημικά ταξίδια
BIBΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, by Robert A. Freitas Jr. 1999, ISBN 157059645X
2. Editorial. (2006. “Nanomedicine: A matter of rhetoric?”). Nat Materials. 5 (4): 243.
3. Wagner V, Dullaart A, Bock AK, Zweck A. (2006). “The emerging nanomedicine landscape”. Nat Biotechnol. 24 (10): 1211-1217.
4. Freitas RA Jr. (2005). “What is Nanomedicine?” Nanomedicine: Nanotech. Biol. Med. 1 (1): 2-9.
5. Nanotechnology in Medicine and the Biosciences, By Coombs RRH, Robinson DW. 1996, ISBN 2884490809.
6. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, by MA Ratner, D Ratner, 2002, ISBN 0131014005.
7. La Van DA, McGuire T, Langer R. (2003). “Small-scale systems for in vivo drug delivery”. Nat Biotechnol. 21 (10): 1184-1191.
8. Calvacanti A, Shrinzadeh B, Freitas RA Jr, Hogg T. (2008). “Nanorobot architecture for medical target identification”. Nanotechnology 19 (1): 015103 (15pp).
9. Allen TM, Cullis PR. (2004) “Drug delivery systems: Entering the Mainstream”. Science 303 (5665): 1818-1822.
10. Nie, Shuming, Yun Xing, Gloria J. Kim, and Jonathan W. Simmons. “Nanotechnology Applications in Cancer”. Annual Review of Biomedical Engineering 9.
11. Zheng G, Patolsky F, Cui Y, Wang WU, Lieber CM. (2005). “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”. Nat Biotechnol. 23 (10): 1294-1301. doi:10.1038/nbt1138.
12. Loo C, Patolsky F, Cui Y, Wang WU, Lieber CM. (2005). “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”. Technol Cancer Res Treat. 3 (1): 33-40.
13. Shi X. Wang S, Meshinchi S, Van Antwerp ME, Bi X, Lee I, Baker JR. (2007). “Dendrimer-entrapped gold nanoparticles as a platform for cancer-cell targeting and imaging”. Small 3 (7): 1245-1252. doi: 10.1002/smll. 200700054.
14. Minchin, Rod “Sizing up targets with nanoparticles”. Nature nanotechnology: Vol 3, Pg 12-13. Nature Publishing Group: January 2008.
15. Nanomedicine, Volume IIA: Biocompatibility, by Robert Freitas Jr. 2003, ISBN 1570597006.
16. Freitas, Robert A., Jr (2005). “Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics”. Journal of Computational and Theoritical Nanoscience 2: 1-25. doi: 10.1166/jctn. 2005.001.
17. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, by K. Eric Drexler. 1986, ISBN 0385199732.
Η έρευνα στον τομέα της νανοiατρικής στις Η.Π.Α. χρηματοδοτείται στο πλαίσιο ενός πενταετούς σχεδίου ανάπτυξης που έχει στόχο να οργανώσει τέσσερα Κέντρα νανοϊατρικής. Η χρηματοδότηση αυτή, έχει ξεκινήσει σχετικά πολύ πρόσφατα από το 2005. Το επιστημονικό περιοδικό «Yλικά της Φύσης» (Nature Materials), εκτιμά πως παγκοσμίως αναπτύσσονται 130 φάρμακα καθώς και συστήματα διανομής τους (drug delivery nanosystems) τα οποία είναι βασισμένα στην νανοτεχνολογία.
1. Eπισκόπηση
Η νανοϊατρική επιδιώκει στο εγγύς μέλλον να διαδώσει πολύτιμα ερευνητικά εργαλεία καθώς και συσκευές χρήσιμες στην τρέχουσα κλινική πράξη (3,4). Η Εθνική Πρωτοβουλία Νανοτεχνολογίας των Η.Π.Α αναμένει τις νέες εφαρμογές στην Φαρμακευτική Βιομηχανία. Οι εφαρμογές αυτές είναι τα προηγμένα συστήματα διανομής φαρμάκων, οι νέες θεραπείες και οι απεικονιστικές μέθοδοι στον οργανισμό in vivo (5). Άλλοι ενεργοί στόχοι της έρευνας είναι οι νευροηλεκτρονικές διεπαφές και η χρήση αισθητήρων βασισμένων στη νανοηλεκτρονική. Από τις χρήσεις αυτές, προκύπτει μια υπόθεση εργασίας ως προς την μελλοντική χρήση της μοριακής νανοτεχνολογίας: oι μηχανές επισκευής κυττάρων. Η επιτυχής μελλοντική χρήση τους θα μπορούσε να φέρει μια νέα επιστημονική επανάσταση στην Ιατρική.
Η νανοiατρική δεν είναι ακόμα τόσο ευρέως γνωστή, όμως ήδη αποτελεί έναν ισχυρό βιομηχανικό τομέα. Οι πωλήσεις από τα προϊόντα της νανοϊατρικής, φτάνουν τα 6,8 δισεκατομμύρια δολλάρια το 2004, και πάνω από 200 επιχειρήσεις του είδους με 38 προϊόντα με παγκόσμια κυκλοφορία. Τον χρόνο περίπου 3,8 δισεκατομμύρια δολλάρια επενδύονται στον τομέα αυτόν. Η βιομηχανία της Νανοϊατρικής βρίσκεται σε φάση ανοδικής πορείας και ανάπτυξης, καθώς στο μέλλον αναμένεται να ασκήσει σημαντική επίδραση στην Οικονομία γενικότερα.
2. Διανομή φαρμάκων (Drug Delivery)
Οι προσεγγίσεις της νανοϊατρικής για καλύτερη διανομή των φαρμάκων, επιτελείται με την ανάπτυξη μορίων σε νανοκλίμακα ή γενικότερα μορίων τα οποία βελτιώνουν την βιοδιαθεσιμότητα ενός φαρμάκου. Η έννοια της βιοδιαθεσιμότητας αναφέρεται στην παρουσία των φαρμακομορίων εκεί όπου απαιτείται στο σώμα και με σκοπό να επιτύχουν την καλύτερη δυνατή δράση. Η διανομή των φαρμάκων εστιάζει στην στοχευμένη μεγιστοποίηση της βιοδιαθεσιμότητας ενός φαρμάκου και για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Αυτό θα είναι πραγματικότητα με την κατασκευή μοριακών νανοσυσκευών (7,8). Το όλο θέμα είναι πως θα στοχεύουν τα μόρια και θα διανέμονται τα φάρμακα με ακρίβεια κυττάρου. Περισσότερα από 65 εκατομμύρια δολλάρια σπαταλιούνται κάθε χρόνο εξαιτίας της σχετικά φτωχής βιοδιαθεσιμότητας των φαρμάκων. Η ανάπτυξη νανοσυσκευών για νέες in vivo απεικονιστικές μεθόδους, είναι μια διαφορετική περιοχή της σύγχρονης νανοϊατρικής. Με την χρήση νανοσωματιδίων σαν παράγοντες contrast της εικόνας, οι υπέρηχοι και οι MRI, εμφανίζονται με μεγαλύτερη ευκρίνεια και προσφέρονται για επιτυχέστερη διαγνωστική ανάγνωση. Οι νέες μέθοδοι και τα κατασκευασμένα νανοϋλικά, δίνουν ελπίδες να είναι αποτελεσματικά και να δώσουν νέες θεραπείες σε ασθένειες όπως είναι ο καρκίνος. Ποιοι νανοεπιστήνονες θα το επιτύχουν στο μέλλον είναι, προς το παρόν, πέρα από κάθε φαντασία. Η ολοκλήρωση θα επέλθει όταν τα βιοσυμβατά νανοσωματίδια θα είναι σε θέση να ανιχνεύουν, να αξιολογούν, να θεραπεύουν και να αναφέρουν στον κλινικό γιατρό αυτόματα.
Tα συστήματα διανομής τα οποία αποτελούνται συνήθως από λιπίδια ή νανοσωματίδια στην βάση πολυμερών, είναι σχεδιασμένα προκειμένου να αποδείξουν τις φαρμακολογικές και τις θεραπευτικές ιδιότητες των φαρμάκων (9). Το δυνατό σημείο των συστημάτων διανομής φαρμάκων είναι η ικανότητά τους να διαφοροποιούν την φαρμακοκινητική και την βιοκατανομή του φαρμάκου στον οργανισμό. Τα νανοσωματίδια έχουν τις ασυνήθιστες εκείνες ιδιότητες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν προκειμένου να βελτιώσουν την διανομή των φαρμάκων. Εκεί όπου τα μεγαλύτερα μόρια θα είχαν αποβληθεί από το σώμα, τα κύτταρα προσλαμβάνουν τα νανοσωματίδια λόγω του μικρού τους μεγέθους. Συμπλέγματα συστημάτων διανομής φαρμάκων έχουν αναπτυχθεί, προκειμένου, λόγω της δυνατότητάς τους να προσληφθούν μέσα στο κυτταρόπλασμα μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Η απόδοση ενός φαρμάκου έχει μεγάλη σημασία δεδομένου πως πολλές ασθένειες εξαρτώνται από ενδοκυττάριους μηχανισμούς. Έτσι μπορεί να υπάρξει παρέμβαση από φάρμακα τα οποία ενεργούν μόνο ενδοκυττάρια. Η προκαλούμενη απάντηση αποτελεί μονόδρομο για τα μόρια των φαρμάκων τα οποία χρησιμοποιούνται με αποτελεσματικότητα. Τα φάρμακα έχουν κατανεμηθεί στο σώμα και ενεργοποιούνται μόνο μετά από ένα ιδιαίτερο σήμα. Για παράδειγμα, ένα φάρμακο με φτωχή διαλυτότητα θα μπορούσε να αντικατασταθεί από ένα σύστημα διανομής όπου οι υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες των λιπιδίων, θα αναπροσανατολίζονταν έτσι, ούτως ώστε να βελτιώσουν την διαλυτότητά του. Άλλωστε ένα φάρμακο μπορεί να προκαλέσει ιστική βλάβη αλλά με το σύστημα διανομής η ρυθμιζόμενη και εκλεκτική απελευθέρωση του φαρμάκου μπορεί να υπερκεράσει το πρόβλημα αυτό. Εάν το φάρμακο καθαρθεί γρήγορα από το σώμα, τότε ο ασθενής θα χρειαστεί υψηλότερες δόσεις, αλλά με το σύστημα διανομής φαρμάκων η κάθαρση μπορεί να μειωθεί με την αλλαγή των φαρμακοκινητικών του ιδιοτήτων. Η φτωχή βιοκατανομή είναι ένα πρόβλημα το οποίο μπορεί να έχει επιπτώσεις στους φυσιολογικούς ιστούς λόγω των αυξημένων ποσοτήτων των χρησιμοποιούμενων φαρμάκων. Τα νανομόρια των συστημάτων διανομής όμως μειώνουν γενικότερα τον όγκο της διανομής και έτσι κατά συνέπεια μειώνεται και η ανεπιθύμητη επίδραση στους ιστούς που είναι φυσιολογικοί και δεν αποτελούν επιθυμητό στόχο για το φάρμακο. Θεραπευτικά νανοφάρμακα θα λειτουργούν με πολύ ειδικούς και καλά κατανοητούς μηχανισμούς. Επομένως, μια από τις σημαντικότερες επιδράσεις της ιατρικής νανοτεχνολογίας και γενικότερα της νανοεπιστήμης θα αποτελεί η ανάπτυξη εντελώς νέων φαρμάκων με την καλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα και τις λιγότερες δυνατές παρενέργειες.
3. Kαρκίνος
Το ιδιαίτερα μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων τα προικίζει με ιδιότητες τέτοιες που μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στην ογκολογία και ιδιαίτερα στις απεικονιστικές μεθόδους. Κβαντικά σημεία (δηλαδή νανοσωματίδια με ιδιότητες εκπομπής ελεγχόμενων μικροποσοτήτων ενέργειας), όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μαγνητική απεικόνιση (MRI), μπορεί να παράγει εξαιρετικές εικόνες ωρισμένων όψεων των καρκινικών όγκων. Τα νανοσωματίδια αυτά είναι πολύ φωτεινότερα από τις οργανικές χρωστικές ουσίες που μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται, και χρειάζονται μόνο μια πηγή φωτός για να διεγερθούν. Αυτό σημαίνει πως τα φθορίζοντα αυτά κβαντικά σημεία, θα μπορούσαν να παράγουν μια καλύτερης ποιότητας αντίθεση στην εικόνα και με χαμηλότερο κόστος από τις γνωστές ως τώρα οργανικές χρωστικές ουσίες οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν μέσα αντίθεσης (contrast).
Mία άλλη νανο-ιδιότητα, είναι εκείνη της μεγάλης σχετικά επιφάνειας σε σχέση με την αναλογία όγκου. Αυτό, επιτρέπει σε πολλές λειτουργικές ομάδες να συνάψουν δεσμούς με ένα νανοσωματίδιο, το οποίο με την σειρά του, θα αναζητήσει και θα δεσμεύσει ορισμένα κύτταρα όγκων. Επιπλέον το μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων (10 έως 100 νανόμετρα), κάνει εφικτό την συσσώρευσή τους κατά προτίμηση σε ωρισμένες περιοχές των όγκων, εφόσον οι τελευταίοι αυτοί στερούνται αποτελεσματικού λυμφατικού αποχετευτικού συστήματος. Ένα πολύ συναρπαστικό ερευνητικό ερώτημα είναι πως τα απεικονιστικά αυτά νανοσωματίδια θα μπορέσουν να επιτύχουν κάτι περισσότερο για τον καρκίνο. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν πολυσύνθετα νανοσωματίδια τα οποία θα ανίχνευαν, θα έδιναν εικόνα, και θα προχωρούσαν στο να θεραπεύσουν στην συνέχεια τον ίδιο τον όγκο; Το ερευνητικό αυτό ερώτημα έχει προκαλέσει ήδη εντατική έρευνα και αν δοθεί απάντηση, τότε θα μπορούσε να διαμορφωθεί ένα διαφορετικό μέλλον για την θεραπεία του καρκίνου (10). Μία υποσχόμενη νέα θεραπεία του καρκίνου που θα αντικαταστήσει μια μέρα την ακτινοβολία και την χημειοθεραπεία, με εντατικές προσπάθειες πλησιάζει όλο και περισσότερο στο στάδιο των κλινικών δοκιμών. Η θεραπεία Kanzius RF συνδέει τα μικροσκοπικά νανοσωματίδια με τα καρκινικά κύτταρα. Στη συνέχεια «μαγειρεύει» τους όγκους μέσα στο σώμα με ραδιοκύματα τα οποία θερμαίνουν επιλεκτικά τα νανοσωματίδια και κατά συνέπεια τα παρακείμενα καρκινωματώδη κύτταρα.
Θα χρησιμοποιηθούν αισθητήρες δοκιμής με μικροτσίπ τα οποία περιέχουν χιλιάδες νανοπλέγματα ικανά να ανιχνεύσουν τις πρωτείνες και άλλους βιολογικούς δείκτες που εκκρίνουν τα καρκινικά κύτταρα. Τα τσιπ αυτά θα μπορούσαν να επιτρέψουν την ανίχνευση και την διάγνωση του καρκίνου από τα αρχικά στάδια από μερικές μόνο σταγόνες αίματος του αρρώστου (11).
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Rice, κάτω από τον καθηγητή Jennifer West, έχουν δείξει πως η χρήση νανοκελύφους χρυσού διαμέτρου 120 nm καταστρέφει καρκινικούς όγκους σε ποντίκια. Τα νανοκελύφη αυτά μπορούν να στοχεύσουν σε έναν εκλεκτικό δεσμό στα καρκινωματώδη κύτταρα με την πρόσδεση αντισωμάτων ή πεπτιδίων στην επιφάνεια του νανοκελύφους. Με την ακτινοβόληση της περιοχής του όγκου με ένα υπέρυθρο laser, το οποίο διαπερνά τους ιστούς χωρίς να τους θερμάνει, αλλά θα θερμαίνει διεγείροντας τον τόσο όσο χρειάζεται για να προκαλέσει τον θάνατο στα καρκινικά κύτταρα του όγκου (12).
Επιπλέον ο John Kanzius έχει εφεύρει μια ραδιο-μηχανή έναν συνδυασμό νανοσωματιδίων χρυσού και άνθρακα σε συνδυασμό με ραδιοκύματα με σκοπό να καταστραφούν τα καρκινικά κύτταρα.
Νανοσωματίδια σεληνιώδους καδμίου (κβαντικά σημεία) πυρακτώνονται όταν εκτεθούν σε υπεριώδες φως. Όταν εγχέονται, χύνονται μέσα στους καρκινικούς όγκους. Έτσι, ο χειρουργός μπορεί να δει τον καμμένο όγκο, και να τον χρησιμοποιήσει σαν οδηγό για την αποτελεσματικότερη αφαίρεση των όγκων.
Ο James Baker επισήμονας του Πανεπιστημίου του Michigan, θεωρεί πως έχει ανακαλύψει έναν ιδιαίτερα επιτυχή και αποδοτικό τρόπο διανομής των αντικαρκινικών φαρμάκων και λιγότερο επιβλαβή για το υπόλοιπο υγιές περιβάλλον του οργανισμού. Ο Baker έχει αναπτύξει μια νανοτεχνολογία η οποία μπορεί στην αρχή να εντοπίσει και στην συνέχεια να αποβάλλει τα καρκινωματώδη κύτταρα. Εστιάζει σε ένα μόριο καλούμενο δενδριμερές. Το ιδιαίτερο αυτό μόριο διαθέτει περισσότερα από εκατό άγκιστρα τα οποία του επιτρέπουν να συνδεθεί με τα κύτταρα του σώματος για ποικίλους λόγους. Ο Baker, συνδέει στην συνέχεια το φολλικό οξύ με μερικά από τα άγκιστρα του μορίου. Σκοπός είναι να προσλάβουν τα καρκινικά κύτταρα το φολλικό οξύ το οποίο ως γνωστό είναι βιταμίνη. Έτσι εκμεταλλεύεται την ιδιότητα των καρκινικών κυττάρων τα οποία διαθέτουν μεγαλύτερο αριθμό υποδοχέων για τις βιταμίνες από ότι τα άλλα φυσιολογικά κύτταρα. Το δενδριμερές-μεταφορέας της βιταμίνης προσλαμβάνεται από το καρκινικό κύτταρο. Σε ό,τι αφορά το υπόλοιπο των αγκίστρων τα οποία δεν έχουν χρησιμοποιηθεί, ο Baker προσδένει καρκινικά φάρμακα τα οποία θα απορροφηθούν μαζί με το δενδριμερές από τα καρκινικά κύτταρα. Με τον τρόπον αυτό τα αντικαρκινικό φάρμακο δρα εκλεκτικά στον στόχο του που είναι το καρκινικό κύτταρο μόνο και τίποτα άλλο (Bullis 2006).
Στην φωτοδυναμική θεραπεία ένα νανοσωματίδιο εισέρχεται μέσα στον οργανισμό και φωτίζεται στην συνέχεια από έξω. Το φως απορροφάται από το σωματίδιο και αν αυτό είναι μέταλλο, τότε διεγείρεται θερμαίνεται τόσο το ίδιο όσο και οι γύρω από αυτό ιστοί. Το φως επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παράγει υψηλής ενέργειας Οξυγόνο (ελεύθερες ρίζες). Οι ελεύθερες ρίζες Οξυγόνου καταστρέφουν ευχερώς τα περισσότερα οργανικά μόρια που βρίσκονται κοντά τους σαν αυτά που υπάρχουν στους καρκινικούς όγκους. Αυτού του είδους η θεραπεία είναι ελκυστική για πολλούς λόγους. Δεν έχει τοξικότητα σαν αυτή που αφήνουν τα χημειοθεραπευτικά φάρμακα σε ολόκληρο το σώμα. Αυτό γιατί έχει στόχευση μόνο κατά την διεύθυνση του φωτός των διεγερμένων νανομορίων εκεί όπου αυτά μόνο βρίσκονται. Η φωτοδυναμική μέθοδος έχει την δυνατότητα να δώσει λύσεις σε μια χωρίς παράλληλες ενέργειες ενάντια σε ασθένειες, αυξητικούς παράγοντες και όγκους θεραπεία.
4. Xειρουργική
Στο Πανεπιστήμιο Rice πετυχαίνεται συγκόλληση των τεμαχίων κρέατος κοτόπουλου σε ένα. Τα δύο τεμάχια ιστών από το κοτόπουλο ενώνονται εφαρμοστά. Ένα πρασινωπό υγρό από επιχρυσωμένα νανοκελύφη ρίχνεται στάγδην κατά μήκος της γραμμής της ραφής. Ένα υπέρυθρο laser σημαδεύει κατά μήκος της ραφής, και αναγκάζει τα δύο πλευρές να ενωθούν πλήρως μεταξύ τους. Αυτή είναι μια εφαρμογή κατά την οποία οι αγγειοχειρουργοί θα μπορούσαν να αποφύγουν τις ανεπιθύμητες διαρροές αίματος κατά την συρραφή αγγειακών μοσχευμάτων στις μεταμοσχεύσεις νεφρών και καρδιάς. Θα ήταν σαν ένα τέλειο βουλοκέρι που θα σφράγιζε και θα στεγανοποιούσε τα πάντα.
5. Aπεικονιστικές μέθοδοι
Η κίνηση ανιχνευτικών ουσιών μπορεί να δεί το πόσο καλά κατανέμονται τα φάρμακα και πως οι ουσίες μεταβολίζονται. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να ακολουθηθεί κατά πόδας μια μικρή ομάδα κυττάρων μέσα στο σώμα. Έτσι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν βαφή για να βάψουν τα κύτταρα. Αυτές οι χρωστικές θα έπρεπε να διεγερθούν από φως συγκεκριμένου μήκους κύματος ούτως ώστε να φωσφορίσουν. Επειδή διαφορετικές χρωστικές ουσίες απορροφούν διαφορετικές συχνότητες φωτός, υπήρξε η ανάγκη να για τόσες σε αριθμό πηγές φωτός όσες και τα είδη των κυττάρων. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι οι φωτοευαίσθητες ετικέττες. Οι ετικέττες αυτές είναι κβαντικά σημεία εγκιστωμένα πάνω σε πρωτείνες οι οποίες διαπερνούν τις κυτταρικές μεμβράνες. Τα σημεία αυτά μπορεί μπορεί να ποικίλλουν σε μέγεθος, να αποτελούνται από βιοαδρανές υλικό και να ορίζουν την περιοχή των νανοσωματιδίων με διαφορετικά χρώματα. Κατά συνέπεια τα μεγέθη επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ούτως ώστε η συχνότητα του φωτός που χρησιμοποιείται για να διεγείρει μια ομάδα κβαντικών σημείων να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο μιας άλλης. Στο τέλος και οι δύο διαφορετικές ομάδες θα μπορούν να φθορίσουν με διέγερση από μια ενιαία πηγή φωτός.
6. H στόχευση των νανοσωματιδίων
Έχει μέχρι τώρα διαπιστωθεί πως τα νανοσωματίδια είναι πολλά υποσχόμενα εργαλεία για την επιστημονική πρόοδο σε τομείς όπως η διανομή των φαρμάκων, των ιατρικών απεικονιστικών μεθόδων αλλά και ως διαγνωστικοί αισθητήρες. Εν τούτοις η βιοκατανομή των νανοσωματιδίων εξακολουθεί να είναι άγνωστη και να καθιστά ακόμα δύσκολη την στόχευση συγκεκριμένων οργάνων στο σώμα. Η τρέχουσα έρευνα στο απεκκριτικό σύστημα ποντικών, παρ’ όλα αυτά, παρουσιάζει μια δυνατότητα των συμπλόκων χρυσού να στοχεύουν επιλεκτικά σε ορισμένα όργανα ανάλογα με το μέγεθος και το φορτίο τους. Αυτά τα σύμπλοκα εισάγονται μέσα σε ένα δενδρομερές και έτσι αποκτούν ένα ορισμένο μέγεθος και φορτίο. Τα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια χρυσού εισάγονται στους νεφρούς ενώ τα αρνητικά παραμένουν στο ήπαρ και τον σπλήνα.
Tα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια έχουν μειωμένο το ποσοστό διασποράς στο ήπαρ, πράγμα που έχει συνέπειες στην απεκκριτική παροχέτευση. Ακόμα και σε ένα πολύ σχετικά μικρό μέγεθος της τάξης των 5 nm, εν τούτοις, τα μόρια αυτά μπορούν να παραμείνουν χωριστά σε ιστικά μικροδιαμερίσματα περιφερικά και επομένως να αρχίσουν να συσσωρεύονται στο σώμα με την πάροδο του χρόνου. Ενώ η πρόοδος της έρευνας των νανοσωματιδίων δείχνει πως η στόχευση και η διανομή των φαρμάκων μπορούν να βελτιωθούν, οι κίνδυνοι της νανοτοξικότητας είναι ένα επόμενο βήμα για την περαιτέρω κατανόηση των ιατρικών τους χρήσεων (14).
7. Nευρο-ηλεκτρονικές διεπαφές
Oι νευρο-ηλεκτρονικές διεπαφές είναι ορατός στόχος ο οποίος εξετάζει την κατασκευή νανοσυσκευών που θα ενωθούν και θα συνδεθούν με το νευρικό σύστημα. Η ουσία αυτής της ιδέας είναι η κατασκευή μιας μοριακής δομής η οποία θα επιτρέψει ανίχνευση και έλεγχο των νευρικών ώσεων από έναν εξωτερικό ηλεκτρονικό υπολογιστή. Οι υπολογιστές αυτοί θα είναι σε θέση να ερμηνεύσουν, να καταγράψουν και να ανταποκριθούν σε σήματα που εκπέμπει το σώμα όταν λαμβάνουν με τους αισθητήρες τους. Υπάρχει πολύ μεγάλη ανάγκη για τέτοιες δομές δεδομένου ότι πολλές ασθένειες όπως η νόσος Altzheimer και η σκλήρυνση κατά πλάκας χαρακτηρίζονται από εκφυλιστικά φαινόμενα. Επίσης, τραυματισμοί και ατυχήματα μπορούν να εξασθενίσουν την λειτουργικότητα του νευρικού συστήματος με συνέπεια την δυσλειτουργία του και τελικά την παραπληγία. Εάν οι υπολογιστές θα μπορούσαν να ελέγξουν το νευρικό σύστημα μέσω της νευρο-ηλεκτρονικής διεπαφής, τα προβλήματα τα οποία εξασθενίζουν το νευρικό σύστημα θα μπορούσαν να υπερνικηθούν. Δύο στρατηγικές υπάρχουν για την τροφοδότηση με ενέργεια των συστημάτων αυτών. Η μία είναι η ανεφοδιάσιμη μορφή ενέργειας. Με αυτήν, η ενέργεια ανατροφοδοτείται συνεχώς ή περιοδικά εξωτερικά από προσαρτημένες ηχητικές, χημικές ή ηλεκτρικές πηγές. Κατά την άλλη στρατηγική όλη η ενέργεια είναι εσωτερικά αποθηκευμένη στην συσκευή και διαρκεί μέχρι να εξαντληθεί.
Υπάρχει όμως στην καινοτομία αυτή ένας περιορισμός. Η ηλεκτρική παρέμβαση στους ιστούς αποτελεί μόνο μια πιθανότητα. Υπάρχουν γύρω και άλλα ηλεκτρικά πεδία, ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί (EPS) καθώς και άλλες ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούνται in vivo και που μπορού εξίσου να προκαλέσουν ηλεκτρικές επεμβάσεις και αυτές. Επίσης απαιτούνται μονωτικά υλικά αρκούντως παχιά προκειμένου να αποτρέψουν την διαρροή ηλεκτρονίων και εφόσον παρατηρείται υψηλή αγωγιμότητα in vivo στους ιστούς, υπάρχει κίνδυνος ξαφνικού βραχυκυκλώματος. Τέλος, απαιτούνται καλώδια ικανού πάχους προκειμένου να ρέει η ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να υπερθερμαίνονται. Η καλωδίωση των δομών αυτών είναι εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα επειδή πρέπει να τοποθετηθούν με ακρίβεια πάνω στο νευρικό σύστημα έτσι ώστε να μπορούν να ελέγχουν αλλά και να προσλαμβάνουν τα νευρικά ερεθίσματα στα οποία ανταποκρίνονται. Ένας άλλος περιορισμός είναι οι δομές αυτές να μη διεγείρουν το ανοσοποιητικό σύστημα του οργανισμού και να μένουν απρόσβλητες από αυτό για μακρό χρονικό διάστημα (15). Επιπλέον οι δομές αυτές, θα πρέπει να αναγνωρίζουν και να αποτρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται από τα φορτισμένα ιόντα του οργανισμού. Τελικά, ενώ είναι άπειρες οι δυνατότητες και το μέλλον των νανο-ηλεκτρονικών διεπαφών, δεν υπάρχει προς το παρόν σαφές χρονοδιάγραμμα διάθεσής τους.
8. Iατρικές εφαρμογές της μοριακής νανοτεχνολογίας
Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι θεωρητικός υποτομέας της νανοτεχνολογίας και αφορά την δυνατότητα μοριακών συναθροίσεων της εφαρμοσμένης μηχανικής. Οι νανο-μηχανές αυτές θα επαναπροσδιορίσουν τα ερωτήματα σε μοριακή και ατομική κλίμακα. Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι ιδιαίτερα θεωρητική και επιδιώκει να ενισχύσει τις προσδοκίες για νέες εφευρέσεις, καθώς και να προτείνει θέματα σε μια ημερήσια διάταξη για την μελλοντική έρευνα. Οι προτάσεις της μοριακής νανοτεχνολογίας, όπως οι μοριακές συναθροίσεις και τα νανο-ρομπότ, είναι προς το παρόν αρκετά μακριά από τις τρέχουσες δυνατότητες εφαρμογών.
8α. Nανο-ρομπότ
Οι ένθερμοι θιασώτες των θεωρητικών δυνατοτήτων των νανο-ρομπότς στην Ιατρική16, υποστηρίζουν πως αυτά θα άλλαζαν στο σύνολό του τον κόσμο της Ιατρικής μόλις θα ήταν δυνατόν να γίνουν πραγματικότητα. Η Νανοϊατρική (1,15) θα χρησιμοποιούσε τα νανο-ρομπότς αυτά π.χ σαν υπολογιστικά γονίδια. Θα τα εισήγαγε στον οργανισμό με σκοπό να μπορούν να ανιχνεύσουν καταστροφές ιστών και μολύνσεις. Σύμφωνα με τον Robert Freitas του Ιδρύματος για τις Νανοκατασκευές στις Η.Π.Α ένα συμβατό με το αίμα νανο-ρομπότ δεν θα έπρεπε να έχει διαστάσεις μεγαλύτερες των 0,3-3 μm. Αυτό για να μπορεί να ρέει μέσα στα τριχοειδή αγγεία. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το στοιχείο του άνθρακα λόγω των χημικών του ιδιοτήτων να μπορεί να συμμετέχει σε διάφορες μορφές (γνωστά άλλωστε είναι τα συνθετικά διαμάντια). Θα μπορούσαν τα νανο-ρομπότ να κατασκευαστούν με βάση υπολογιστικά προγράμματα υπολογιστού γραφείου ειδικά για τον σκοπό αυτό.
Οι νανοκατασκευές αυτές που θα κυκλοφορούσαν μέσα στον οργανισμό θα μπορούσαν ευχερώς να παρατηρηθούν με μαγνητική τομογραφία (MRI). Αυτό θα γινόταν ακόμα ευχερέστερα αν η κατασκευή τους περιείχε το ισότοπο του C13 αντί του φυσικού C12. O C13 έχει μαγνητικό πεδίο διάφορο του μηδενός. Οι νανοκατασκευές αυτές θα ενίονταν πρώτα μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και στην συνέχεια θα προσανατολίζονταν να εργαστούν σε ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό. Ο ιατρός θα μπορεί να παρακολουθεί ένα τμήμα του σώματος και να δει στην πραγματικότητα αν οι νανοκατασκευές έχουν συναθροιστεί γύρω από τον στόχο τους μπορεί να είναι ένας όγκος π.χ. και έτσι να είναι βέβαιος πως η διαδικασία είναι επιτυχής.
8β. Mηχανές επισκευής κυττάρων
Με την σημερινή ιατρική τόσο με τα φάρμακα όσο με τις χειρουργικές επεμβάσεις, οι ιατροί ουσιαστικά «ενθαρρύνουν» τους ιστούς να αυτοεπισκευαστούν. Με τις νανο-μηχανές θα είναι δυνατές επισκευές περισσότερο άμεσες (17). Οι επισκευαστές των κυττάρων θα χρησιμοποιήσουν τα ίδια μέσα τα οποία τα ζωντανά συστήματα θεωρούν σαν πιθανότερα για την επισκευή. Η πρόσβαση στο εσωτερικό των κυττάρων θα είναι δυνατή γιατί θα μπορούν να τοποθετήσουν μέσα στα κύτταρα βελόνες χωρίς να τα τραυματίσουν ή να τα σκοτώσουν. Κατά συνέπεια οι νανομηχανές είναι σε θέση να μπουν στο κύτταρο. Επίσης όλες οι βιοχημικές αλληλεπιδράσεις δείχνουν ότι τα μοριακά συστήματα μπορούν να αναγνωρίσουν άλλα μόρια με αισθητήρες αφής, να αναδομήσουν ένα οποιοδήποτε μόριο μέσα στο κύτταρο και να μπορούν επίσης να αποσυνθέσουν και να καταστρέψουν τα παθολογικά κύτταρα. Τέλος, τα κύτταρα που διπλασιάζονται αποδεικνύουν πως τα νανοσυστήματα μπορούν να τα συγκεντρώσουν σε κάθε κύτταρο. Επομένως, η φύση έχει καταδείξει τις βασικές διαδικασίες οι οποίες απαιτούνται για την επισκευή κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Στο μέλλον, νανο-μηχανές θα μπορούν να εισέλθουν στο κύτταρο, θα μπορούν να διαφοροποιήσουν τις διαφορές μεταξύ φυσιολογικού και παθολογικού και να κάνουν τροποποιήσεις που χρειάζονται στις δομές που πρέπει.
Οι δυνατότητες αυτών των επισκευαστικών των κυττάρων νανομηχανών, είναι εντυπωσιακές. Συγκρινόμενες με το μέγεθος των ιών και των βακτηριδίων, τα συμπαγή εξαρτήματά τους θα έχουν περισσότερο περίπλοκα. Οι πρώτες μηχανές θα έχουν εξειδίκευση. Καθώς ανοίγουν ή κλείνουν τις κυτταρικές μεμβράνες ή ταξιδεύουν διαμέσου των ιστών και εφόσον θα μπορούν να εισέρχονται ακόμα και μέσα στους ιούς και τα βακτήρια, θα μπορούν να διορθώνουν μια βλάβη του DNA σε επίπεδο μορίου ή ακόμα να διορθώνουν την ενζυμική ανεπάρκεια. Αργότερα, οι μηχανές επισκευής των κυττάρων θα προγραμματιστούν με περισσότερες δυνατότητες με την βοήθεια προηγμένων συστημάτων.
Tα νανοκομπιούτερς θα χρειαστεί να καθοδηγήσουν τις μηχανές αυτές. Με τον δικό τους έλεγχο θα εξετάσουν, θα κάνουν διαλογή των ελαττωματικών δομών και στην συνέχεια θα τις επιδιορθώσουν. Οι μηχανές θα είναι σε θέση να επισκευάσουν ολόκληρα κύτταρα δουλεύοντας από δομή σε δομή. Στη συνέχεια θα πηγαίνουν να επισκευάσουν από κύτταρο σε κύτταρο και από ιστό σε ιστό μέχρι και ολόκληρα όργανα. Στο τέλος η υγεία θα έχει αποκατασταθεί. Τα αδρανή κύτταρα θα μπορούν να επισκευαστούν και αυτά εφόσον οι δυνατότητες των μοριακών μηχανισμών είναι τέτοιες που μπορούν να δομήσουν κύτταρα από την αρχή. Επομένως οι νανο-μηχανές επισκευής κυττάρων θα επισκευάζουν με αξιοπιστία τις δομές αυτές.
Ένα νέο κύμα ιατρικών νανοτεχνολογιών δημιουργείται και ο αντίκτυπός του στην ιατρική θα είναι μνημειώδης. Οι πρόοδοι στη νανοϊατρική είναι καθημερινές σε όλες τις δυνατές εφαρμογές όπως είναι η διανομή των φαρμάκων, η απεικονιστικές μέθοδοι in vivo και οι επισκευαστικές δυνατότητες των νανο-μηχανών. Δεν είναι μακριά η βιομηχανία των δισεκατομμυρίων δολλαρίων να εκραγεί στα 100 δισεκατομμύρια ή και τρισεκατομμύρια και οι προαναφερθείσες εφαρμογές να είναι απλώς η αρχή.
9. Nανονεφρολογία
Η Νανονεφρολογία είναι ένας κλάδος της ιατρικής νανοτεχνολογίας η οποία εξετάζει:
1) την μελέτη των πρωτεϊνικών δομών των νεφρών σε ατομικό επίπεδο,
2) τις απεικονιστικές μεθόδους που εφαρμόζονται στα νεφρικά κύτταρα,
3) τις θεραπείες οι οποίες χρησιμοποιούν νανοσωματίδια για την θεραπεία των νεφρών.
Η κατασκευή και η χρήση υλικών και συσκευών κατάλληλων να διαδραματίσουν ρόλο στην θεραπεία των νεφρικών παθήσεων. Οι πρόοδοι στην Νανονεφρολογία θα εξαρτηθούν από ανακαλύψεις στις ανωτέρω περιοχές για μηχανές οι οποίες θα μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σε μοριακό επίπεδο για τα νεφρικά κύτταρα. Με την κατανόηση των παθοφυσιολογικών μηχανισμών των πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων θα μάθουμε περισσότερα για τις παθήσεις των νεφρών. Ένας νανο-τεχνητός νεφρός αποτελεί όνειρο για πολλούς παθολόγους. Οι πρόοδοι της εφαρμοσμένης μηχανικής σε επίπεδο νανο-κλίμακας μεγέθους από κατευθυνόμενα νανο-ρομπότ θα επιτελέσουν θεραπευτικές ενέργειες μέσα στον οργανισμό σε ατομικό και μοριακό επίπεδο. Επομένως ένας μελλοντικός στόχος είναι σχεδιασμός και η κατασκευή συμβατών με τα νεφρικά κύτταρα νανοδομών οι οποίες θα μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς παρενέργειες. Η δυνατότητα αυτή να κατευθυνθούν ελεγχόμενα νανο-συσκευές σε μοριακό επίπεδο στους νεφρούς θα βελτιώσει τις ζωές των ασθενών με νεφρικές παθήσεις.
10. Kτηνιατρική νανοτεχνολογία
Ο καθηγητής James Leary είναι καθηγητής της Νανοϊατρικής στην Κτηνιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Purdue στο Τμήμα των Βασικών Επιστημών. Ο καθηγητής Leary συνεργάζεται με πολλά οικεία του κλάδου ερευνητικά κέντρα.
Τα ερευνητικά του ενδιαφέρονται βρίσκονται στην διαλογή ελαττωματικών νανο-δομών σε κύτταρα, μικρογενωμική και μηχανολογία σε επίπεδο κυττάρου και ιστών των ανθρώπινων βλαστοκυττάρων (stem cells) και τον σχεδιασμό «έξυπνων» βιονανοδομών για εφαρμογές στην Νανοϊατρική. Η έρευνά του είναι αναγνωρισμένη από το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των Η.Π.Α. και είναι ο επικεφαλής ερευνητής της διεπιστημονικής ερευνητικής ομάδας για την ανάπτυξη των εφαρμογών της Νανοϊατρικής στους αστροναύτες για να επιτευχθούν μεγαλύτερης διάρκειας διαστημικά ταξίδια
BIBΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, by Robert A. Freitas Jr. 1999, ISBN 157059645X
2. Editorial. (2006. “Nanomedicine: A matter of rhetoric?”). Nat Materials. 5 (4): 243.
3. Wagner V, Dullaart A, Bock AK, Zweck A. (2006). “The emerging nanomedicine landscape”. Nat Biotechnol. 24 (10): 1211-1217.
4. Freitas RA Jr. (2005). “What is Nanomedicine?” Nanomedicine: Nanotech. Biol. Med. 1 (1): 2-9.
5. Nanotechnology in Medicine and the Biosciences, By Coombs RRH, Robinson DW. 1996, ISBN 2884490809.
6. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, by MA Ratner, D Ratner, 2002, ISBN 0131014005.
7. La Van DA, McGuire T, Langer R. (2003). “Small-scale systems for in vivo drug delivery”. Nat Biotechnol. 21 (10): 1184-1191.
8. Calvacanti A, Shrinzadeh B, Freitas RA Jr, Hogg T. (2008). “Nanorobot architecture for medical target identification”. Nanotechnology 19 (1): 015103 (15pp).
9. Allen TM, Cullis PR. (2004) “Drug delivery systems: Entering the Mainstream”. Science 303 (5665): 1818-1822.
10. Nie, Shuming, Yun Xing, Gloria J. Kim, and Jonathan W. Simmons. “Nanotechnology Applications in Cancer”. Annual Review of Biomedical Engineering 9.
11. Zheng G, Patolsky F, Cui Y, Wang WU, Lieber CM. (2005). “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”. Nat Biotechnol. 23 (10): 1294-1301. doi:10.1038/nbt1138.
12. Loo C, Patolsky F, Cui Y, Wang WU, Lieber CM. (2005). “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”. Technol Cancer Res Treat. 3 (1): 33-40.
13. Shi X. Wang S, Meshinchi S, Van Antwerp ME, Bi X, Lee I, Baker JR. (2007). “Dendrimer-entrapped gold nanoparticles as a platform for cancer-cell targeting and imaging”. Small 3 (7): 1245-1252. doi: 10.1002/smll. 200700054.
14. Minchin, Rod “Sizing up targets with nanoparticles”. Nature nanotechnology: Vol 3, Pg 12-13. Nature Publishing Group: January 2008.
15. Nanomedicine, Volume IIA: Biocompatibility, by Robert Freitas Jr. 2003, ISBN 1570597006.
16. Freitas, Robert A., Jr (2005). “Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics”. Journal of Computational and Theoritical Nanoscience 2: 1-25. doi: 10.1166/jctn. 2005.001.
17. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, by K. Eric Drexler. 1986, ISBN 0385199732.
