Jak nanotechnologia zmienia przyszłość medycyny

O nanotechnologii słyszeliśmy od dawna zarówno w science fiction, jak iw mediach, ale jak dotąd niewiele z niej wyszło. Jednak nowa fala terapii opartych na nanotechnologii jest już na horyzoncie i jest gotowa zmienić świat medycyny.

Nanotechnologia, koncepcja technologiczna po raz pierwszy zaproponowana przez Richarda Feynmana w jego wykładzie z 1959 r, “Na dole jest mnóstwo miejsca”, został spopularyzowany przez Erika Drexlera w 1986 roku za pośrednictwem swojej książki “Silniki Stworzenia.” Książka nakreśliła możliwość samoreplikacji maszyn w skali molekularnej, zdolnych do… prawie wszystkiego.

Założenie to zainspirowało wiele prac science fiction, w tym Michaela Crichtona “Zdobycz” a Neil Stephenson jest doskonały “Epoka diamentów.” Potencjał nanotechnologii zajął dużo czasu, aby pokazać swoją twarz, ale w końcu zaczyna pojawiać się w postaci wyrafinowanych interwencji medycznych, które w najbliższej przyszłości głęboko zmienią naturę opieki zdrowotnej.

Nanotechnologia i medycyna

Potencjał nanotechnologii, w pełnym sensie Drexlera, jest bezprecedensowy. Prawdziwi uniwersalni monterzy, jeśli potrafimy wymyślić, jak je zbudować, wprowadzą głęboką zmianę w ludzkiej kondycji. Oczywiście przed nami długa droga. Pod wieloma względami nie jesteśmy nawet blisko. Pod innymi względami postęp jest kontynuowany w zaskakujący i użyteczny sposób.

Prawo Moore'a Co to jest prawo Moore'a i co ma z tobą wspólnego? [MakeUseOf wyjaśnia] Co to jest prawo Moore'a i co ma z tobą wspólnego? [MakeUseOf wyjaśnia] Pech nie ma nic wspólnego z prawem Moore'a. Jeśli masz takie skojarzenie, mylisz je z Prawem Murphy'ego. Nie byłeś jednak daleko, ponieważ prawo Moore'a i prawo Murphy'ego… nieustannie napędzają postępy w nanotechnologii - możemy teraz wytwarzać tranzystory, które dosłownie istnieją w skali nano, o średnicach setek atomów.

Podobnie w medycynie, jednym z największych problemów jest nasza niezdolność do właściwego ukierunkowania interwencji. W medycynie psychoaktywnej i psychologii klinicznej 6 oszałamiające TED mówi o psychologii i zachowaniu człowieka 6 oszałamiające TED mówi o psychologii i zachowaniu człowieka Ludzki mózg jest złożony i zagmatwany, co wyjaśnia, dlaczego ludzkie zachowanie jest tak złożone i zagmatwane. Ludzie mają tendencję do działania w jedną stronę, kiedy czują coś zupełnie innego. Oto kilka… na przykład, lekarze naprawdę chcą stymulować niektóre regiony mózgu i tłumić inne, aby wybiórczo rozwiązywać problemy pacjenta. To zwykły wypadek w historii, że najlepszym sposobem, aby to zrobić teraz, jest podawanie leków, które, nawiasem mówiąc, na wiele sposobów zmieniają mózg i ciało, wywołują niektóre z tych pożądanych efektów.

Gdyby chirurdzy mogli wprowadzić przewody do mózgów ludzi i selektywnie stymulować określone regiony w bezpieczny sposób, dziedzina zdrowia psychicznego mogłaby uniknąć skutków ubocznych tradycyjnych leków psychoaktywnych. Wykazano już, że podstawowa technika działa w depresji, zgodnie z artykułem w Neuron podsumowującym szereg różnych badań klinicznych.

Pomyśl także o raku - lekarze naprawdę chcą w onkologii zabijać komórki nowotworowe. Szkoda, że ​​jednym z najlepszych narzędzi do zabijania komórek nowotworowych jest chemioterapia, która ma niefortunny efekt uboczny także w przypadku zabijania zwykłych komórek. To powoduje, że pacjenci są bardzo chorzy.

Nanotechnologia oferuje sposób kierowania interwencjami w ludzkim ciele, potencjalnie na poziomie pojedynczych komórek, przy użyciu inteligentnych elementów operacyjnych, które są tak małe, że nie zakłócają fizycznie normalnej funkcji organizmu. Delikatne palce zadają mniej obrażeń, a maszyny mniejsze niż najlepsza kapilara w ciele mogą iść wszędzie tam, gdzie płynie krew.

Jeśli można je uczynić wystarczająco inteligentnymi, takie urządzenia nanomedyczne mogą rozsądnie wybrać miejsce i sposób interwencji. Oczywiście, więcej będzie możliwe, gdy inżynierowie będą mogli budować roboty, które mają bardziej wyrafinowane zachowania (takie jak zdolność poruszania się pod własną mocą), ale nawet dzisiejsze stosunkowo prymitywne nanomaszyny mają dużą wartość.

Nanotechnologia i rak

Niestandardowe nici DNA są skonstruowane w taki sposób, że składają się w dowolne kształty i mogą mieć związane z nimi białka i enzymy, co pozwala im zachowywać się w inteligentny sposób i reagować na zmieniające się sytuacje w ludzkim ciele. Daniel Levner, bioinżynier z Harvardu, uważa, że ​​takie zachowanie jest bardzo silne.

Nanoroboty DNA mogłyby potencjalnie realizować złożone programy, które pewnego dnia mogłyby zostać wykorzystane do diagnozowania lub leczenia chorób o niespotykanym wyrafinowaniu.

Maszyny te można wykorzystać do budowy klatek, które mogą się otwierać lub zamykać w odpowiedzi na sygnały chemiczne - na przykład uwalniając chemioterapię tylko wtedy, gdy zderzą się z markerami białkowymi specyficznie związanymi z tkanką nowotworową.

Umożliwi to zastosowanie ukierunkowanej chemioterapii, minimalizując lub eliminując działania niepożądane. Umożliwi to również zastosowanie chemioterapii, które są bardziej skuteczne niż istniejące terapie, ale obecnie nie mogą być stosowane ze względu na powagę skutków ubocznych.

Podobnym, ale innym podejściem jest stosowanie maleńkich nanocząstek wykonanych z krzemionki i złota, które wiążą się z tkanką nowotworową i nasycają guz. Następnie można zastosować lasery bliskiej podczerwieni, które nie wchodzą w interakcje z ludzką tkanką, ale powodują nagrzewanie się złotych nanocząstek.

Ten proces umożliwia spalanie określonych obszarów tkanek (wypełnionych nanocząstkami i na ścieżce lasera). Dostrajając zarówno lasery, jak i rozkład cząstek, lekarze mogą bardzo selektywnie niszczyć tkanki rakowe. Martwą tkankę można chirurgicznie usunąć lub oczyścić przez sam układ odpornościowy, w zależności od skali choroby. Odmianą procedury jest użycie pustych złotych skorup, które uwalniają ładunek chemioterapii po podgrzaniu, co pozwala na użycie laserów w celu dalszego udoskonalenia miejsca wprowadzenia leków (jeśli białka markerów nowotworowych nie są wystarczająco specyficzne).

Nanotechnologia i diagnostyka

Innym obszarem, w którym nanotechnologia może zrewolucjonizować dziedzinę medycyny, jest gromadzenie danych medycznych. Dzięki nanotechnologii możliwe jest rozprowadzanie nanoskalowych urządzeń diagnostycznych w całym ciele, które wykrywają zachodzące zmiany chemiczne. Może to umożliwić dokładniejsze śledzenie stanu zdrowia i stanu pacjenta w czasie rzeczywistym w sposób, który w innym przypadku nie byłby możliwy.

Poza ciałem nanotechnologię można również wykorzystać do przyspieszenia sekwencjonowania genów i analizy chemicznej za pomocą kropek kwantowych dołączonych do częściowych sekwencji DNA lub białek, które wiążą się z innymi materiałami, którymi są zainteresowani lekarze. Następnie możesz po prostu spojrzeć na rozkład świecące elementy, aby zobaczyć, co było w próbce.

Może to potencjalnie sprawić, że wykonywanie niektórych rodzajów testów poza ciałem będzie szybsze, tańsze i bardziej niezawodne - możesz zbudować testy, które pobiorą małą próbkę tkanki i zsekwencjonują ją dla fragmentów genomu HIV, wykrywając infekcje wcześniej i bardziej niezawodnie. Naukowcy ze Stanford wykorzystali tę technikę do poszukiwania uszkodzonych genów powszechnych w niektórych nowotworach, jako sposobu na szybsze badanie tkanki nowotworowej:

Ponieważ qdots mogą śledzić obecność wielu cząsteczek w dłuższym okresie czasu, naukowcy zamierzają je wykorzystać do wygenerowania pewnego rodzaju optycznego kodu kreskowego odzwierciedlającego poziomy różnych markerów nowotworowych. Kod kreskowy może wskazywać rodzaj i stadium nowotworu.

Na dłuższą metę, jeśli twórcy nanotechnologii będą mogli nadal miniaturyzować części (lub pożyczać techniki z produkcji mikroczipów), mogliby zbudować proste kamery mikroskopowe, mniejsze niż średnica kapilary (10 mikronów lub około 100 000 atomów średnicy). Kamery te mogą zmapować całe ciało, dzwoniąc do wyników.

Wszystkie te dane, zsyntetyzowane razem, mogą dostarczyć kompletną mapę większości tkanek w ciele ludzkim, z perspektywy naczyń włosowatych, pokazując całe ciało ludzkie na poziomie szczegółowości, który jest niemożliwy w przypadku zdjęć rentgenowskich lub rezonansu magnetycznego. Jedną z propozycji budowy czegoś takiego jest tzw “Naczyniowe skanowanie kartograficzne”, opracowany przez Franka Boehm'a, autora „Nanomedical Device and System Design”. Boehm uważa:

Diagnostyka i terapia nanomedyczna działają na poziomie komórkowym i molekularnym, właśnie tam, gdzie wiele procesów chorobowych znajduje swoją genezę […] [N] anomedycyna może potencjalnie diagnozować i leczyć wiele stanów chorobowych z wyprzedzeniem, zanim będą miały możliwość namnażania się […] Można sobie wyobrazić, że zostaną nasycone możliwościami bardzo dokładnych diagnoz oraz drobiazgowego i dokładnego wyeliminowania praktycznie każdego stanu chorobowego, patogennego lub toksycznego zagrożenia.

Nanotechnologia i neuronauka

Nanotechnologia może również zmienić sposób, w jaki lekarze leczą zaburzenia mózgu. Po stronie gromadzenia danych może być możliwe zastosowanie cząstek diamentu w nanoskali, które zapalają się w odpowiedzi na aktywność elektryczną mózgu, w celu przekształcenia aktywności mózgu w częstotliwości światła, które mogą wydostać się z czaszki i zostać zarejestrowane przez zewnętrzne czujniki.

Umożliwiłoby to naukowcom badanie mózgu bardziej szczegółowo. Dokładne wzorce aktywności mózgu byłyby pomocne w wykryciu dynamiki napadów i chorób psychicznych w poszczególnych mózgach, umożliwiając ukierunkowane interwencje w celu rozwiązania problemu.

Z drugiej strony może być możliwe zastosowanie nanorurek węglowych do przenoszenia sygnałów do i z poszczególnych neuronów. W tej chwili włoscy naukowcy stosują tę technologię do przenoszenia aktywności elektrycznej przez martwą tkankę mózgową pozostawioną przez udar lub infekcję, ale można ją również wykorzystać do wytwarzania siatek elektrod, które są znacznie drobniejsze i bardziej biokompatybilne niż istniejąca technologia, umożliwiając bardziej wyrafinowane implanty przy mniejszym uszkodzeniu oryginalnej tkanki.

Mogłoby to zasadniczo działać w znacznie wyższej rozdzielczości i w szerszym zakresie niż tradycyjne elektrody implantowane, umożliwiając nowym rodzajom implantów mózgu wtykających mózg i ciało - przyszłość wszczepionych komputerów wtykających mózg i ciało - przyszłość Wszczepione komputery Przy obecnym trendzie innowacji technicznych i postępu, teraz jest dobry czas, aby odkryć najnowocześniejsze technologie komputerowo-ludzkie. i urządzenia stymulujące mózg. Nawet przy obecnie dostępnej stosunkowo surowej implantacji elektrod efekty stymulacji mózgu są znaczące:

Alternatywnie można zastosować te same techniki, które stosuje się w chemioterapii nano-dostarczającej, aby dostarczyć inne substancje chemiczne, takie jak neuroprzekaźniki i leki psychiatryczne do określonych obszarów mózgu z dużo większą precyzją (w tym dostarczanie leków do poszczególnych komórek). Wraz z lepszymi rozrusznikami nerwowymi może to obejmować również znacznie szerszy zakres terapii, w tym leczenie depresji, lęków, a nawet zaburzeń osobowości.

Tego rodzaju terapia może być również wykorzystana do stworzenia ściślejszych interfejsów z urządzeniami protetycznymi i zapewnienia większej liczby opcji komunikacji dla „zamkniętych” pacjentów.

Ten rodzaj precyzyjnie ukierunkowanej technologii może radykalnie zmienić sposób uprawiania medycyny neurologicznej. Może to prowadzić do medycyny psychiatrycznej opartej na danych i polegającej na bezpośredniej interwencji, która jest o wiele bardziej skuteczna i znacznie bardziej egzystencjalna (wyobraź sobie pierwszego wirusa komputerowego, który może zainfekować implanty mózgowe regulujące nastrój).

W miarę postępu nanotechnologia będzie miała głęboki wpływ na kondycję człowieka, umożliwiając naprawę uszkodzeń komórkowych i leczenie różnych dolegliwości u ludzi w nowy i lepszy sposób, ale wiąże się także z koniecznością lepszego zrozumienia układów organizmu którym manipulujemy, a także uznanie etyki, która się z tym wiąże.

Jakie jest twoje zdanie na temat nanotechnologii w medycynie?? Czy uważasz, że jest to nowa granica nauk medycznych, czy może skazana na porażkę od samego początku? Podziel się swoimi przemyśleniami w sekcji komentarzy poniżej.

Zdjęcia: Nanobots Via Shutterstock, “DNA może działać jak rzep dla nanocząstek,”, przez Argonne National Labs, “B0006421 Komórki raka piersi“, autor: Amy Dame, “Kropki kwantowe“, przez Argonne National Labs, “badanie neuroobrazowania autyzmu“, Ian Ruotsala, “ręka życia 2“, autor: Università Campus Bio-Medico di Roma