Nanogąbki

Nanogąbki to rodzaj nanocząstek , często syntetycznych polimerów zawierających węgiel . Mają porowatą strukturę, a pory mają rozmiar około 1–2 nanometrów i dlatego mogą być ukierunkowane na pochłanianie niewielkich ilości materii lub toksyn . Nanogąbki są często stosowane w medycynie jako ukierunkowane dostarczania leków , metody detoksykacji lub jako sposób kontroli uszkodzeń po urazie. Mogą być również wykorzystywane w aplikacjach środowiskowych do oczyszczania ekosystemów poprzez wykonywanie zadań takich jak oczyszczanie wody lub osadów metali. Ich niewielki rozmiar pozwala im szybko przemieszczać się przez substancje, takie jak woda lub krew, skutecznie znajdując i atakując niechcianą materię. Nanogąbki są często wytwarzane syntetycznie, ale często zawierają naturalne materiały, aby poprawić ich skuteczność po wstrzyknięciu do organizmu. Nanogąbki są lepsze w zastosowaniu niż mikrogąbki, ponieważ mniejszy rozmiar pozwala na mniejsze zakłócenia w systemie, w którym jest wdrażany, co wiąże się z mniejszym ryzykiem nieudanych lub szkodliwych skutków. tej wielkości są mierzone w skali ${\ Displaystyle 10 ^ {- 9}}$ metrów.

Historia

Nanogąbki zostały po raz pierwszy określone jako „ nanogąbki cyklodekstrynowe ” przez DeQuan Li i Min Ma w 1998 r. Termin ten został użyty, ponieważ istnieje usieciowana β -cyklodekstryna z organicznymi diizocyjanianami . W tej strukturze występuje nierozpuszczalna sieć, która wykazuje wysoką stałą inkluzji. Polimery te powstają w wyniku reakcji natywnych cyklodekstryn ze środkiem sieciującym, który wpływa na zachowanie i właściwości całej jednostki.

Nie odkryto, że nanogąbki cyklodekstrynowe mogą być nośnikami leków , aż do prac wykonanych przez Trottę i współpracowników. Przeprowadzili syntezy nowych rodzajów nanogąbek cyklodekstrynowych, które ujawniły wiele potencjalnych zastosowań, których wcześniej nie rozważano.

Mechanizmy

Struktura

Molekularna struktura nanogąbki cyklodekstryny

Cyklodekstryny to klasa cyklicznych oligomerów glukopiranozy o wspólnych strukturach α, β i γ. α-cyklodekstryny zawierają sześć jednostek glukopiranozy, β-cyklodekstryny zawierają siedem, a γ osiem. Cyklodekstryny są biologicznymi nanomateriałami , których struktura molekularna w dużym stopniu wpływa na ich właściwości supramolekularne . Aby zsyntetyzować cyklodekstryny, enzymatyczne zachodzi na zhydrolizowaną skrobię .

Nanogąbki cyklodekstrynowe są wykonane z trójwymiarowej usieciowanej sieci polimerowej . Można je wytwarzać z cyklodekstryn α, β i γ. Zdolność inkluzyjną i zdolność rozpuszczania nanogąbek można dostosować w zależności od ilości użytego środka sieciującego.

Funkcje

Cyklodekstryny mają kształt toroidalny , co pozwala im na posiadanie wnęki wewnątrz, w której mogą zmieścić się inne cząsteczki . Ta użyteczna struktura pozwala im działać jako nośniki leków w organizmie, o ile dostarczane związki mają zgodną geometrię i polaryzację z jamą. Aby określić, kiedy te związki są dostarczane, strukturę nanogąbki cyklodekstryny można zmodyfikować, aby wcześniej czy później uwolnić jej zawartość. Można skoniugować kilka ligandów na powierzchni nanogąbki, aby określić, gdzie będzie ona kierowana w ciele.

Naturalnie inspirowane syntetycznymi nanogąbkami

Liposomy

Po wstrzyknięciu do organizmu syntetyczne nanogąbki zbudowane z liposomów mogą zostać pokryte leukocytami . Te leukocyty można włączać do nanocząstek za pomocą metod znanych jako strategia „komórek duchów” lub „autostopu”. Strategia autostopu polega na tym, że nanocząsteczki są przewożone przez żywe leukocyty. Metoda komórek duchów obejmuje nanocząsteczki pokryte naturalną błoną. Ponieważ są one pokryte leukocytami, nanogąbki będą przyciągać do miejsca infekcji lub ciała obcego. Nanogąbki unikają makrofagów atakują, ponieważ są pokryte naturalnymi materiałami. Naukowcy przetestowali je tylko na zwierzętach laboratoryjnych, ale sugerują, że nanogąbka liposomowa może być łatwiejsza do zatwierdzenia przez FDA do użytku szpitalnego. Naukowcy odkryli obiecujące wyniki w stosowaniu tych nanogąbek do dostarczania leków, łagodzenia stanów zapalnych i naprawy uszkodzonych tkanek.

Powłoki (RBC i RBC-PL)

Częstymi patogenami mogą być toksyny tworzące pory w błonie komórkowej . Te komórki celują w czerwone krwinki . Kiedy w pobliżu nie ma czerwonych krwinek, te toksyny celują w płytki krwi . Istnieją nanoroboty z powłoką podobną do czerwonych krwinek i płytek krwi, co pozwala na przebranie ich za czerwone krwinki i/lub płytki krwi. Te nanoroboty pokryte RBC-PL wykazują skuteczny napęd we krwi bez widocznych zanieczyszczeń biologicznych . Ich ruch naśladuje ruch naturalnych komórek. Ta zdolność do wtapiania się zwiększa ich zdolność do wiązania się z patogenami przylegającymi do płytek krwi. Zwiększona zdolność wiązania pomaga nanorobotom skuteczniej neutralizować toksyny, ponieważ patogen atakujący te typy komórek byłby bardziej skłonny do interakcji z nanorobotami. To z kolei zwiększa liczbę kolizji i interakcji między nanorobotami a patogenami/toksynami. Nanoroboty pomagają wchłaniać i usuwać toksyny i bakterie. Inne funkcje tych nanorobotów to zdolność do neutralizowania cytolitycznej niezależnie od struktury molekularnej , usprawniając transport masowy, a także mogą być w stanie zwalczać choroby autoimmunologiczne . Posiadanie naturalnej powłoki na czymś syntetycznym pozwala nanorobotom czerpać korzyści zarówno z materiałów naturalnych, jak i syntetycznych.

Aplikacja środowiskowa

Zanieczyszczenie olejem w ziemi

Substancje takie jak ropa naftowa i smoła zanieczyszczają glebę i są trudne do oczyszczenia ze względu na przyleganie do brudu i gleby. Te toksyczne materiały przedostające się do gleby mogą powodować szkodliwe skutki zdrowotne dla zwierząt i ludzi, którzy spożywają rośliny uprawiane w tej glebie. Obecne metody usuwania tych zanieczyszczeń z niebezpiecznych składowisk odpadów okazały się kosztowne i nieefektywne. Inżynierowie z Cornell University stworzyli cząsteczkę o długości 20 nanometrów, która może samoistnie składać się w wodzie, dzięki czemu jej orientacja pozwala na hydrofilowa strona zewnętrzna i hydrofobowe wnętrze. Cząstki te są wystarczająco małe, aby szybko przemieszczać się przez piasek i glebę bez uwięzienia. Naukowcy z Cornell wstrzyknęli te nanocząsteczki na dno stalowej kolumny wypełnionej piaskiem zanieczyszczonym fenantrenem i wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA), składnikami zwykle występującymi w smole. Obserwowali, jak nanocząsteczki przemieszczają się w górę kolumny, oczyszczając po drodze piasek. Hydrofobowe rdzenie nanogąbki wyciągały fenantren z ziaren piasku do wnętrza gąbki.

Naukowcy zamierzają pewnego dnia wykorzystać tę technologię do udoskonalenia metody „pompowania i oczyszczania”, w ramach której zanieczyszczona woda gruntowa jest pompowana na powierzchnię, oczyszczana z zanieczyszczeń, a następnie wtłaczana z powrotem do gruntu. Dzięki wdrożeniu tych nanocząstek zanieczyszczenia mogą być skuteczniej zbierane bez ich uwięzienia w glebie. Po oczyszczeniu z toksyn, które zebrały, można je ponownie wstrzyknąć do gleby, aby kontynuować czyszczenie.

Oczyszczanie ścieków

Niektóre nanogąbki są przyjazne dla środowiska i mają wysokie stężenie grup karboksylowych . Służą do usuwania osadów metali ze ścieków w oceanach, gdzie organizmy mogą je wchłaniać, co prowadzi do szkodliwego odkładania się w ich tkankach. Stężenie metali ciężkich rośnie wraz ze wzrostem łańcucha pokarmowego , gdy organizmy zjadają inne organizmy. Będąc na szczycie piramidy żywieniowej, ludzie są najbardziej narażeni na szkodliwy wpływ tych metali w naszej żywności. Efekty te obejmują reakcje alergiczne , bezsenność , problemy ze wzrokiem i mogą być tak skrajne, że powodują upośledzenie umysłowe, demencję i choroby nerek . W przeciwieństwie do wielu zanieczyszczeń organicznych , metale ciężkie można usuwać i niszczyć za pomocą nanomateriałów, takich jak nanogąbki. Te nanomateriały działają jak trwałe materiały filtrujące, wiążąc się z metalami i usuwając je ze ścieków, zanim rozproszą się w ekosystemie. Zastosowanie nanogąbek skutkuje wyższą wydajnością i niższymi kosztami niż alternatywne metody czyszczenia, takie jak żywice jonowymienne, węgiel aktywny lub inne czynniki biologiczne. Materiały porowate wytwarzane z odnawialnych i tanich źródeł, takich jak celuloza , chityna czy skrobia , są jedną z najbardziej obiecujących pod względem skuteczności klas absorbentów.

Cyklodekstryny (CD) i amyloza pochodzą ze skrobi i są dobrze znane ze swoich specyficznych cech strukturalnych i złożonych właściwości. Wewnętrzne wnęki w tych CD służą jako miejsca dla cząsteczek hydrofobowych lub bardzo słabo hydrofilowych , a zatem generują silne powinowactwo do cząsteczek organicznych na granicy faz woda-ciało stałe. Aby właściwie związać metal z tymi płytami CD, dekstryny muszą zostać zmienione chemicznie przez dodanie kwasowej grupy funkcyjnej . Te grupy funkcyjne mogą ulec deprotonowaniu w środowisku wodnym , więc ich reakcja z grupami hydroksylowymi w dekstrynie umożliwia tworzenie ujemnie naładowanych nierozpuszczalnych polimerów. Te polimery są znane jako nanogąbki ze względu na ich porowatość ; są w stanie wiązać się zarówno z cząsteczkami organicznymi, jak i osadami metali. Po oczyszczeniu te nanogąbki można łatwo oddzielić od wody poprzez prostą filtrację, ponieważ są one nierozpuszczalne we wszystkich rozpuszczalnikach.

Schematyczne przedstawienie reakcji syntezy β-PMDA ( a ) i β-CITR ( b ).

Jeden rodzaj badanej nanogąbki jest przygotowywany z β- cyklodekstryn i liniowej pochodnej skrobi grochowej zwanej linecaps. β-cyklodekstryny są stosowane ze względu na niski koszt i średniej wielkości pory, co pozwala na zbieranie szerokiego zakresu cząsteczek gości. Ponadto β-cyklodekstryny są preferowane w stosunku do dekstrynowych , ponieważ mogą one również oddziaływać z metalami przejściowymi . Pierwszorzędowe i drugorzędowe grupy hydroksylowe mogą działać jako miejsca koordynacji z niektórymi jonami metali, a CD mogą koordynować więcej niż jeden jon na raz. Te dwa składniki poddaje się reakcji z kwasem cytrynowym w wodzie w celu wytworzenia nanogąbek przy użyciu monohydratu podfosforanu sodu jako katalizatora reakcji. Te nanogąbki porównano z wydajnością nanogąbek zsyntetyzowanych w ten sam sposób, zastępując kwas cytrynowy PDMA (substancją piromelitową).

dużą liczbę wiązań poprzecznych w celu wytworzenia maksymalnej ilości grup karboksylowych . Pozwoliło to na uzyskanie większej kompleksowania tych nanogąbek z innymi cząsteczkami. Wysoki stopień usieciowania generalnie prowadzi do polimerów o niskiej pęcznieniu, które są bardziej odpowiednie do uzdatniania wody, ponieważ woda nie zajmuje miejsca przeznaczonego na odpady metalowe i można ją łatwiej odfiltrować z wody po oczyszczeniu. Dłuższy czas kontaktu prowadzi do większej skuteczności oczyszczania nanogąbek w ściekach .

Stwierdzono, że przy wysokich stężeniach metali piromelitan był w stanie wchłonąć więcej osadów metali. Przy niskich stężeniach oba działały prawie identycznie. Jednak w obecności przeszkadzającej wody morskiej cytrynianowe były w stanie selektywnie wchłonąć więcej metalu niż nanogąbki PDMA , dzięki czemu były bardziej skuteczne w oczyszczaniu metalu ze słonej wody. Chociaż badania nad tymi z kwasem cytrynowym są nadal poddawane rewizji i rozwojowi, są one obiecujące jako zrównoważony sposób oczyszczania osadów metali z ekosystemu .

Zastosowania medyczne

Dostawa narkotyków

Trwają badania nad zastosowaniem nanogąbek w systemach dostarczania leków do leczenia raka i chorób zakaźnych. Chociaż nanogąbki mają jedną trzytysięczną wielkości czerwonych krwinek , każda z nich może przenosić tysiące cząsteczek leku. Mogą ukrywać się w układzie odpornościowym , gdzie komórki odpornościowe próbują zniszczyć i usunąć obcy materiał z organizmu. Cząsteczek pokrytych błonami krążących krwinek czerwonych nie można wykryć. Dodatkowo cząstki pokryte błonami z krążących krwinek białych lub leukocytów uniknąć ataku makrofagów .

Główne obawy dotyczące niedawno opracowanych jednostek chemicznych obejmują problemy farmakokinetyczne , słabą rozpuszczalność w wodzie i niską biodostępność . Prowadzi to do przeszkód przy stosowaniu konwencjonalnych postaci dawkowania leków. Nanogąbki mogą przezwyciężyć te problemy, ponieważ ich porowata struktura zapewnia im wyjątkową zdolność do wychwytywania zarówno hydrofilowych , jak i hydrofobowych leków i uwalniania ich w wysoce przewidywalny sposób. Te małe gąbki przemieszczają się po całym ciele, aż dotrą do miejsca docelowego, gdzie wiążą się z powierzchnią i przeprowadzają kontrolowane uwalnianie leku. Technologia nanogąbki jest szeroko badana pod kątem jej zastosowania w dostarczanie leków za pomocą technik podawania doustnego, pozajelitowego i miejscowego . Może to obejmować substancje, takie jak środki przeciwnowotworowe , białka i peptydy , olejki eteryczne i materiały genetyczne. Te małe gąbki przemieszczają się po całym ciele, aż dotrą do miejsca docelowego, gdzie wiążą się z powierzchnią i przeprowadzają kontrolowane uwalnianie leku. Potencjalne zastosowania w docelowym dostarczaniu leków obejmują płuca , śledzionę i wątrobę .

Zwalcz oporność na antybiotyki

Nanogąbki pokryte membraną mogą być wykorzystywane do zwalczania oporności na antybiotyki, ponieważ wychwytują i usuwają toksyny z krwi. Toksyny atakujące czerwone krwinki przylegają do nanogąbek, ponieważ gąbki są pokryte żywymi komórkami. Gąbki wchłaniają toksyny, więc nie mogą już uszkadzać komórek, a toksyny są transportowane do wątroby i rozkładane.

Detoksykacja

Przeprowadzono badanie w celu określenia zdolności nanogąbek do wchłaniania toksyn tworzących pory . Toksyny tworzące pory (PFT) są najczęstszymi białkowymi występującymi w przyrodzie. Rozbijają komórki, tworząc pory w błonach komórkowych, które zmieniają przepuszczalność komórek. Przykładami tego są infekcje bakteryjne i jad . Wszystkie te jady wykorzystują tworzenie porów strategii, w której tworzą pory w atakowanych komórkach, aby mogły przeciekać, dopóki nie przestaną działać. Ideą tego badania było to, że poprzez ograniczenie PFT można zmniejszyć nasilenie infekcji bakteryjnych. Badanie przeprowadzono z użyciem nanogąbki ( polimerowy ) owiniętej dwuwarstwową błoną naturalną krwinek czerwonych aby bakterie lub jad go zaatakowały. Polimerowy rdzeń stabilizuje powłokę membrany, a dwuwarstwowa membrana umożliwia nanogąbce wchłanianie szerokiej gamy PFT. Przeprowadzono testy w celu określenia zdolności nanogąbek do neutralizacji PFT. Naukowcy odkryli, że nanogąbka wchłania toksyny uszkadzające błonę i odwraca je od ich celów komórkowych. U myszy nanogąbki znacznie zmniejszyły toksyczność α-hemolizyny gronkowcowej i poprawiły wskaźnik przeżywalności.

Udrapowane na membranie nanocząsteczki działają w taki sposób, że po zaatakowaniu toksyny zostają uwięzione w rusztowaniu nanogąbki. Po tym, jak nanogąbka jest pełna toksyn i nie może już jej uwięzić, przenosi się do wątroby, aby odfiltrować toksyny. Badacze mają do czynienia z tym, jak radzić sobie z różnymi rodzajami bakterii i jadu , wytwarzanie wielu różnych nanogąbek dla każdej określonej bakterii i jadu jest prawie niemożliwe. Na razie koncentrują się na toksynach, takich jak; E. coli , MRSA , zapalenie płuc , jad pszczeli , jad węża i anemonu morskiego. Pojedyncza nanogąbka może wychwycić wiele bakterii i jadów, zamiast być dostosowana do każdego z nich indywidualnie, ponieważ gdy jad fizycznie próbował wywołać całość w błonie czerwonych krwinek, jad utknie wewnątrz gąbki.

Przeszkodą, z jaką borykają się badacze, jest żywotność nanogąbek. Po wstrzyknięciu nanogąbki mogą szybko przemieszczać się w układzie krwionośnym i znajdować się w wątrobie, gdzie można je odfiltrować w ciągu kilku godzin. Oznacza to, że nanogąbka nie ma wystarczająco dużo czasu, aby wchłonąć maksymalną ilość toksyny, jaką może pomieścić. Naukowcy pracują nad techniką wykorzystującą hydrożel do powlekania nanogąbek, aby wydłużyć ich żywotność i pomóc im pozostać nieruchomymi po wstrzyknięciu, aby skuteczniej oczyszczać organizm z toksyn. Badanie przeprowadzone przez Uniwersytet Kalifornijski wykazało, że 80 procent nanogąbek pokryło się hydrożelem utrzymywał się dłużej niż dwa dni po wstrzyknięciu. Tylko 20 procent nanogąbek niepokrytych hydrożelem przetrwało dwie godziny po wstrzyknięciu i rozprzestrzeniło się do innych miejsc w ciele.

Aplikacje bezpieczeństwa

Wykrywanie materiałów wybuchowych

Schemat struktur pasmowych metali, półprzewodników, kropek kwantowych (QD) i pojedynczych. Grafika ilustrująca zmianę pasma wzbronionego QD i długości fali emisji fotoluminescencji lub koloru wraz ze wzrostem wielkości cząstek.

Właściwości nanocząstek można zmieniać za pomocą układów nanocząstka- ligand , które są ukierunkowane na określone anality . Właściwości elektromagnetyczne nanogąbek można zmieniać przez wiązanie analitu, aby można je było wykorzystać jako przetwornik w systemach wykrywania substancji chemicznych, w szczególności w przypadku analitów wybuchowych. Czujniki oparte na tych właściwościach są przeznaczone do wykrywania niskich stężeń analitów wybuchowych zarówno w roztworach, jak iw fazie pary. Systemy te mogą być zbudowane z systemów wykrywania ze standardowych komponentów, ponieważ sygnał zbierany z tych przetworników jest mierzony za pomocą standardowej aparatury naukowej, dzięki czemu jest to bardziej odpowiednia opcja wykrywania materiałów wybuchowych. Półprzewodnikowe tlenki metali są powszechnie uważane za najbardziej obiecującą platformę półprzewodnikowych czujników gazu. Dzięki zwiększonej wrażliwości przewodnictwa na efekty powierzchniowe zsyntetyzowano różne formy tlenków metali, które zostały nanostrukturyzowane, i zbadano ich właściwości sensoryczne.

powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR) nanocząstek złota koloidalnego (AuNP) to jedna z badanych właściwości elektromagnetycznych. W AuNP swobodne elektrony na powierzchni metalu będą oddziaływać ze światłem, co powoduje duże oscylacje w powierzchniowym polu elektromagnetycznym. Powoduje to, że cząstki silnie absorbują światło przy określonych częstotliwościach rezonansowych tych elektronów, promując pasma SPR. Aby zastosować tę koncepcję w systemach czujników, należy je wykorzystać w spektroskopii ramanowskiej wzmacniającej powierzchnię (SERY). Widmo Ramana można wykorzystać do odcisku palca cząsteczki, wykorzystując padające światło do wzbudzenia aktywnych modów wibracyjnych Ramana, nieodwracalnego rozpraszania fotonów . Tworzy to unikalne widmo, które może dostarczyć informacji o kształcie cząsteczki. Widmo otrzymane z nieznanego analitu można porównać z biblioteką znanych widm w celu zidentyfikowania ewentualnych zagrożeń.

Rozpraszanie Ramana jest bardzo słabe, co utrudnia wykrywanie. Jeśli cząsteczka jest związana z powierzchnią metalu, padające światło wzbudza plazmony powierzchniowe , indukując polaryzację w związanych cząsteczkach, zwiększając ilość nieodwracalnie rozproszonego światła z modów wibracyjnych Ramana, co prowadzi do wzmocnienia sygnału. Najlepsze wzmocnienie SERS uzyskuje się dzięki silnym zlokalizowanym plazmonom , które mieszczą się w zakresie długości fali wzbudzenia lasera ramanowskiego, dlatego złoto i srebro są często używane. Dzięki pasmom SPR o długości od 400 do 800 nanometrów, pasma SPR w cząsteczkach złota i srebra są łatwo dostępne w świetle widzialnym. Ponadto są stabilne w powietrzu, ponieważ są chemicznie obojętne.

Fluorescencja koloidalnych półprzewodników to kolejna właściwość analizowana przy tworzeniu systemów czujników . Kropki kwantowe to półprzewodnikowe nanocząstki , które są wystarczająco małe, aby ograniczyć wygenerowaną parę dziura-elektron we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych, co prowadzi do kwantyzacji poziomów energii, powodując, że struktura elektronowa materiału znajduje się pomiędzy klasycznym półprzewodnikiem a klasycznym materiałem molekularnym. Ta kwantyzacja powoduje, że nanocząstki wykazują ostre absorpcji i emisji fotonów , a pasmo wzbronione jest ściśle związane z rozmiarem nanocząstki. Fluorescencja powstaje w wyniku fotowzbudzenia w tych kropkach kwantowych i jest łatwo dostrajana do widzialnego lub bliskiej podczerwieni obszaru widma, poprzez wybór materiału półprzewodnikowego i rozmiaru cząstek, tworząc fluorofory użyteczne kwantowo . Kropki kwantowe mają wiele interesujących właściwości, które można wykorzystać jako czujniki chemiczne, w tym ich wysoką wydajność kwantową fluorescencji, odporność na fotowybielanie i szeroka absorpcja pozwalająca na wąskie pasma emisji. Dobrze nadają się do wielokanałowych systemów fluoroforowych, z pojedynczą długością fali wzbudzenia, powodującą emisję wielu gatunków o wielu różnych kolorach. Powierzchnię tych cząstek można zmienić za pomocą ukierunkowanych ligandów , aby umożliwić specyficzne wzmocnienie fluorescencji. Te właściwości optyczne kropek kwantowych są wykorzystywane do budowy wybuchowej matrycy wykrywającej kropki. Łącząc wielokanałowe systemy fluoroforowe ze zmienną reakcją na różne materiały wybuchowe, możliwa jest identyfikacja różnych materiałów wybuchowych w niskich stężeniach. Technologia ta może być stosowana w ściekach zanieczyszczenia gruntu , a także w obszarach odpadów niebezpiecznych w celu identyfikacji obszarów zagrożenia lub zanieczyszczonych substancji, które mogą powodować zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt.

Aktualne podstawowe badania medyczne

Obecne badania prowadzone są głównie pod kątem zastosowań medycznych nanogąbek w leczeniu infekcji bakteryjnych ( posocznica , zapalenie płuc oraz infekcje skóry i tkanek miękkich), infekcji wirusowych ( zika , HIV i grypa ), chorób autoimmunologicznych ( reumatoidalne zapalenie stawów , autoimmunologiczna niedokrwistość hemolityczna) , immunologiczna plamica małopłytkowa ) i jady (węże i inne zwierzęta). Wiele badań jest dopiero w początkowej fazie, ponieważ wdrożenie tych rozwiązań do organizmu człowieka stwarza wiele zagrożeń, dla których te zastosowania nanogąbek nie są jeszcze wystarczająco rozwinięte.

Redukcja urazów mózgu

Nanogąbki zostały przetestowane eksperymentalnie na myszach i wykazano, że zmniejszają obrzęki spowodowane urazami mózgu lub głowy. Kiedy dojdzie do urazu, tkanka w obszarze urazu puchnie, a komórki odpornościowe będą ścigać się w obszarze uszkodzenia. Kiedy ten uraz dotyczy głowy, ten wyścig komórek odpornościowych doprowadzi do obrzęku mózgu i może być niebezpieczny, ponieważ mózg jest zawarty w komórce i dlatego nie ma miejsca na jego ruch, co prowadzi do ciśnienia w głowie, które może być szkodliwe. Badania sugerują, że nanocząsteczki można wstrzykiwać do głowy, aby odwrócić uwagę komórek odpornościowych od pośpiechu do mózgu, co zmniejszy obrzęk.

Po urazie głowy myszy pozostawiono na dwie do trzech godzin, a następnie wstrzyknięto im biodegradowalne nanocząsteczki wykonane z nieokreślonego, ale zatwierdzonego przez FDA polimeru , który jest powszechnie stosowany w niektórych rozpuszczalnych szwach. Zamiast biec do głowy, niektóre komórki odpornościowe zwane monocytami biegły w kierunku tych nanogąbek zamiast do mózgu. Monocyty _ pochłonęła nanocząsteczki, a komórki i nanocząsteczki są następnie wysyłane do śledziony w celu eliminacji w organizmie. Ponieważ eliminacja tych cząstek może nastąpić tak szybko, naukowcy byli w stanie ponownie wstrzyknąć myszom dwa do trzech dni później, aby zwalczyć stan zapalny które mogą powoli wracać po urazie. Myszy poddane temu leczeniu lepiej radziły sobie z rekonwalescencją niż te, które nie otrzymały tego zastrzyku, a zranione miejsce zmniejszyło się o połowę u myszy poddanych leczeniu nanocząstkami. Komórki wzrokowe myszy działały lepiej w odpowiedzi na światło i były w stanie lepiej przechodzić po drabinie po wyzdrowieniu, wykazując poprawę zachowania i funkcji motorycznych.

Inne potencjalne terapie leczenia urazów opierają się na lekach lub innym ładunku wysyłanym wraz z nanocząstkami, jednak to badanie przeprowadzono przy użyciu samych nanocząstek, co czyni je tańszymi i bezpieczniejszymi w próbach, ponieważ mniej materiału jest wstrzykiwane do organizmu .

Naukowcy nie przetestowali tego badania na obrażeniach u ludzi. Czynniki takie jak ciężkość urazu i ogólny czas regeneracji będą determinować skutki wysyłania tych nanocząsteczek do organizmu. Sposób, w jaki cierpi mózg, obejmuje więcej reakcji cielesnych niż po prostu ta odpowiedź immunologiczna, a jeśli nagromadzenie nanocząsteczek nie zostanie usunięte z organizmu wystarczająco szybko, mogą one rozprzestrzenić się na inne części ciała i spowodować toksyczne uszkodzenia .

Biomimetyczne nanocząsteczki makrofagów do leczenia sepsy

Obecnie brakuje metod leczenia sepsy . Większość metod leczenia ma jedynie charakter wspomagający i nie jest skuteczna w walce z infekcją. Badania wykorzystujące nanocząsteczki, które są biomimetyczne dla makrofagów. makrofagów objętości nanocząstki. Ten zwiększony stosunek jest ważny dla skutecznej endotoksyn . Te makrofagi działają jak wabiki, które mogą wiązać się z endotoksynami i je neutralizować. Bez zneutralizowania tych endotoksyn uruchomiona zostałaby odpowiedź immunologiczna. Te nanocząsteczki są w stanie sekwestrować cytokiny prozapalne które hamują zdolność do zapoczątkowania odpowiedzi septycznej. Zostały one przetestowane na mysim Escherichia coli , gdzie nanocząsteczki były w stanie znacznie zwiększyć przeżywalność myszy poprzez zmniejszenie poziomu cytokin prozapalnych i zapobieganie rozprzestrzenianiu się bakterii. Nie można tego jeszcze powtórzyć w medycynie, ale wydaje się to obiecujące w zakresie możliwości leczenia sepsy.

Leczenie udarów niedokrwiennych

Mn ₃ O ₄ @ nanoerytrocytów -T7 (MNET) mogą regulować poziom tlenu i usuwać wolne rodniki w przypadku udaru niedokrwiennego , który jest główną przyczyną śmierci i niepełnosprawności na świecie. Te opracowane nanogąbki mogą pomóc złagodzić niedotlenienie po udarze, naśladując czerwone krwinki i zwiększając ilość tlenu w obszarze zawału . Pozwala to na wydłużenie czasu przeżycia neurocytów , kluczowy element leczenia udaru niedokrwiennego, ponieważ muszą zostać utrzymane ich normalne funkcje.

MNET działa, ponieważ zawiera hemoglobinę , która pozwala na efekt gąbki tlenowej . Efekt ten działa poprzez uwalnianie tlenu w niedotlenionych i wchłanianie go w obszarach bogatych w tlen. Efekt gąbki, wraz z wychwytywaniem wolnych rodników, może skutecznie i skutecznie leczyć udary niedokrwienne.

biomimetyczne , takie jak nanogąbki MNET, z łatwością przechodzą przez barierę krew-mózg (BBB). Skuteczność krzyżowania BBB MNET poprawia peptyd T7 , który ma kluczowe znaczenie w leczeniu udaru niedokrwiennego. W badaniu na tętnicy środkowej mózgu (MCAO), te leczone MNET doświadczyły znacznego złagodzenia uszkodzeń neurologicznych.

Ograniczenia badań

Chociaż badania posuwają się naprzód, naukowcy odkryli pewne ograniczenia. Zastosowanie zarówno naturalnych składników zewnętrznych, jak i syntetycznych składników wewnętrznych zwiększa złożoność rozwoju nanogąbek. Niska rozpuszczalność i niestabilność w wodzie są głównymi przyczynami złożoności strukturalnej. Dodatkowo ich niewielkie rozmiary i unikalne właściwości w nanoskali utrudniają ich pełne wydobycie z organizmu lub ekosystemu , co może powodować wzrost ilości niepożądanych materiałów syntetycznych w środowisku lub w organizmie. Z tego powodu trudno jest również prowadzić badania na ludziach. Jak każde badanie medyczne, z wdrażaniem nowych metod leczenia wiąże się duży zakres ryzyka, ponieważ wyniki mogą potencjalnie być śmiertelne. Jeśli nanocząsteczek nie można wydobyć z organizmu, toksyczna zawartość może spowodować wewnętrzne uszkodzenie pacjenta. Odrzucenie tych nanocząstek przez organizm może również spowodować niepożądaną odpowiedź immunologiczną , która może bardziej zaszkodzić ciału niż mu pomóc. Na przykład dr Zhang z Uniwersytet Kalifornijski w San Diego sugeruje, że w przypadku reumatoidalnego zapalenia stawów może to wywołać odpowiedź immunologiczną , a zatem nie zwalczać choroby, ale ją napędzać. Jeśli neutrofili są używane do powlekania nanocząstek, zawierają one autoantygeny, które wywołują odpowiedź immunologiczną.