Nanorurki węglowe w medycynie
Nanorurki węglowe (CNT) są bardzo rozpowszechnione w dzisiejszym świecie badań medycznych i są intensywnie badane w dziedzinie skutecznego dostarczania leków i metod bioczujnikowych do leczenia chorób i monitorowania zdrowia. Wykazano, że technologia nanorurek węglowych może zmienić na lepsze metody dostarczania leków i bioczujników, dlatego nanorurki węglowe wzbudziły ostatnio zainteresowanie w dziedzinie medycyny.
Zastosowanie CNT w dostarczaniu leków i technologii bioczujnikowej może zrewolucjonizować medycynę. Udowodniono, że funkcjonalizacja jednościennych nanorurek (SWNT) zwiększa rozpuszczalność i umożliwia skuteczne celowanie w nowotwory/dostarczanie leków. Zapobiega cytotoksyczności SWNT i zmianie funkcji komórek odpornościowych.
Rak , grupa chorób, w których komórki rosną i dzielą się nieprawidłowo, jest jedną z podstawowych chorób, które bada się pod kątem odpowiedzi na dostarczanie leku CNT. Obecna terapia raka obejmuje głównie chirurgię , radioterapię i chemioterapię . Te metody leczenia są zwykle bolesne i zabijają prawidłowe komórki, a ponadto powodują niepożądane skutki uboczne. CNT jako nośniki dostarczania leków wykazały potencjał w celowaniu w określone komórki nowotworowe przy dawce niższej niż stosowane konwencjonalne leki, która jest równie skuteczna w zabijaniu komórek, jednak nie uszkadza zdrowych komórek i znacznie zmniejsza skutki uboczne. Obecne metody monitorowania stężenia glukozy we krwi przez pacjentów z cukrzycą są zwykle inwazyjne i często bolesne. Na przykład jedna metoda obejmuje ciągły czujnik glukozy zintegrowany z małą igłą, którą należy wprowadzić pod skórę, aby monitorować poziom glukozy co kilka dni. Inna metoda obejmuje paski do monitorowania glukozy, na które należy nałożyć krew. Metody te są nie tylko inwazyjne, ale mogą również dawać niedokładne wyniki. Wykazano, że 70 procent odczytów glukozy uzyskanych przez ciągłe czujniki glukozy różniło się o 10 procent lub więcej, a 7 procent różniło się o ponad 50 procent. Duża dostępna elektrochemicznie powierzchnia, wysoka przewodność elektryczna i użyteczne właściwości strukturalne wykazały potencjalne zastosowanie nanorurek jednościennych (SWNT) i wielościennych nanorurek (MWNT) w bardzo czułych nieinwazyjnych detektorach glukozy.
Właściwości CNT
CNT mają kilka unikalnych właściwości chemicznych, rozmiarowych, optycznych, elektrycznych i strukturalnych, które czynią je atrakcyjnymi jako platformy do dostarczania leków i bioczujników do leczenia różnych chorób oraz nieinwazyjnego monitorowania poziomów we krwi i innych właściwości chemicznych organizmu ludzkiego.
Elektryczne i konstrukcyjne
Nanorurki węglowe mogą być metaliczne lub półprzewodnikowe, w zależności od ich struktury. Wynika to z symetrii i unikalnej struktury elektronowej grafenu. Dla danej (n, m) nanorurki, jeśli n = m, nanorurka jest metaliczna; jeśli n - m jest wielokrotnością 3, to nanorurka jest półprzewodnikiem z bardzo małym pasmem wzbronionym, w przeciwnym razie nanorurka jest półprzewodnikiem umiarkowanym. Zatem wszystkie nanorurki fotelowe (n=m) są metalowe, a nanorurki (5,0), (6,4), (9,1) itd. są półprzewodnikowe. Tak więc niektóre nanorurki mają przewodnictwo wyższe niż miedź, podczas gdy inne zachowują się bardziej jak krzem.
Wymiarowy
Ze względu na ich nanoskalowe rozmiary transport elektronów w nanorurkach węglowych będzie odbywał się poprzez efekty kwantowe i będzie propagował się tylko wzdłuż osi rury. Te właściwości elektryczne i strukturalne najlepiej służą CNT, jeśli chodzi o bioczujniki, ponieważ obecne zmiany w CNT mogą oznaczać określone jednostki biologiczne, które mają wykrywać. Fakt, że CNT są małe (skala nm), pozwala im dostarczać mniejsze dawki leków do określonych komórek chorobowych w organizmie, zmniejszając w ten sposób skutki uboczne i szkody dla zdrowych komórek w przeciwieństwie do konwencjonalnych leków, jednocześnie poprawiając skuteczność celowania w komórki chore.
Chemiczny
Zaobserwowano, że CNT mają zwiększoną rozpuszczalność, gdy są funkcjonalizowane lipidami, co ułatwiłoby ich przemieszczanie się w organizmie człowieka, a także zmniejszyłoby ryzyko zablokowania ważnych szlaków narządów ciała. Jeśli chodzi o właściwości optyczne, wykazano, że CNT wykazują silną absorbancję optyczną w pewnych oknach widmowych, takich jak światło NIR (bliska podczerwień), a po sfunkcjonalizowaniu specyficznymi jednostkami wiążącymi komórki nowotworowe umożliwiły selektywne niszczenie komórek chorobowych (np. raka) z NIR w zastosowaniach związanych z dostarczaniem leków. Mają dobre właściwości chemiczne.
CNT w dostarczaniu leków i terapii przeciwnowotworowej
Dostarczanie leków to szybko rozwijający się obszar, w którym obecnie wykorzystuje się technologię nanorurek. Systemy stosowane obecnie do dostarczania leków obejmują dendrymery, polimery i liposomy, ale nanorurki węglowe stwarzają możliwość pracy ze skutecznymi strukturami, które mają duże możliwości ładowania leków i dobre właściwości penetracji komórek. Te nanorurki działają z większą objętością wewnętrzną do wykorzystania jako pojemnik na lek, dużymi współczynnikami kształtu dla licznych przywiązań funkcjonalizacyjnych i zdolnością do łatwego wchłaniania przez komórkę. Ze względu na swoją strukturę tuby, nanorurki węglowe mogą być wykonane z zaślepkami lub bez, co oznacza, że bez zaślepek wnętrze, w którym znajduje się lek, byłoby bardziej dostępne. Obecnie w przypadku systemów dostarczania leków z nanorurek węglowych pojawiają się problemy, takie jak brak rozpuszczalności, występowanie zbryleń i okres półtrwania. Jednak wszystkie te kwestie są obecnie rozwiązywane i zmieniane w celu dalszego postępu w dziedzinie nanorurek węglowych. Zalety nanorurek węglowych jako nanowektorów do dostarczania leków pozostają nadal tam, gdzie wykazano skuteczne pobieranie tych struktur przez komórki, gdzie efekty były wyraźne, pokazując, że poszczególne nanorurki mogą być mniej szkodliwe jako nanonośniki dla leków. Wykazano również, że kapsułkowanie leku zwiększa dyspergowalność w wodzie, lepszą biodostępność i zmniejsza toksyczność. Kapsułkowanie cząsteczek zapewnia również zastosowanie do przechowywania materiałów, a także ochrony i kontrolowanego uwalniania załadowanych cząsteczek. Wszystko to daje dobre podstawy do dostarczania leków, gdzie dalsze badania i zrozumienie mogą poprawić wiele innych postępów, takich jak zwiększona rozpuszczalność w wodzie, zmniejszona toksyczność, przedłużony okres półtrwania, zwiększona penetracja i wychwyt komórkowy, z których wszystkie są obecnie nowatorskimi, ale nierozwiniętymi pomysłami .
Terapia wychwytu neutronów borowych
Narayan Hosmane i jego współpracownicy opracowali ostatnio nowe podejście do terapii wychwytu neutronów borowych w leczeniu raka przy użyciu podstawionych rozpuszczalnych w wodzie jednościennych nanorurek węglowych z dodatkiem karboranu. Podstawione klatki karboranowe C2B10 zostały pomyślnie przymocowane do ścianek bocznych nanorurek węglowych o pojedynczej ściance (SWCNT) poprzez cykloaddycję nitrenu. Dekapitacje tych klatek karboranowych C2B10, z dołączonymi nienaruszonymi SWCNT, przeprowadzono w reakcji z wodorotlenkiem sodu we wrzącym etanolu. Podczas refluksu zasadowego trójczłonowy pierścień utworzony przez nitren i SWCNT został otwarty w celu wytworzenia rozpuszczalnych w wodzie SWCNT, w których ściany boczne były funkcjonalizowane zarówno podstawionymi jednostkami karboranu nido-C2B9, jak i ugrupowaniami etanolanu. Wszystkie nowe związki scharakteryzowano za pomocą widm EA, SEM, TEM, UV, NMR i IR oraz analiz chemicznych. Wybrane badania dystrybucji tkanek na jednej z tych nanorurek, {([Na+][1-Me-2-((CH2)4NH-)-1,2-C2B9H10][OEt])n(SWCNT)} (Va), wykazały że atomy boru są bardziej skoncentrowane w komórkach nowotworowych niż we krwi i innych narządach, co czyni go atrakcyjnym nanonośnikiem do dostarczania boru do komórek nowotworowych w celu skutecznej terapii wychwytu neutronów boru w leczeniu raka.
Selektywne niszczenie komórek rakowych
Nanorurki węglowe mogą być wykorzystywane jako wielofunkcyjne transportery biologiczne i środki bliskiej podczerwieni do selektywnego niszczenia komórek nowotworowych. Wiadomo, że systemy biologiczne są wysoce przezroczyste dla światła bliskiej podczerwieni (NIR) o długości fali od 700 do 1100 nm. Naukowcy wykazali, że silna absorpcja optyczna jednościennych nanorurek węglowych (SWNT) w tym specjalnym oknie widmowym, nieodłączna właściwość SWNT, może być wykorzystana do optycznej stymulacji nanorurek wewnątrz żywych komórek w celu uzyskania wielofunkcyjnych transporterów biologicznych nanorurek. Użyli oligonukleotydów transportowanych wewnątrz żywych komórek Hela przez nanorurki. Oligonukleotydy przemieszczały się do jądra komórkowego po pęknięciu endosomu wywołanym impulsami lasera NIR. Ciągłe promieniowanie NIR powodowało śmierć komórek z powodu nadmiernego lokalnego ogrzewania SWNT in vitro. Selektywne niszczenie komórek nowotworowych osiągnięto poprzez funkcjonalizację SWNT ugrupowaniem kwasu foliowego, selektywną internalizację SWNT wewnątrz komórek znakowanych markerami nowotworowymi receptora kwasu foliowego oraz śmierć komórek wyzwalaną przez NIR, bez uszkadzania normalnych komórek wolnych od receptorów. Zatem możliwości transportowe nanorurek węglowych w połączeniu z odpowiednią chemią funkcjonalizacyjną i ich nieodłącznymi właściwościami optycznymi mogą prowadzić do nowych klas nowatorskich nanomateriałów do dostarczania leków i terapii raka.
Celowanie w nowotwór
Przeprowadzono badania nad biodystrybucją in vivo i wysoce skutecznym celowaniem nanorurek węglowych w nowotwory u myszy w celu leczenia raka. Prowadzone są badania nad biodystrybucją znakowanych radioaktywnie SWNT u myszy za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej in vivo (PET), biodystrybucji ex vivo i spektroskopii ramanowskiej. Stwierdzono, że SWNT, które są funkcjonalizowane fosfolipidami zawierającymi glikol polietylenowy (PEG), są zaskakująco stabilne in vivo . Zbadano wpływ długości łańcucha PEG na biodystrybucję i krążenie SWNT. Skutecznie PEGylowane SWNT wykazywały stosunkowo długi czas krążenia krwi i niski wychwyt przez układ siateczkowo-śródbłonkowy (RES). Skuteczne celowanie w nowotwór integryno-dodatni u myszy osiągnięto za pomocą SWNT pokrytych łańcuchami PEG połączonymi z peptydem arginina-glicyna-kwas asparaginowy (RGD). Wysoką akumulację guza przypisywano multiwalentnemu działaniu SWNT. Sygnatury ramanowskie SWNT wykorzystano do bezpośredniego zbadania obecności nanorurek w tkankach myszy i potwierdzenia wyników opartych na znakowaniu radiowym.
CNT jako bioczujniki
Czujniki stresu biologicznego sieci CNT
Pojedyncza nanorurka doświadcza zmiany oporu elektrycznego pod wpływem naprężenia lub odkształcenia. Ten efekt piezorezystancyjny zmienia przepływ prądu przez nanorurkę, co można zmierzyć w celu dokładnego określenia ilościowego przyłożonego naprężenia. Półlosowe rozmieszczenie wielu zachodzących na siebie nanorurek tworzy przewodzącą elektrycznie sieć składającą się z wielu nanorurek piezorezystywnych. Jeśli wariancja długości i kątów rur jest znana i kontrolowana podczas produkcji, można zastosować podejście systemu własnego do określenia oczekiwanego przepływu prądu między dowolnymi dwoma punktami w sieci. Sieć rur jest osadzona w płytkach ortopedycznych, zaciskach i śrubach oraz w przeszczepach kostnych w celu określenia stanu gojenia kości poprzez pomiar wpływu obciążenia na płytkę, zacisk, śrubę lub inne urządzenie mocujące przymocowane do kości. Zagojona kość przeniesie większość obciążenia, podczas gdy jeszcze nie zagojona kość przeniesie obciążenie na urządzenie mocujące, w którym sieć nanorurek może mierzyć zmianę rezystywności. Pomiar odbywa się bezprzewodowo za pomocą indukcji elektrycznej. Pozwala to lekarzowi dokładnie ocenić gojenie się pacjenta, a także pozwala pacjentowi wiedzieć, ile stresu może bezpiecznie tolerować dotknięty obszar. Prawo Wolffa wskazuje, że kość reaguje pozytywnie na bezpieczne dawki stresu, które mogą być niezbędne do prawidłowego gojenia.
Biosensory wykrywające glukozę
Wyprodukowano biosensory amperometryczne na bazie nanorurek węglowych i polimerów plazmowych do ultraczułego wykrywania glukozy. Wyprodukowano dwa bioczujniki amperometryczne enzymów. Jeden zawierał nanorurki jednościenne, a drugi nanorurki wielościenne, jednak w obu zastosowano cienkie warstwy polimeryzowane plazmowo (PPF). Mieszaninę enzymu oksydazy glukozowej (GOD) i filmu CNT umieszczono warstwowo z acetonitrylem PPF o grubości 10 nm. Warstwa PPF została osadzona na napylanej złotą elektrodą. W celu ułatwienia komunikacji elektrochemicznej między warstwą CNT a GOD, CNT potraktowano plazmą tlenową. Urządzenie z jednościennymi CNT wykazywało wyższą czułość niż wielościenne CNT. Bioczujnik glukozy wykazał ultraczułość (czułość 40 μA mM-1 cm-2, współczynnik korelacji 0,992, liniowy zakres odpowiedzi 0,025 –1,9 mM, granica wykrywalności 6,2 μM przy S/N = 3, +0,8 V vs Ag/AgCl) i szybką odpowiedź (<4 sekundy przy osiągnięciu 95% maksymalnej odpowiedzi). Ta wysoka wydajność jest przypisywana faktowi, że CNT mają doskonałą aktywność elektrokatalityczną i poprawiają przenoszenie elektronów, a PPF i/lub proces plazmowy dla CNT są platformą przyjazną dla enzymów, tj. odpowiednią konstrukcją interfejsu między GOD a CNT.
Biosensory wykrywające DNA
Opracowano ultraczuły biosensor z nanorurkami węglowymi do wykrywania DNA. Projekt i wykonanie bioczujnika oparto na dopasowanych jednościennych nanorurkach węglowych (SWCNT) ze zintegrowanym jednoniciowym DNA (ssDNA). Stworzony ultraczuły bioczujnik zapewnia elektroniczne wykrywanie hybrydyzacji DNA w czasie rzeczywistym między unieruchomionym na powierzchni ssDNA a docelowym ssDNA bez etykiet. Kinetyka hybrydyzacji między komplementarnymi i docelowymi parami zasad nukleotydów ssDNA spowodowała lokalne wygenerowanie ładunku między parami zasad, które wstrzyknięto do SWCNT, powodując wykrywalną zmianę przewodnictwa elektrycznego SWCNT. Ta zmiana przewodnictwa została wzmocniona elektrycznie poprzez integrację funkcjonalizowanych SWCNT jako kanału półprzewodnikowego w tranzystorze polowym (FET) opartym na krzemowo-tlenku krzemu. Na podstawie wcześniejszych obliczeń kinetyki DNA Langmuira przewidywany poziom czułości czujnika SWCNT-DNA był znacznie wyższy niż w przypadku tradycyjnych testów fluorescencyjnych i hybrydyzacyjnych.
Bioczujniki elektrodowe modyfikowane CNT
Opracowano mikrobiologiczny czujnik biologiczny oparty na elektrodach modyfikowanych nanorurkami węglowymi (CNT). Jako składnik biologiczny zastosowano komórki Pseudomonas putida DSM 50026, a pomiar oparto na aktywności oddechowej komórek oszacowanej na podstawie pomiarów elektrochemicznych. Komórki unieruchomiono na elektrodach z pasty węglowej modyfikowanej nanorurkami węglowymi (CNT) (CPE) za pomocą polimeru redoks osmu. Polimer osmu skutecznie przenosił elektrony między enzymami redoks znajdującymi się w ścianie komórkowej komórek i sprzyjał stabilnemu wiązaniu z powierzchnią elektrody. Zbadano wpływ różnych ilości CNT i polimeru osmu na odpowiedź na glukozę, aby znaleźć optymalny skład czujnika. Zbadano również wpływ pH i temperatury. Po badaniach optymalizacyjnych układ scharakteryzowano wykorzystując glukozę jako substrat. Ponadto biosensor mikrobiologiczny został również przygotowany przy użyciu bakterii przystosowanych do fenolu, a następnie skalibrowany na fenol. Następnie zastosowano go do wykrywania fenolu w próbce sztucznych ścieków. Badanie wykazało, że pełnokomórkowe biosensory P. putida wykorzystujące polimery Os-redoks mogą być dobrą alternatywą do analizy różnych substratów, takich jak glukoza, a także ksenobiotyki przy braku tlenu z wysoką czułością ze względu na szybką wydajność zbierania elektronów między Os -polimer redoks i komórki bakteryjne. Zastosowanie optymalnych ilości CNT i mediatora redoks Os zapewniło lepszą czułość czujnika poprzez promowanie przenoszenia elektronów w strukturze bioczujnika. Głównymi wadami były duże pole powierzchni CNT, które zwiększało prąd tła oraz problem dyfuzji elektronów, który występował w wyniku nakładania się warstw dyfuzyjnych utworzonych na blisko rozmieszczonych CNT w filmie. Problemy te można jednak przezwyciężyć przez optymalizację ilości CNT i polimeru.
Kwestie toksyczności
Cytotoksyczność funkcjonalizowanych CNT
Badania pokazują, że funkcjonalizowane nanorurki węglowe nie są cytotoksyczne i zachowują funkcjonalność pierwotnych komórek odpornościowych. Przygotowano dwa rodzaje f-CNT, odpowiednio po 1,3-dipolarnej cykloaddycji (f-CNT 1 i 2) oraz obróbce utleniania/amidowania (f-CNT 3 i 4). Oba typy f-CNT były wychwytywane przez limfocyty B i T oraz makrofagi in vitro, bez wpływu na żywotność komórek. Następnie dokładnie przeanalizowano funkcjonalność różnych komórek. Stwierdzono, że f-CNT 1, który jest wysoce rozpuszczalny w wodzie, nie wpływa na czynność funkcjonalną komórek immunoregulacyjnych. f-CNT 3, który zamiast tego ma zmniejszoną rozpuszczalność i tworzy głównie stabilne zawiesiny wodne, zachowuje funkcjonalność limfocytów, jednocześnie prowokując wydzielanie cytokin prozapalnych przez makrofagi. Jedną ważną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę z tego badania, jest fakt, że niektóre typy CNT funkcjonalizowane lipidami są dobrze rozpuszczalne w wodzie, co ułatwiłoby ich przemieszczanie się w ludzkim ciele, a także zmniejszyłoby ryzyko zablokowania ważnych dla życia ścieżek narządów ciała, czyniąc je tym samym bardziej atrakcyjne jako pojazdy do dostarczania leków.
Cytotoksyczność in vitro
Badano toksyczność in vitro jedno- i wielościennych nanorurek węglowych w komórkach ludzkiego gwiaździaka i raka płuca. Badania podjęto w celu scharakteryzowania właściwości fizykochemicznych nanorurek jednościennych (SWNT), nanorurek wielościennych (MWNT) i sfunkcjonalizowanych MW (MW-COOH i MW-NH2) oraz oceny ich cytotoksyczności w komórkach ludzkiego gwiaździaka D384 i komórki raka płuca A549, przy użyciu testu MTT i barwienia jodkiem kalceiny/propidyny (PI). Zarówno otrzymane, jak i zmodyfikowane nanorurki scharakteryzowano za pomocą analizy termicznej (TGA), spektroskopii w podczerwieni i mikroskopii sił atomowych, głównie w celu sprawdzenia stopnia funkcjonalizacji. Komórki poddano działaniu nanomateriałów (0,1–100 μg/ml) przez 24, 48 i 72 godziny w pożywce zawierającej 10% FCS. W komórkach D384 wyniki MTT ujawniły silną cytotoksyczność (50%) SWNT po 24‑godzinnej ekspozycji już przy stężeniu 0,1 μg/ml, bez dalszych zmian przy wyższych stężeniach lub dłuższych czasach inkubacji. We wszystkich punktach czasowych metabolizm MTT był zmniejszony o 50% przez wszystkie inne związki przy 10 μg/ml i bez zaostrzenia przy wyższej dawce. Podobne wyniki uzyskano z komórkami A549. Eksperymenty z użyciem barwienia kalceiną/PI nie potwierdziły danych dotyczących cytotoksyczności MTT ani w komórkach D384 ani w komórkach A549. Na żywotność tych komórek nie miała wpływu żadna nanorurka w żadnym stężeniu ani czasie ekspozycji, z wyjątkiem kontroli pozytywnej SiO2. Wyniki sugerują potrzebę dokładnego zbadania efektów toksycznych nanorurek węglowych za pomocą wielu testów w celu obejścia możliwego problemu zniekształconych wyników z powodu interferencji nanomateriałów z zastosowanymi markerami barwnikowymi.
Cytotoksyczność SWNT i MWCNT
Wielościenne nanorurki węglowe badano u kilku gatunków pod kątem ich potencjału promowania mutagenezy. Badania na szpinaku, myszach, różnych ludzkich liniach komórkowych i szczurach wykazały, że ekspozycja na MWCNT jest związana z uszkodzeniami oksydacyjnymi , zwiększoną apoptozą , uszkodzeniem chromosomów i martwicą . Badanie na myszach wykazało, że ekspozycja na MWCNT miała szczególny wpływ na biomarkery raka płuc ; te biomarkery są badane jako metoda monitorowania narażenia zawodowego na nanorurki węglowe.
Cytotoksyczność zbadano na zdrowych komórkach makrofagów pęcherzykowych uzyskanych od dorosłych świnek morskich dla nanorurek jednościennych (SWNT), nanorurek wielościennych (o średnicach w zakresie od 10 do 20 nm, MWNT10) i fulerenu (C60) w celach porównawczych. Głęboką cytotoksyczność SWNT zaobserwowano w makrofagach pęcherzykowych (AM) po 6-godzinnej ekspozycji in vitro. Cytotoksyczność wzrosła nawet o ~35%, gdy dawka SWNT została zwiększona o 11,30 μg/cm2. Nie zaobserwowano znaczącej toksyczności dla C60 do dawki 226,00 μg/cm2. Cytotoksyczność najwyraźniej była zgodna z kolejnością sekwencji na podstawie masy: SWNT > MWNT10 > kwarc > C60. SWNT znacząco upośledzały fagocytozę AM przy niskiej dawce 0,38 μg/cm2, podczas gdy MWNT10 i C60 indukowały uszkodzenie tylko przy wysokiej dawce 3,06 μg/cm2. Makrofagi eksponowane na SWNT lub MWNT10 o stężeniu 3,06 μg/cm2 wykazywały charakterystyczne cechy martwicy i degeneracji. Prawdopodobnie istniała oznaka apoptotycznej śmierci komórki. Na podstawie badań wywnioskowano, że nanomateriały węglowe o różnych strukturach geometrycznych wykazują całkiem odmienną cytotoksyczność i bioaktywność in vitro, chociaż mogą one nie być dokładnie odzwierciedlone w porównawczej toksyczności in vivo.
Linki zewnętrzne
- Czujnik stresu gojenia się kości z nanorurek węglowych (wideo)