Nanomedicina

La nanomedicina es la médica aplicación de nanotecnología. Los enfoques de la gama nanomedicina del uso médico de la nanomateriales, a biosensores nanoelectrónica, e incluso posibles aplicaciones futuras de nanotecnología molecular. Problemas actuales de la nanomedicina implican la comprensión de las cuestiones relacionadas con toxicidad y impacto ambiental de materiales a nanoescala.

Investigación Nanomedicina es financiado directamente, con los EE.UU. Institutos Nacionales de Salud en 2005 la financiación de un plan de cinco años para establecer cuatro centros de nanomedicina. En abril de 2006, la revista Nature Materials estima que 130 fármacos basados en la nanotecnología y los sistemas de suministro se están desarrollando en todo el mundo.

Visión de conjunto

Nanomedicina busca entregar un valioso conjunto de herramientas de investigación y dispositivos clínicamente útiles en un futuro próximo. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología espera que las nuevas aplicaciones comerciales en la industria farmacéutica, que puede incluir sistemas avanzados de administración de fármacos, nuevas terapias, y imágenes in vivo. Interfaces de Neuro-electrónicos y otros sensores basados en nanoelectrónica son otro de los objetivos de investigación activa. Más abajo en la línea, la campo especulativo de nanotecnología molecular cree que máquinas de reparación de células podrían revolucionar la medicina y el campo de la medicina.

La nanomedicina es una gran industria, con ventas de nanomedicina alcanzando 6,8 mil millones de dólares en 2004, y con más de 200 empresas y 38 productos en todo el mundo, un mínimo de 3,8 millones de dólares en la I + D se está invirtiendo cada año. A medida que la industria de la nanomedicina sigue creciendo, se espera que tenga un impacto significativo en la economía.

El uso médico de los nanomateriales

Entrega de la droga

Nanomédica se acerca a centro de administración de fármacos en el desarrollo partículas a nanoescala o moléculas para mejorar la biodisponibilidad de un fármaco. La biodisponibilidad se refiere a la presencia de moléculas de drogas donde se necesitan en el cuerpo y en el que van a hacer el mayor bien. El suministro de fármacos se centra en maximizar la biodisponibilidad tanto en lugares específicos en el cuerpo y durante un período de tiempo. Esto se logrará mediante la orientación molecular mediante dispositivos nanoingeniería. Es todo sobre la orientación de las moléculas y la entrega de medicamentos con precisión celular. Más de $ 65 mil millones se desperdician cada año debido a la mala biodisponibilidad. Imágenes in vivo es otra área donde se están desarrollando herramientas y dispositivos. Uso nanopartícula agentes de contraste, imágenes como la ecografía y la RM tienen una distribución favorable y contraste mejorado. Los nuevos métodos de nanoingeniería materiales que se están desarrollando pueden ser efectivos en el tratamiento de enfermedades y las enfermedades como el cáncer. ¿Qué nanocientíficos serán capaces de lograr en el futuro está más allá de la imaginación actual. Esto se logrará mediante auto assemblied nanodispositivos biocompatibles que detectarán, evaluar, tratar e informar al médico clínico automáticamente.

Sistemas de administración de fármacos, las nanopartículas de lípidos o basados en polímeros, pueden ser diseñados para mejorar las farmacológicos propiedades y terapéuticos de las drogas. La fuerza de los sistemas de administración de fármacos es su capacidad para alterar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. Las nanopartículas tienen propiedades inusuales que se pueden utilizar para mejorar la administración de fármacos. Cuando las partículas más grandes se habrían eliminado del organismo, las células toman estas nanopartículas debido a su tamaño. Mecanismos de administración de fármacos complejos se están desarrollando, incluyendo la capacidad de obtener los medicamentos a través de las membranas celulares y en la celda citoplasma. La eficiencia es importante porque muchas enfermedades dependen de los procesos dentro de la célula y sólo pueden ser impedidos por las drogas que hacen su camino dentro de la célula. Se dispara es una forma de moléculas de fármacos a utilizar de manera más eficiente. Los fármacos se colocan en el cuerpo y sólo se activan al encontrar una señal particular. Por ejemplo, un fármaco con pobre solubilidad será reemplazado por un sistema de suministro de fármaco donde existen entornos tanto hidrofílicos e hidrofóbicos, la mejora de la solubilidad. También, un fármaco puede causar daños en los tejidos, pero con la administración de fármacos, la liberación del fármaco regulada puede eliminar el problema. Si un fármaco se elimina demasiado rápidamente del cuerpo, esto podría forzar a un paciente a utilizar dosis altas, pero con el aclaramiento de los sistemas de administración de fármacos puede ser reducida mediante la alteración de la farmacocinética del fármaco. Poor biodistribución es un problema que puede afectar a los tejidos normales a través de una amplia distribución, pero el partículas de los sistemas de administración de fármacos reducen el volumen de distribución y reducir el efecto sobre el tejido no objetivo. Nanofármacos potenciales trabajarán por mecanismos muy específicos y bien entendidos, uno de los principales impactos de la nanotecnología y la nanociencia estarán en líder en el desarrollo de nuevos fármacos por completo con un comportamiento más útil y menos efectos secundarios.

Cáncer

Una ilustración esquemática que muestra cómo podrían utilizarse nanopartículas u otros medicamentos contra el cáncer para tratar el cáncer.

El pequeño tamaño de las nanopartículas de los dota de propiedades que pueden ser muy útiles en oncología, en particular en formación de imágenes. Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades cuánticas de confinamiento, como el tamaño-sintonizable emisión de luz), cuando se utiliza junto con la RM (resonancia magnética), pueden producir imágenes excepcionales de sitios tumorales. Estas nanopartículas son mucho más brillantes que los tintes orgánicos y sólo necesitan una fuente de luz para la excitación. Esto significa que el uso de puntos cuánticos fluorescentes podría producir una imagen de contraste superior y a un menor costo que los tintes orgánicos de hoy en día utilizan como medios de contraste.

Otra nanoproperty, área de superficie alta a volumen, permite que muchos grupos funcionales que se unen a una nanopartícula, que se puede buscar y unirse a cierta las células tumorales. Además, el pequeño tamaño de las nanopartículas (10 a 100 nanómetros), les permite acumularse preferentemente en los sitios tumorales (tumores porque carecen de un sistema de drenaje linfático eficaz). Una muy interesante pregunta de investigación es cómo hacer que estas nanopartículas de imagen hacen más cosas para el cáncer. Por ejemplo, ¿es posible fabricar nanopartículas multifuncionales que detectarían, imagen, y luego proceder a tratar un tumor? Esta cuestión es objeto de investigación vigoroso; la respuesta a lo que podría determinar el futuro de cáncer treatment.A prometedor nuevo tratamiento contra el cáncer que puedan reemplazar algún día a la radiación y la quimioterapia está acercándose a los ensayos en humanos. Terapia Kanzius RF concede nanopartículas microscópicas a las células cancerosas y luego tumores "cocineros" dentro del cuerpo con las ondas de radio que calientan sólo las nanopartículas y las células adyacentes (cancerosos).

Chips de prueba del sensor que contienen miles de nanocables, capaces de detectar las proteínas y otros biomarcadores dejados por las células cancerosas, podrían permitir la detección y diagnóstico de cáncer en las etapas tempranas de unas pocas gotas de sangre de un paciente.

Investigadores de Universidad de Rice con el Prof. Jennifer West, han demostrado el uso de 120 nm de diámetro nanocápsulas recubiertas con oro para matar a los tumores de cáncer en ratones. Las nanocápsulas pueden ser dirigidos a unión a las células cancerosas mediante la conjugación de anticuerpos o péptidos a la superficie nanoshell. Mediante la irradiación del área del tumor con un láser infrarrojo, que pasa a través de la carne sin calentarla, el oro se calienta lo suficiente como para causar la muerte de las células cancerosas.

Adicionalmente, John Kanzius ha inventado una máquina de radio que utiliza una combinación de ondas de radio y nanopartículas de carbono o de oro para destruir las células cancerosas.

Las nanopartículas de seleniuro de cadmio ( quantum dots) brillo cuando se expone a la luz ultravioleta. Cuando se inyecta, se filtran en el cáncer tumores. El cirujano puede ver el tumor que brilla intensamente, y lo utilizan como una guía para la extirpación del tumor más precisa.

Un científico de la Universidad de Michigan, James Baker, cree haber descubierto una manera altamente eficiente y exitoso de la entrega de los medicamentos contra el cáncer que es menos perjudicial para el cuerpo circundante. Baker ha desarrollado una nanotecnología que puede localizar y eliminar las células cancerosas. Él mira a una molécula llamada un dendrímero. Esta molécula tiene más de cien ganchos en él que le permiten adjuntar a las células en el cuerpo para una variedad de propósitos. Baker, a continuación, se une de ácido fólico a algunos de los ganchos (ácido fólico, siendo una vitamina, es recibida por las células en el cuerpo). Las células cancerosas tienen más receptores de vitamina que las células normales, por lo dendrímero-vitamina cargado de Baker serán absorbidos por la célula cancerosa. Para el resto de los ganchos del dendrímero, Baker coloca fármacos contra el cáncer que será absorbido con el dendrímero en la célula de cáncer, ofreciendo de esta forma el fármaco contra el cáncer a la célula cancerosa y en ninguna otra Bullis (2006).

En la terapia fotodinámica, una partícula se coloca dentro del cuerpo y se ilumina con luz desde el exterior. La luz es absorbida por la partícula y si la partícula es de metal, la energía de la luz será calentar el tejido de las partículas y de los alrededores. La luz también puede ser utilizado para producir moléculas de oxígeno de alta energía que reaccionarán químicamente con y destruir la mayoría de las moléculas orgánicas que son al lado de ellos (como tumores). Esta terapia es atractiva por muchas razones. No deja un "rastro tóxico" de moléculas reactivas en todo el cuerpo (quimioterapia), ya que se dirige donde se brilla sólo la luz y existen las partículas. La terapia fotodinámica tiene potencial para un procedimiento no invasivo para tratar enfermedades, crecimientos y tumores.

Cirugía

En la Universidad de Rice, un soldador de carne se utiliza para fundir dos trozos de carne de pollo en una sola pieza. Las dos piezas de pollo se colocan juntos tocando. Un líquido verdoso que contiene nanocápsulas recubiertas de oro se gambeteó a lo largo de la costura. Un láser infrarrojo se traza a lo largo de la costura, haciendo que las dos partes a soldar juntos. Esto podría resolver las dificultades y la sangre se filtra causadas cuando el cirujano intenta restitch las arterias que él / ella ha cortado durante un trasplante de riñón o corazón. El soldador carne podría fusionar la arteria en un sellado perfecto.

Visualización

Seguimiento de movimiento puede ayudar a determinar qué tan bien los medicamentos cómo se metabolizan las sustancias se distribuyen o. Es difícil realizar un seguimiento de un pequeño grupo de células de todo el cuerpo así que los científicos utilizan para teñir las células. Estos colorantes necesarios para ser excitados por la luz de una determinada longitud de onda en el fin de que se iluminan. Mientras diferentes tintes de color absorben diferentes frecuencias de luz, había una necesidad de mayor número de fuentes de luz como las células. Una forma de evitar este problema es con las etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos unidos a proteínas que penetran las paredes celulares. Los puntos pueden ser al azar en tamaño, pueden ser hechas de material bio-inerte, y demostrar la propiedad nanoescala que el color es dependiente del tamaño. Como resultado, se seleccionan tamaños de modo que la frecuencia de la luz utilizada para hacer un grupo de puntos cuánticos fluorescencia es un múltiplo par de la frecuencia requerida para hacer otro calen grupo. Luego ambos grupos se pueden encender con una sola fuente de luz.

Focalización de nanopartículas

Se observa en gran medida de que las nanopartículas son prometedoras herramientas para el avance de administración de fármacos, imágenes médicas, y como sensores de diagnóstico. Sin embargo, la biodistribución de estas nanopartículas es mayormente desconocido debido a la dificultad en la orientación de los órganos específicos en el cuerpo. La investigación actual en los sistemas excretores de los ratones, sin embargo, muestra la capacidad de los compuestos de oro para atacar selectivamente a ciertos órganos en función de su tamaño y carga. Estos materiales compuestos están encapsulados por un dendrímero y asigna una carga y tamaño específico. Se encontraron nanopartículas de oro cargadas positivamente para entrar en los riñones, mientras que las nanopartículas de oro cargadas negativamente se mantuvieron en el hígado y el bazo. Se sugiere que la carga positiva de la nanopartícula superficie disminuye la tasa de osponization de las nanopartículas en el hígado, afectando así a la vía de excreción. Incluso en un tamaño relativamente pequeño de 5 nm, sin embargo, estas partículas pueden llegar a ser compartimentado en los tejidos periféricos, y por lo tanto se acumulan en el cuerpo con el tiempo. Si bien el avance de la investigación demuestra que la orientación y distribución puede ser aumentada por las nanopartículas, los peligros de nanotoxicidad se convierten en un importante paso en una mayor comprensión de sus usos médicos.

Interfaces de Neuro-electrónica

Interfaces de Neuro-electrónica son un objetivo visionario trata de la construcción de nanodispositivos que permitan computadoras a unir y vinculado al sistema nervioso. Esta idea requiere la construcción de una estructura molecular que permita el control y la detección de los impulsos nerviosos por un ordenador externo. Los ordenadores serán capaces de interpretar, registrar y responder a las señales del cuerpo emite cuando se siente sensaciones. La demanda de tales estructuras es enorme porque muchas enfermedades implican la decadencia del sistema nervioso (ALS y esclerosis múltiple). Además, muchas de las lesiones y los accidentes pueden poner en peligro el sistema nervioso que resulta en sistemas disfuncionales y paraplejia. Si los equipos podrían controlar el sistema nervioso a través de interfaz de neuro-electrónica, los problemas que deterioran el sistema podrían ser controladas de manera que los efectos de las enfermedades y lesiones podrían superarse. Dos consideraciones se deben hacer al seleccionar la fuente de alimentación para dichas aplicaciones. Son estrategias refuelable y nonrefuelable. Una estrategia refuelable implica la energía se vuelve a llenar de forma continua o periódica con Sonic externa, química, atado, o fuentes eléctricas. Una estrategia nonrefuelable implica que toda la energía se extrae de almacenamiento de energía interna que se detendrá cuando se drena toda la energía.

Una limitación a esta innovación es el hecho de que la interferencia eléctrica es una posibilidad. Los campos eléctricos, pulsos electromagnéticos (EMP), y campos de dispersión de otros dispositivos eléctricos en vivo todos pueden causar interferencias. Además, se requieren aisladores gruesas para evitar la fuga de electrones, y si la alta conductividad del medio in vivo se produce hay un riesgo de pérdida de potencia repentina y "cortocircuito". Finalmente, también se necesitan cables gruesos para llevar a cabo los niveles de potencia considerables sin sobrecalentamiento. Se ha avanzado poco práctico a pesar de que la investigación está sucediendo. El cableado de la estructura es extremadamente difícil debido a que deben ser posicionados con precisión en el sistema nervioso de manera que es capaz de controlar y responder a las señales nerviosas. Las estructuras que proporcionan la interfaz también deben ser compatibles con el sistema inmunológico del cuerpo para que no se verán afectados en el cuerpo durante un largo tiempo. Además, las estructuras deben también detectan corrientes iónicas y puedan causar corrientes fluyendo hacia atrás. Si bien el potencial de estas estructuras es increíble, no hay un calendario para cuando estarán disponibles.

Las aplicaciones médicas de la nanotecnología molecular

Nanotecnología molecular es una subcampo especulativa de la nanotecnología sobre la posibilidad de la ingeniería ensambladores moleculares, máquinas que podría volver a ordenar la materia a una escala molecular o atómica. Nanotecnología molecular es muy teórico, tratando de anticipar qué inventos nanotecnología podría producir y proponer una agenda para la investigación futura. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como ensambladores moleculares y nanorobots son mucho más allá de las capacidades actuales.

Nanorobots

Las afirmaciones un tanto especulativas acerca de la posibilidad de utilizar nanorobots en medicina, dicen los defensores, cambiaría totalmente el mundo de la medicina una vez que se dio cuenta. Nanomedicina haría uso de estos nanorobots (por ejemplo, Genes Computacional), introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. De acuerdo a Robert Freitas del Instituto para la fabricación molecular, un típico sangre nanorobot médica transmitidas sería entre 0,5 a 3 micrómetros de tamaño, ya que es el tamaño máximo posible debido a requisito pasaje capilar. Carbon sería el elemento principal utilizado para construir estos nanorobots debido a la fuerza inherente y otras características de algunas formas de carbono ( diamante / composites fullereno) y nanorobots se fabricarían en nanofactories escritorio especializado para este propósito.

Nanodispositivos podrían ser observado en el trabajo en el interior del cuerpo mediante resonancia magnética, especialmente si se han fabricado sus componentes utilizando en su mayoría ¹³ átomos de carbono en lugar de lo natural ¹² C isótopos de carbono, desde ^{el 13 de} C tiene un momento magnético nuclear no nulo. Nanodispositivos Médicos primera se inyectan en un cuerpo humano, y serían luego ir a trabajar en una masa órgano o tejido específico. El médico controlará los avances, y asegurarse de que los nanodispositivos han llegado a la zona de tratamiento objetivo correcto. El médico quiere ser capaz de escanear una sección del cuerpo, y ver realmente los nanodispositivos congregaron cuidadosamente alrededor de su objetivo (una masa tumoral, etc.) para que él o ella puede estar seguro de que el procedimiento fue exitoso.

Máquinas de reparación celular

El uso de medicamentos y la cirugía, los médicos sólo pueden alentar a los tejidos para reparar ellos mismos. Con las máquinas moleculares, habrá reparaciones más directos. Reparación celular utilizará las mismas tareas que los sistemas vivos ya ser posible. El acceso a las células es posible porque los biólogos pueden clavar agujas en las células sin matarlas. Por lo tanto, las máquinas moleculares son capaces de entrar en la célula. Además, todas las interacciones bioquímicas específicas muestran que los sistemas moleculares pueden reconocer otras moléculas por el tacto, construir o reconstruir cada molécula en una célula, y pueden desmontar moléculas dañadas. Finalmente, las células que se replican demuestran que los sistemas moleculares pueden montar cada sistema se encuentra en una célula. Por lo tanto, puesto que la naturaleza ha demostrado las operaciones básicas necesarias para llevar a cabo la reparación celular a nivel molecular, en el futuro, los sistemas basados nanomáquina serán construidas que son capaces de entrar en las células, detectar diferencias de los sanos y hacer modificaciones a la estructura.

Las posibilidades de estas máquinas de reparación celular son impresionantes. Comparable con el tamaño de los virus o bacterias, sus piezas compactas se les permite ser más compleja. Se especializarán Las primeras máquinas. Como se abren y las membranas celulares cercanos o viajan a través del tejido y entrar en las células y los virus, las máquinas sólo será capaz de corregir un único trastorno molecular como el daño de ADN o deficiencia de la enzima. Más tarde, las máquinas de reparación celular se programarán con más habilidades con la ayuda de avanzados sistemas de IA.

Se necesitarán nanocomputadoras para guiar estas máquinas. Estas computadoras dirigirán máquinas para examinar, desarmar y reconstruir estructuras moleculares dañados. Máquinas de reparación serán capaces de reparar toda células mediante la estructura de trabajo de estructura. Entonces por células de trabajo por célula y tejido por tejido, órganos enteros pueden ser reparados. Por último, por órgano de trabajo por órgano, la salud se restaura en el cuerpo. Las células dañadas hasta el punto de inactividad se pueden reparar debido a la capacidad de las máquinas moleculares para construir las células a partir de cero. Por lo tanto, las máquinas de reparación celular liberarán medicina de la dependencia de la reparación auto.

Se está creando una nueva ola de la tecnología y la medicina y su impacto en el mundo va a ser monumental. De las posibles aplicaciones tales como la administración de fármacos y de imágenes in vivo de los posibles máquinas del futuro, los avances en nanomedicina se están haciendo todos los días. No pasará mucho tiempo para la industria de 10 mil millones de dólares para explotar en una industria de 100 mil millones o 1 billón de dólares, y la administración de fármacos, imágenes in vivo y la terapia es sólo el comienzo.

Nanonephrology

Nanonephrology es una rama de la nanomedicina y nanotecnología que se ocupa de 1) el estudio de las estructuras de las proteínas de riñón en el nivel atómico; 2) nano-imagen se acerca para estudiar procesos celulares en células de riñón; y 3) los tratamientos nano médica que utilizan nanopartículas y para el tratamiento de diversas enfermedades renales. La creación y el uso de materiales y dispositivos en los niveles moleculares y atómicas que se pueden utilizar para el diagnóstico y la terapia de enfermedades renales es también una parte de Nanonephrology que jugará un papel en el manejo de pacientes con enfermedad renal en el futuro. Los avances en Nanonephrology estarán basadas en los descubrimientos en las áreas antes mencionadas que pueden proporcionar información nano-escala en la maquinaria molecular celular implicada en los procesos normales del riñón y en estados patológicos. Mediante el conocimiento de las propiedades físicas y químicas de las proteínas y otras macromoléculas a nivel atómico en diversas células en el riñón, nuevos enfoques terapéuticos pueden ser diseñados para combatir las enfermedades renales principales. El riñón artificial nano-escala es un objetivo que muchos médicos pueden soñar. Avances de la ingeniería a nanoescala permitirán robots programables y controlables a nanoescala para ejecutar procedimientos curativos y reconstructivos en el riñón humano a nivel celular y molecular. El diseño de nanoestructuras compatibles con las células de riñón y que puede operar con seguridad en vivo es también un objetivo futuro. La capacidad de dirigir eventos en una manera controlada en el nivel de nano celular tiene el potencial de mejorar significativamente la vida de los pacientes con enfermedades renales.