Nanotehnologia in medicina (Nanomedicina)

1. 1.      Introducere

1.1 Definitie

      Nanotehnologia –  in dictionar este definita ca o stiinta care lucreaza cu atomi si molecule pentru a contrui dispozitive (cum ar fi roboti), care sunt extrem de mici. Design-ul, caracterizarea, producerea si aplicarea structurilor, dispozitivelor si sistemelor prin controlul formei si marimii la scara “nanometrica”.

      Nanostiinta – fabricarea nanoparticulelor si a nanostructurilor incepand de la atomi si construindu-le atom cu atom prin asamblare spontana.

1.2. Scurt istoric

Ideile si conceptele din spatele nanostiintei si nanotehnologiei a inceput cu o discutie intitulata „Este destul loc la fund” de catre fizicianul Richard Feynman la o intalnire a Societatii Americane de Fizica de la Institutul de Tehnologie din California (CalTech) la 29 decembrie 1959, cu mult inainte de a fi folosit termenul nanotehnologie. In discursul sau, Feynman a descris un proces in care oamenii de stiinta ar putea fi capabili sa manipuleze si sa controleze atomii individuali si moleculele. Peste un deceniu mai tarziu, in explorarile sale de prelucrare a ultrapreciziei, profesorul Norio Taniguchi a inventat termenul nanotehnologie. Abia in anul 1981,  cu ajutorul dezvoltarii microscopului electronic s-au putut vedea atomii individual, iar atunci a inceput nanotehnologia moderna.

1.3. Conceptele fundamentale in nanostiinta si nanotehnologie

Este greu de imaginat cat de mica este nanotehnologia. Un nanometru fiind a miliarda parte dintr-un metru.

Nano-stiinta si nanotehnologia implica abilitatea de a vedea si de a controla atomii individuali si moleculele. Totul pe Pamant este alcatuit din atomi, alimentele pe care le mancam, hainele pe care le purtam, cladirile in care traim, si chiar corpurile noastre.

Insa ceva asa de mic ca un atom este imposibil de observat cu ochiul liber. De fapt, este imposibil de a vedea cu microscoape utilizate de obicei in clasele de stiinta din liceu. Microscoapele necesare pentru a vedea lucrurile la scara nanometrica au fost inventate in urma cu aproximativ 30 de ani.

Odata ce oamenii de stiinta au avut instrumentele necesare, cum ar fi microscopul electronic de scanare in tunel si microscopie de forta atomica, a fost nascuta era nano-tehnologiei.

Desi nanostiinta si nanotehnologia moderna sunt destul de noi, materialele la scara nanometrica au fost folosite de secole. Particule alternative de aur si de argint ce au creat culori pentru vitraliile bisericilor medievale cu sute de ani in urma. Artistii de atunci pur si simplu nu stiau procesul folosit pentru a crea aceste opere de arta, proces care defapt a dus la modificari in compozitia materialelor cu care au lucrat.

Oamenii de stiinta si inginerii de astazi gasesc o mare varietate de moduri de a face in mod deliberat materiale la scara nanometrica pentru a profita de proprietatile lor imbunatatite, cum ar fi rezistenta mai mare, greutate mai mica, un control sporit de spectru de lumina si reactivitate chimica mai mare decat omologarea lor pe scara larga.

1. 2.      Aplicatii ale nanotehnologiei

Cu inceputul anilor 2000, au inceput si cererile de nano-tehnologie in produsele comerciale, cu toate ca cele mai multe aplicatii sunt limitate la utilizarea cea mai mare a nano-materialelor pasive.

Ca de exemplu, aceste materiale pot include dioxid de titan si nanoparticule de oxid de zinc in protectie solara, produse cosmetice si in unele produse alimentare, nanoparticule de argint in ambalarea produselor alimentare, imbracaminte, dezinfectanti si aparate de uz casnic, cum ar fi Silver Nano, nanotuburi de carbon pentru textile rezistente la pete si oxid de ceriu ca un catalizator de combustibil.

In 2011, s-a estimat ca peste 1300 de produse Nanotech identificate de producator sunt disponibile public, cu 3-4 produse noi lansate pe saptamana. De asemenea, nano-tehnologia este utilizata in tarile care se afla in curs de dezvoltare pentru a ajuta la tratarea bolilor si pentru a preveni probleme de sanatate.

1. 3.      Nanomedicina

Nanomedicina, este o ramura a nanotehnologiei, si este definita ca “monitorizarea,repararea, constructia si controlul sistemelor biologice umane la nivel molecular, folosind nanodispozitive de inginerie si nanostructuri”(Robert Freitas, 1999).

Nanotehnologia a fost aplicata in diverse domenii, cum ar fi in medicina, optica, electronice, tesaturi, cosmetice si multe altele. Astfel, este important de mentionat ca diferenta intre nano-medicina si nano-tehnologie este profunda. Nano-medicina se leaga serios de aspectele de siguranta, cum ar fi toxicitatea, si este reglementat de catre autoritatile de reglementari, cum ar fi Ministerul Sanatatii din Statele Unite ale Americii (Food and Drug Administration – FDA).

3.1 Perceptia publica a nanomedicinei

Au existat diferite controverse provocate de unele biotehnologii, cum ar fi clonarea, ce a indicat faptul ca pentru orice tehnologie in curs de dezvoltare exista o perceptie beneficiu-risc ce a informat in mod corect publicul care este esential pentru acceptarea noii tehnologii si continuarea dezvoltarii acesteia.

Care va fi cel mai mare beneficiu al nanomedicinei pentru societatea umana?

Optimist, nanomedicina va ajuta in gasirea unor noi solutii pentru cele mai multe boli si va permite extinderea capacitatilor umane. De aceea, in prezent, cercetarile stiintifice sunt sustinute de catre public si cu fonduri guvernamentale pentru nano-medicina. Unele studii au evidentiat atitudinile publice optimiste si entuziaste despre nano-medicina in Italia (Bottini, 2011) si SUA (Burri si Bellucci, 2008).

Pe de alta parte, intelegerea noastra a nano-materialelor si a nano-medicinei este incompleta. Exista potential de sanatate, de mediu si riscuri sociale care trebuie evaluate in mod serios si bine. In acest sens, oamenii din tarile europene, cum ar fi Elvetia (Burri si Belluci, 2008) si Marea Britanie (Rogers-Hayden si Pidgeon, 2006), arata o atitudine mai pragmatica sau o abordare echilibrata fata de nano-medicina. Acestia nu sunt nici reticenti fata de nano-medicina, nici extrem de entuziasti, fata de potentialele riscuri cu care se confrunta nano-medicina. Acestia sustin continuarea cercetarii in domeniu, subliniind importanta de a obtine informatii cu privire la potentialele riscuri. Spre deosebire de aplicatiile infinite ale nano-tehnologiei, nano-medicina este un domeniu foarte reglementat. Orice medicament sau dispozitiv medical trebuie sa fie aprobate de catre Ministerul Sanatatii pentru a asigura siguranta acestora si eficacitate inainte de a fi puse pe piata.

3.2 Principiile stiintifice si aplicatiile nanomedicinei

Biologia si patologia de astazi demonstreaza ca multe boli provin din celule defectate (Kimet,2010). Soarta acestor celule de dimensiunea micronilor este determinata de moleculele de dimensiuni nano, cum ar fi genele si proteinele continute in celule.

Astfel cu ajutorul noii medicine se vizeaza locatii specifice din celule care trec prin unele bariere biologice. Unele din aceste bariere importante pentru livrare a nano-medicinei sunt: vascularizarea tumorii imature, bariera hematoencefalica, membrana celulei si membrana nucleului.

Medicina conventionala, datorita dimensiunilor sale la scara micronilor, nu are aceasta abilitate. In comparatie cu aceasta, dezvoltarea nano-medicinei are un impact semnificativ asupra modului de administrare a medicamentelor, in ceea ce priveste capacitatea de a trece prin diferite bariere biologice si a obtine acces la moleculele din compartimentele celulelor specifice.

Categoriile de materiale cu structura nano: nanoparticule, puncte cuantice, nano-tije, nano-tuburi, fulerena (al treilea tip de carbon dupa grafit si diamant – C60 – ce are structura suprafetei mingii de fotbal), nano-fire, nano-fibre, suprafete nano-structurate si schele, nano-compozite si schele supra-moleculare.

Nanomaterialele utilizate in medicina au mai multe caracteristici unice in comparatie cu materialele conventionale de dimensiunea micronilor. De asemenea, nano-materialele pot fi proiectate astfel incat sa prezinte proprietati acordabile optice, electronice, magnetice si biologice.

1. 4.      Viitorul nanomedicinei

Un studiu la nivel mondial a companiilor care urmaresc nanomedicina indica faptul ca aceasta s-a inradacinat in industria medicamentelor si dispozitivelor medicale (Wagner, 2006). Potrivit rapoartelor de afaceri, piata de livrare de medicamente reprezinta cea mai mare zona de aplicare (mai mult de 75%), in timp ce segmentul de biomateriale reprezinta segmentul cu cea mai rapida crestere – de-a lungul anilor 2006, pana in 2015 (Raport Anonim, 2009).

Infectiile cardiovasculare, sistemul nervos central, bolile si cancerul au fost principalele categorii terapeutice printre produsele nanomedicinei comerciale pana acum. Cu toate acestea, asa cum nano-structurile mai active, a treia si a patra generatie de materiale nano-structurale vor iesi pana in anul 2020, acestea vor fi produse ale nanomedicinei mai avansate in imagistica si diagnostic, reconstructia tesutului, biosenzori, terapie genica, si multe altele ce vor fi aduse pacientilor. Pionier al nanomedicinei, Robert F. Freitas Jr. (Freitas, 2005), a publicat o lucrare revizuita unde a incercat sa continue construirea unor micro-roboti (nanoroboti) pentru uz medical si tot el a raportat prima analiza de scalare teoretica si misiunea de proiectare pentru un nano-robot pentru repararea celulelor.

1. 5.      Nanorobotii in medicina

Exista potential pentru aplicarea nanorobotiilor in medicina ce include diagnosticarea precoce si orientarea de administrare a medicamentelor pentru cancer, instrumente biomedicale, chirurgie, monitorizarea farmacocinetica (ramura a farmacologiei care studiaza fenomenele ce intervin in procesele de absortie, distributie, transformare si eliminare a medicamentelor din organism) de diabet, si de ingrijire a sanatatii.

In astfel de planuri, viitorul nanotehnologiei in medicina se asteapta sa injecteze nano-roboti pacientului pentru a efectua munca la nivel celular. Astfel de nano-roboti care sunt destinati utilizarii in medicina ar trebui sa mareasca complexitatea dispozitivului, sa reduca fiabilitatea si sa interfereze cu misiunea medicala.

Nanotehnologia ofera o gama larga de noi tehnologii pentru dezvoltarea de solutii personalizate cate optimizeaza livrarea de produse farmaceutice. Astazi, efectele secundare nocive ale tratamentelor, cum ar fi chimioterapia, sunt de obicei un rezultat al metodelor de eliberare a medicamentelor care nu indica precizie mare in celulele tinta. De aceea, cercetatorii de la Harvard, au fost capabili sa creeze niste nano-particule, ce le-au umplut cu medicamente pentru chimioterapie. Aceste particule sunt atrase de celulele canceroase. Cand o nanoparticula intalneste o celula de cancer, adera la ea, si elibereaza medicamentul in celula de cancer. Aceasta metoda regizata de administrare a medicamentelor are un potential pentru tratarea pacientilor cu cancer si care in acelasi timp evita efectele negative (de obicei asociate administrarii necorespunzatoare a medicamentelor).

O alta aplicatie utila a nanorobotilor, asista in repararea celulelor tesutului alaturi de celulele albe din sange. Recrutarea celulelor inflamatorii sau celulelor albe din sange, la zona afectata, este prima reactie a tesuturilor ranite. Din cauza dimensiunilor foarte mici, nano-robotii ar putea sa se ataseze la suprafata celulelor albe recrutate, pentru a scurta drumul lor prin intermediul peretilor vaselor de sange si de a ajunge la locul afectat, in cazul in care acestea pot ajuta in procesul de reparare a tesuturilor. De asemenea, anumite substante ar putea fi folosite pentru a accelera recuperarea.

Stiinta in spatele acestui mecanism este destul de complex. Trecerea celulelor peste tesutul sangelui, este un proces cunoscut sub numele transmigrare, ce este un mecanism care implica angajamentul unor receptori celulari de suprafata a moleculelor de adeziune, efortul fortei active, dilatarea peretilor vaselor si deformarea fizica a celulelor migratoare. Atasandu-se de celulele inflamate care migreaza, nano-robotii fac de fapt “autostopul” de-a lungul vaselor de sange, ocolind necesitatea lor de a efectua mecanismul de transmigrare.

In prezent, oamenii de stiinta inca lucreaza la dimensiunile acestor nano-roboti, pentru a-i aduce la dimensiuni nanometrice, momentan acestia avand o dimensiune de cativa mm.

1. 6.      Concluzii

Inainte ca medicina sa avanseze, in perioada evului mediu si pana la iesirea din aceasta perioada, singura metoda pe care doctorii credeau ca poate vindeca o persoana era o incizie mica in zona bratelor pentru a lasa sangele sa curga.

In prezent, medicina a reusit sa evolueze astfel incat aceasta poate sa vindece oamenii cu ajutorul medicamentelor si operatiilor.

De asemenea, stiinta medicinei face continuu progrese rapide din care rezulta noi medicamente, noi tratamente si noi tehnologii ce sunt introduse rapid in spitalele lumii.

Odata cu evolutia tehnologiei, a aparut nanotehnologia care a fost introdusa in medicina, rezultand nanomedicina. Aceasta cauta modalitati de a vindeca persoane bolnave de anumite boli inca de la aparitia bolii la nivel molecular, astfel incat aceasta sa nu mai poata sa se extinda.

Introducerea nanorobotilor in medicina ar revolutiona lumea medicinei si ar schimba in intregime viata pe pamant. Introducerea unui nanorobot intr-un corp uman ar avea multe avantaje si anume: acesta s-ar plimba in corpul uman si s-ar duce imediat la celulele unde ar exista probleme si le-ar repara imediat fara a-i da virusului sansa de a evolua, nu ar mai fi nevoie de operatii, ar exista o populatie mai sanatoasa, bolile care sunt des intalnite in ziua de azi, probabil ca nu ar mai exista si aceasta tehnologie ar creste rata vietii unei persoane.

Astfel, pe viitor, practicarea acestei metode in medicina, ar aduce mai multe tipuri de tratamente, de asemenea, ar devenii mai ieftin si in acest fel ar fi disponibil pentru mai multe persoane, instrumentele chirurgicale si de diagnosticare vor fi elegante si ieftine, cercetarea de diagnosticare va deveni mai eficienta,   dispozitive mici o sa poata sa fie implementate permanent, mai multe probleme medicale vor fi prevenite si noile boli vor fi oprite rapid.

Bibliografie:

1. 1.      Freitas, R. A. (1999), Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities , Austin: Landes Bioscience.
2. 2.      Rogers-Hayden, T. and Pidgeon, N. (2006), ‘Refl ecting upon the UK’s citizens’ juryon nanotechnologies: Nanojury UK’, Nanotechnology Law & Business.
3. 3.      Bosetti, R. and Vereeck, L. (2011), ‘Future of nanomedicine: Obstacles and remedies’,Nanomedicin.
4. 4.      Burri, R. V. and Bellucci, S. (2008), ‘Public perception of nanotechnology,’ Journal of Nanoparticle Research.
5. 5.      Thomas J. Webstar, 2012, ‘Nanomedicine – Technologies and applications’.
6. 6.      Wagner, V., Dullaart, A., Bock, A.-K. and Zweck, A. (2006), ‘The emerging nanomedicine landscape’, Nature Biotechnology
7. 7.      Anonim, 2009, Raport: Nanomedicine Market to Surpass $160 Billion by 2015. http://ohsonline.com/articles/2009/06/29/report-on-nanomedicine-market.aspx
8. 8.      Freitas, R. A. (2005), ‘Nanotechnology, nanomedicine and nanosurgery’, International Journal of Surgery.
9. 9.      Kim, B., Rutka, J. T. and Chan, W. (2010), ‘Nanomedicine’, New England Journal of Medicine.
10. 10.  Articol – http://en.wikipedia.org/wiki/Nanorobotics#Nanomedicine